离子注入法介绍课件

离子注入法介绍离子注入法介绍1■概述■离子注入工艺设备及其原理■射程与入射离子的分布■实际的入射离子分布问题■注入损伤与退火■离子注入工艺的优势与限制离子注入(Ionlmplantation)参考资料：《微电子制造科学原理与工程技术》第5章离子注入

(电子讲稿中出现的图号是该书中的图号)■概述离子注入(Ionlmplantation)参考资2■

离子注入工艺是IC制造中占主导的掺杂技术■离子注入：将杂质离化，通过电场加速，将这些离化的杂质直接打入硅片中，达到掺杂的目的■一般CMOS工艺流程需6～12次离子注入■典型的离子注入工艺参数：能量约5～200keV，

剂量约1011～1016/cm2。一、概述（一）介绍■离子注入工艺是IC制造中占主导的掺杂技术一、概述（一3（二）MOSFET工艺中的离子注入（二）MOSFET工艺中的离子注入4(1)

离子源——杂质离子的产生(2)

加速管——杂质离子的加速(3)

终端台——离子的控制二、离子注入工艺设备及其原理1、离子注入技术的三大基本要素：(1)

离子的产生(2)

离子的加速(3)

离子的控制2、离子注入系统的三大组成部分：(1)离子源——杂质离子的产生二、离子注入工艺设备及其原5离子注入法介绍ppt课件6■气态源：

(或固体源)

BF3AsH3PH3SiH4H2■放电室：低气压、分解离化气体

BF3

B，B+，BF2+，F+，

……■引出狭缝：负电位，吸引出离子（1）离子源：

离子束流量(最大mA量级)

吸极电压Vext：约15～30KV，

决定引出离子的能量(速度)产生杂质离子■气态源：(或固体源)（1）离子源： 离子束流量7离子注入法介绍ppt课件8■出口狭缝：只允许一种(m/q)的离子离开分析仪（2）质量分析器：■分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的速度方向离子运动路径：离子运动速率：质量m+m的离子产生的位移量选择注入所需的杂质成分(B+)■出口狭缝：只允许一种(m/q)的离子离开分析仪（2）质9离子注入法介绍ppt课件10■静电透镜：离子束聚焦■

静电加速器：调节离子能量■

静电偏转系统：滤除中性粒子加速离子，获得所需能量；高真空(<10-6Torr)（3）加速管：■静电透镜：离子束聚焦加速离子，获得所需能量；高真空(<11

静电光栅扫描：适于中低束流机

机械扫描：适于强束流机■剂量控制

法拉第杯：捕获进入的电荷，测量离子流

注入剂量：当一个离子的荷电态为m时，注入剂量为：（4）终端台：控制离子束扫描和剂量图5.5两种注入机扫描系统■离子束扫描 静电光栅扫描：适于中低束流机当一个离子的荷电态12■杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P++，B++，…■注入能量(单位：Kev)——决定杂质分布深度和形状■注入剂量(单位：原子数/cm2)——决定杂质浓度■束流(单位：mA或uA)——决定扫描时间■注入扫描时间(单位：秒)——决定注入机产能

当剂量固定时，束流越大，扫描时间越短，机器产能越高扫描时间太短，会影响注入的均匀性(一般最短扫描时间l0s)（5）离子注入工艺控制参数■杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P++，B13（6）杂质剂量与杂质浓度的关系（6）杂质剂量与杂质浓度的关系14■高能离子进入靶材料后，与靶原子核及其电子碰撞，损失能量，发生散射，最后停止下来。■离子在靶中的行进路线及其停止位置是随机的。■射程R：离子在靶中行进的总距离■垂直投影射程Rp：离子射程在靶深度轴上的投影距离■垂直投影射程偏差△Rp：

Rp的标准偏差三、射程与入射离子的分布1、射程的概念■高能离子进入靶材料后，与靶原子核及其电子碰撞，损失三、15■核碰撞：入射离子与靶原子核碰撞，因二者质量为同一数量级，因此一次碰撞可使离子损失较多能量(Sn)，且可能发生大角度散射。有时还引发连续碰撞。■入射离子能量损失：2、入射离子能量损失机制■电子碰撞：入射离子与核外电子碰撞，因质量相差很大，因此每次碰撞离子损失很少能量(Se)，且都是小角度散射。■核碰撞：入射离子与靶原子核碰撞，因二者质量为同一数■16图5.8常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系■核阻滞

当能量较低时，E

，Sn

；当能量较高时，E

，Sn

；Sn在某能量处有最大值。在重离子、低能量注入条件下占主导■电子阻滞．在轻离子、高能量注入条件下占主导图5.8常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系■核阻滞■17（1）离子投影射程Rp与入射离子质量和能量有关；

Rp与入射离子与靶原子质量比有关3、核阻滞理论(射程理论，LSS理论)由下式决定注意：Rp与

Rp可由LSS表查出（1）离子投影射程Rp与入射离子质量和能量有关；3、核阻滞理18离子注入法介绍ppt课件19离子注入法介绍ppt课件20■离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量：（2）入射离子的分布■对于无定形靶，离子浓度沿深度方向分布的一阶近似关系：式中，

是注入离子剂量(/cm2)■深度为Rp时的离子浓度为最大值：■离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量：（2）入射离子21写出杂质浓度分布公式：4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布（1）已知杂质种类(P，B，As)，离子注入能量(Kev)，靶材

(Si，SiO2，Si3N4等)求解第1步查LSS表可得到Rp和△Rp（2）已知离子注入时的注入束流I，靶面积A，注入时间t求解第2步计算离子注入剂量：求解第3步计算杂质最大浓度：求解第4步写出杂质浓度分布公式：4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分22（3）假设衬底为反型杂质，且浓度为NB，计算PN结结深由N(xj)=NB

可得到结深计算公式：4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布（3）假设衬底为反型杂质，且浓度为NB，计算PN结结深由N(23（4）根据分布公式，计算不同深度位置的杂质浓度4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布（4）根据分布公式，计算不同深度位置的杂质浓度4、根据离子注245、实际杂质分布偏差描述的改善■对于低浓度区的偏差，采用高斯分布的高次矩描述：■对于硼的分布，采用PearsonIV分布描述。■用蒙特卡洛法模拟杂质分布在离子注入计算机模拟工具中十分常见。(a)标准高斯分布(b)峰值略向深处偏移，尾部向表面延伸(c)峰值平坦化5、实际杂质分布偏差描述的改善■对于低浓度区的偏差，采用25不同能量硼离子注入的分布及其与标准高斯分布的差异不同能量硼离子注入的分布及其与标准高斯分布的差异26■沟道效应■横向分布■复合靶注入四、实际的入射离子分布问题■沟道效应四、实际的入射离子分布问题27有部分离子可能会行进很长距离，造成较深的杂质分布。1、沟道效应：在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时，有部分离子可能会行进很长距离，造成较深的杂质分布。1、沟道效28离子注入法介绍ppt课件29■临界角■

当离子速度方向与晶轴方向夹角远大于临界角时，

沟道效应很小。图5.12典型杂质在硅中的临界角上：<111>衬底下：<100>衬底■临界角■当离子速度方向与晶轴方向夹角远大于临界角30（1）偏轴注入：一般选取5

～7

倾角，入射能量越小，所需倾角越大（2）衬底非晶化预处理：进行一次高剂量Ar+注入，使硅表面