2011第八章离子注入

1、第七章 离子注入,离子注入基本概念 离子注入的特点 离子注入系统组成 注入损伤和退火 离子注入的应用,8.1 离子注入,离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术。,物理过程，不发生化学反应。,离子注入机示意图,离子注入机的终端口,Photograph provided courtesy of International SEMATECH,Photo 17.3,8.1.1离子注入优点,1.产生单一离子束； 2.精确控制杂质含量； 3.低温工艺； 4.对杂质深度有很好的控制； 5.无固溶度限制； 6.横向扩展比扩散要小得多； 7.可以对化合物半导体进行掺杂；,扩散和离子注入的比

2、较,产生晶格损伤； 注入设备的复杂性。,离子注入缺点,掺杂的目标是什么？ 回答：1.向硅片引入均匀的、可控数量的特定杂质; 2.把杂质放在希望的深度。 如何控制掺杂浓度和结深？,思考：,控制杂质浓度和深度,如何控制掺杂浓度和结深？,思考：,离子注入机示意图,8.1.2离子注入参数：剂量和射程,1. 剂 量,定义：单位面积硅片表面注入的离子数Q ，单位是原子每平方厘米 I：束流，当杂质离子形成离子束，它的流量被称为离子束电流，单位是安培； t：注入时间，单位是秒； e：电子电荷=1.6x10-19库仑； n：离子电荷（比如B+等于1）； A：注入面积，单位cm2,剂 量,如何控制掺杂浓度？,控制

3、剂量,如何控制剂量？,控制离子束电流和注入时间,中低电流：0.1mA10mA 注入剂量1011-1013ions/cm2 大电流：1025mA 注入剂量大于1014ions/cm2,离子注入机有中低电流、大电流之分,2.射程,射程：离子穿入硅片的总距离；,射程与能量,离子的射程与注入离子的能量有关，注入离子的能量越高，意味着杂质原子能穿入硅片越深，射程越大，投影射程越大。,能量是表征注入机的一个重要参数，控制射程就是控制注入离子的能量，离子注入的能量一般用电子伏特（eV）表示。,能量,射程,射程和投影射程,投影射程：射程在入射方向的投影长度， 即表示可以形成多深的结（结深）。,投影射程,相同能

4、量的离子，质量越小，投影射程越大；相同质量的离子，能量越大投影射程越大；,投影射程决定于离子的质量和能量、靶的质量以及离子束相对于硅片晶体结构的方向。,注入能量对应射程图,射程与能量,掺杂深度由注入杂质离子的能量决定； 掺杂浓度由注入杂质离子束电流强度决定。,剂量与射程,注入机分类,控制杂质浓度和深度,8.2 离子注入系统,离子注入机组成：,离子源 吸极 质量分析器 加速管 扫描系统 工艺室,离子源和吸极装配图,常用的杂质源有： 气体源：B2H6、BF3、PH3、AsH3； 固体源：砷、磷,杂质源,离子源,1.功能：产生待注入物质的离子。 2.实现方法：利用等离子体，在适当的低压下，把气体分子

5、借电子的碰撞而离化。 3.装置： 弧光反应室,Bernas 离子源和Bernas离子源,组成：气体入口、灯丝、电压、磁场,离子源,BF3,B10+ 、 B11+、 B2+、 BF2+ 、BF2+、 BF3+ 、F+、 F2+,4.结果：,离子源,1.功能：收集离子源中产生的正离子，并使它们形成离子束。 2.实现方法：电场分离。 3.装置：两个电极。,吸极,吸极,4.结果,BF3 、e、 B+、 B10+ 、 B11+、 B2+、BF2+、F+、 F2+,B+、 B10+ 、 B11+、 B2+、BF2+、F+、 F2+,质量分析器,1.功能：将所需要的离子从离子束中分离出来而将不需要的离子偏离

6、掉。 2.实现方法：不同质量、不同带电荷数的离子经过磁场时，因为电磁力的效应，将以不同的半径偏转。,设离子作圆周运动的半径为r，则 则离子作圆周运动的半径：,质量分析器,设离子从弧光反应室与吸极电压差为V，则从弧光反应室分离出来的离子的能量为：,不同质荷比的离子运动半径不同,4.结果：离子束中的离子因偏转半径不同而分成不同的离子束。,B+,3.装置组成：电磁铁、真空腔。,B+、 B10+ 、 B11+、 B2+、BF2+、F+、 F2+,加 速 管,1.功能：使电子获得足够的能量 2.实现方法：利用电场，使离子在电场作用下加速得到一定的能量。 3.装置组成： 一系列圆环形电极组成。,加 速 管

7、,加速系统的排列方式,1.先分析后加速 2.先加速后分析 3.前后加速，中间分析 4.前后分析，中间加速,8.2 离子注入系统,高能注入机的线形加速器,方式比较,空间电荷中和,原因：离子束的膨胀。 危害：离子束的直径在行进过程中不断增大。 解决办法：二次电子中和。,空间电荷中和,中性束流陷阱,原因：中性离子的存在。 危害：不发生偏转，注入到硅片中央。 解决办法：利用偏转电极，使离子束在进入靶室前一段距离内发生偏转。,扫描系统,离子束通常很小，中等电流的注入机束斑约为1cm2，大电流的约为3cm2，所以必须通过扫描覆盖整个硅片。 固定硅片，移动束斑； 扫描方式分： 固定束斑，移动硅片。 保证剂量

