IC工艺技术5-离子注入

1、集成电路工艺技术讲座第五讲离子注入Ion implantation引言 半导体工艺中应用的离子注入是将高能量的杂质离子导入到半导体晶体，以改变半导体，尤其是表面层的电学性质 注入一般在50-500kev能量下进行离子注入的优点 注入杂质不受材料溶解度，扩散系数，化学结合力的限制，原则上对各种材料都可掺杂 可精确控制能量和剂量，从而精确控制掺杂量和深度 较小的恒向扩散 掺杂均匀性好，电阻率均匀性可达1% 纯度高，不受所用化学品纯度影响 可在较低温度下掺杂目录 射程和分布射程和分布 沟道效应 损伤和退火 离子注入机 离子注入的应用 离子注入工艺模拟射程 入射离子在非晶靶内的射程 非晶靶 射程，投影

2、射程入射方向RpRLSS理论 单个入射离子在单位距离上的能量损失 -dE/dx=NSn(E)+Se(E) 其中：Sn(E)原子核阻止本领 Se(E)电子阻止本领 N 单位体积靶原子平均数 R=oRdx（1/N） oEodE/Sn(E) Se(E) LSS理论核阻止本领和弹性碰撞M1EoM2M2M1V1V2入射粒子最大转移能量1/2M2v22=4M1M2Eo/(M1+M2)2核阻止本领 粗略近似计算核阻止本领 Sno=2.8x10-15 (Z1Z2/Z1/3 )M1/(M1+M2)（ev-cm2) 其中 Z 2/3= Z12/3+Z22/3 低能时S= Sno （Se=0） R=0.7 (Z12

3、/3+Z22/3)1/2/Z1Z2 (M1+M2)/M1Eo Rp=R/(1+M2/3M1) Rp=(2/3)(M1M2)1/2 Rp /(M1+M2)LSS理论电子阻止本领 电子阻止本领： 入射离子和靶原子周围电子云的相互作用。离子和电子碰撞失去能量，电子激发或电离。 电子阻止本领与入射离子的速度成正比 Sn(E)=keE1/2 其中 ke值为107(eV)1/2/cm两种能量损失示意图SnSeE1E2E3E-dE/dx低能区E2常见硅中杂质的能量损失磷砷锑投影射程硼投影射程SiO2中投影射程光刻胶中投影射程入射粒子在非晶靶中浓度分布1.E+171.E+181.E+191.E+201.E+2

4、100.20.40.60.8深度 (um)浓度 (atm/cm3)高斯分布 几率 P(x,E)=1/(2)1/2Rpexp-(x-Rp)2/2 Rp2 二个参量,可查表 入射粒子剂量为D(atm/cm2),浓度分布 N(x)=D /(2)1/2Rpexp-(x-Rp)2/2 Rp2高斯分布特点和应用 1) x=Rp处Nmax Nmax=D/ (2)1/2 Rp=0.4 D/ Rp 2)平均投影射程二边对称，离Rp下降快N/Nmax 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 x-Rp 2Rp 3Rp 3.7Rp 4.3Rp 4.8Rp 5.3Rp 3) 求结深 若衬底浓度下降到

5、Nmax相差二个数量级时 xj Rp 3Rp高斯分布特点和应用 4) 求掩蔽层厚度 一般认为穿过掩蔽层到达衬底的离子数降到入射离子总数的0.01%时，该掩蔽层能起阻挡作用,此时应选tmSiO2或胶SiTm=Rp 4Rp双高斯分布N1(x)N2(x)RmN(x)xRmN(x)=D /(2)1/2 (Rp1+ Rp2)exp-(x-Rm)2/2 Rp22三个参量Rm， Rp1， Rp2Pearson- IV分布 有四个参量 2, 1, Rp , Rp N(y)=No expf(y) f(y)=1/2b2lnbo+b1xn+b2xn2-(b1/b2+2a)/ (4b2bo-b12)1/2tg-12b

6、2xn+b1/(4b2bo-b12)1/2 xn=(y-Rp)/ Rp a=- 1(2 +3)/A bo=-(42 -312)/A b1=a b2=-(22 -312 -6)/A A=102 -1212 -18硼离子注入分布横向分布-a+ayN(y)横向分布 等浓度线50kev100kev150kevP+P-SiN(x,y,z)=N(x)=D /(2)1/2Rpexp-(x-Rp)2/2 Rp2 ()1/2erfc(y-a)/(21/2 Rt) 目录 射程和分布 沟道效应沟道效应 损伤和退火 离子注入机 离子注入的应用 离子注入工艺模拟沟道效应 单晶靶中的射程分布沟道效应 单晶靶中的射程分布临