8、的统一性和重复性。,注入机中的扫描系统分类： 静电扫描 机械扫描 混合扫描,扫描系统,静电扫描,束斑每秒在横向扫描15000次，纵向扫描1200次。,优点：颗粒沾污小，中性离子不会发生偏转，能够从束流中消除。 缺点：阴影效应 。 应用：中低电流的注入。,注入阴影效应,静电扫描,机械扫描,离子束固定，硅片移动。 多个硅片固定在大轮盘的外沿，以1000到1500rpm的速度旋转，同时上下移动。,优点：每次注入一批硅片，有效地平均了离子束的能量，减弱了硅片由于吸收离子的能量而加热。 缺点：颗粒沾污 。 应用：大电流注入机。,机械扫描,离子束在静电作用下沿x轴扫描，硅片沿y轴扫描。,应用：中低电流的注

9、入。,混合扫描,硅片充电,原因：正离子在硅片表面的积累 危害：改变离子束，使束斑扩大，剂量分布不均匀。 解决方法： 二次电子喷淋。,控制硅片充电的二次电子喷淋,控制硅片充电的等离子电子喷淋,8.3 离子注入的基本原理,注入离子的能量损失机制 注入后的杂质分布 沟道效应,注入离子的能量损失,注入杂质原子能量损失,两种主要能量损失机制： 核阻碍 电子阻碍,总的能量损失为两者能量损失之和 Sn：核阻止能力，Se：电子阻止能力,两种主要能量损失机制：,两种阻止能力与入射离子能量的关系,离子的速度,阻止能力,在低能入射和入射离子的质量比较大时，原子核阻止为主； 在高能入射和入射离子的质量比较小时，电子阻

10、止为主,入射离子的在非晶靶中的分布,入射离子分布为高斯分布，在x=RP有最高浓度。,横向效应,横向系数BSb，约0.5，比热扩散小（0.750.85）,沟道效应,入射离子的阻挡作用与晶体取向有关。,单晶靶中的沟道,沿 轴的硅晶格视图,沟道效应,当入射离子的方向沿沟道方向时，离子进入沟道时，沿沟道前进阻力小，射程要大得多。,碰撞后产生的沟道效应,1.倾斜硅片 常用角度是偏离垂直方向70。 2.掩蔽氧化层 注入前在硅片表面生长或淀积一薄层氧化层（1040nm） 3.硅预非晶化 注入之前用不活泼粒子，通常是Si+，大剂量注入以损坏硅表面的一薄层的单晶结构。,解决方案：,阴影效应,退火后分布,8.4

11、注入损伤和退火,注入损伤,杂质原子将硅原子撞离晶格位置；移位的硅原子又与其它硅原子发生碰撞并产生额外的移位原子；在入射离子运动轨迹的周围产生大量的空位和间隙原子对点缺陷，形成晶格损伤。,移位原子数的估算,当注入离子的起始能量为E0时，在碰撞过程中可以使靶内原子位移的数目粗略估计为：,Ed为位移一个靶原子所需的能量，对于硅来说，Ed一般取14ev15ev。,注入能量为10100kev时,每个注入离子可以产生103104的间隙原子-空位对。,损伤区的分布,轻离子与靶原子碰撞时，传递给靶原子的能量较小，散射角较大，位移原子数量少；轻离子的能量很大部分通过与电子碰撞而损失掉。所以形成的晶格损伤较小。,

12、重离子形成的损伤区,重离子与靶原子碰撞时，传递给靶原子的能量较大，散射角较小，位移原子数量大；注入离子的射程较短，其能量大部分与靶原子核碰撞传给晶格，所以在相当小的体积内有很大的损伤。,退火,退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、氩等高纯气体的保护下，经过适当时间的热处理。 作用： 1.部分或全部消除硅片中的损伤； 2.电激活掺入的杂质。,退火,退火方式,1.高温炉退火 2.快速热退火（RTA）,高温炉退火,传统的退火方式，退火时间通常为15-30min， 使用通常的扩散炉，在真空或氮氩等气体的保护下将硅片加热到8001000，对衬底作退火处理。,根据损伤的不同，以及各种器件对电学参数恢

13、复的程度地要求不同，退火条件和方式也不同。 退火温度一般在450950之间。,硼的退火特性,剂量越大，所需退火温度越高。,磷的退火特性,杂质浓度达1015以上时出现无定形硅退火温度达到600800,常规卧式炉,200C/min，每次处理100-200片,七个独立的生产区：扩散区、光刻区、刻蚀区、离子注入区、薄膜淀积区、金属化、抛光区。,高温炉退火,特点：简单、价廉 ； 清除缺陷不完全，注入杂质激活不高，退火温度 高、时间长，导致杂质再分布。 杂质的横向扩散！,快速热退火：瞬时内使晶片达到极高的温度（一般为1000 ），并在较短的时间内对硅片进行热处理。 生降温速率：典型几十0C/sec， 双面加热可达到 2500C/sec 设备：通常在通入Ar或N2的快速处理机（RTP）中进行。,2.快速热退火（RTA）,快速处理机,优点：快速的升温和短暂的持续时间能够在晶格修复、激活杂质、最小化杂质扩散三者之间取得最优化。 挑战：温度均匀性。 一次只处理一个硅片。,快速热退火（RTA）,快速热退火和高温炉退火造成的横向扩散,快速热