7、界角cA 大于c入射C 小于cB 稍小于cc（2Z1Z2e2/Ed)1/2 50kev c 2.9-5.2 能量对沟道效应影响1E41E31E51E2计数0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 深度umP32 (110) Si12kev40kev100kev剂量对沟道效应影响1E41E31E21E17E14/cm29E13/cm21E13/cm20.4 0.8 1.2 1.6 umP32 (110) Si取向对沟道效应影响1E41E31E21E1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 深度（ um） P32 (110) Si 40kev准直偏2偏8 温度对沟道效应影响室温400C1E41E3

8、1E21E10.2 0.4 0.6 0.8 1.0 深度 （um)计数P32 (110) Si 40kev目录 射程和分布 沟道效应 损伤和退火损伤和退火 离子注入机 离子注入的应用 离子注入工艺模拟离子注入损伤过程 高能离子与晶格原子核碰撞，能量传递给晶格原子晶格原子离开晶格位置移位原子有足够能量与其他衬底原子碰撞产生额外移位原子在入射离子路径周围产生大量缺陷（空位和间隙原子）形成衬底损伤区离子注入损伤轻离子（B）重离子（As)损伤区Rp畸变团离子注入损伤临界剂量 损伤随剂量增加而增加，达到损伤完全形成（非晶层，长程有序破坏）时的剂量称临界剂量临界剂量 th 注入离子质量小th大 注入温度高

9、th大 注入剂量率高，缺陷产生率高 th小离子注入损伤临界剂量 th (cm-2)10141015101610172468101000/T(K)BPSb损伤的去除退火 损伤对电特性影响 * 注入杂质不在替代位置载流子浓度低 * 晶格缺陷多散设中心多载流子迁移率低，寿命低pn结漏电 退火的作用 * 高温下原子发生振动，重新定位或发生再结晶（固相外延），使晶格损伤恢复 * 杂质原子从间隙状态转变为替位状态，成为受主或施主中心电激活退火效应硼退火效应硼，磷，砷比较4 5 6 7 8 9 x100C1e155e151e145e14载流子浓度(cm-3)B+P+As+B+ 100kevP+ 200kev

10、As+80kev1x1015/cm3退火温度退火温度和剂量的关系 退火温度退火30min，有90%掺杂原子被激活的温度1013101410151016剂量（cm-2）BPTa=30退火温度(C)6007008009001000500快速热退火(RTA)退火技术比较传统炉管RTA工艺整批单片炉管热壁冷壁加热率低高温控炉管硅片热预算高低颗粒多少均匀，重复性 高低产率高低目录 射程和分布 沟道效应 损伤和退火 离子注入机离子注入机 离子注入的应用 离子注入工艺模拟离子注入机 按能量分 低能 300kev 按束流分 弱流 uA 中束流 100uA-1mA 大束流 mANV-6200A350D(200k

11、ev,1mA)1080(80kev,10mA)10160(160kev,10mA)离子注入机结构离子注入机结构离子源分析系统加速系统聚焦扫描靶室电源真空冷却控制测量离子源 离子种类 能产生多种元素的离子束 束流强度 决定生产效率 束流品质 寿命 气体利用效率 束流/耗气量 功率利用效率 束流/功耗离子源 电子碰撞型离子源 气体供给系 固体蒸发源离子源离子源Gas放电腔磁铁吸极灯丝注入材料形态选择材料气态固态硼BF3-磷PH3红磷砷AsH3固态砷，As2O3锑Sb2O3质量分析系统 带电粒子在磁场中运动受到洛伦兹力 F=qVxB 粒子作圆周运动，半径为 R=mv/qB=(2mE)1/2/qB质量

12、分析系统加速聚焦系统 静电加速管 E=ZV V加速电压 聚焦透镜yxVaVaaV(x,y)=1/2(x2-y2)扫描系统 扫描是为了保证注入均匀性 扫描方式 电扫描 样品固定，电子束扫描 机械扫描 束流固定，样品运动 混合扫描 x向电扫描，样品运动扫描系统电扫描偏转DzyvlLdD=VlL/2vd偏转电压V电扫描 三角波和锯齿波 过扫描 扫描频率 快扫描频率(x)不等于慢扫描频率(y)的整数倍目录 射程和分布 沟道效应 损伤和退火 离子注入机 离子注入的应用离子注入的应用 离子注入工艺模拟离子注入的应用 双极IC 埋层，隔离，基区，高电阻，浅发射区 CMOS IC 阱，Vt调节，场区，浅源漏结

13、，LDD结构离子注入的应用(SOI) SIMOX（Separation by Implantation of Oxygen)形成 SOI结构 能量150-200kev, 剂量12x1018/cm2, Rp 0,10.2um SiO2 厚度0.10.5um SiO2SiSiSOI MOSFETN+N+SiSiO2Poly Si目录 射程和分布 沟道效应 损伤和退火 离子注入机 离子注入的应用 离子注入工艺模拟离子注入工艺模拟离子注入工艺模拟(SUPREM) TITLE: Boron Implant # Initialize the silicon substrate. Initialize Silicon Phosphorus Resistivity=10 Thick=4 dX=.02 xdX=.05 Spaces=200 # Grow oxide for Implant D