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1、第四章：离子注入,掺杂技术之二,为什么开发离子注入技术？随着器件特征尺寸的减小，出现的一些特殊的掺杂（如小剂量浅结掺杂、深浓度峰分布掺杂等）扩散是无法实现的，而离子注入却能胜任。离子注入是继扩散之后发展起来的第二种掺杂技术离子注入成为现代集成电路制造的主流工艺,4.1 引 言,4.1 引 言,离子注入的概念：在高真空的复杂系统中，产生电离杂质并形成高能量的离子束，入射到硅片靶中进行掺杂的过程。,束流、束斑,离子注入的优点：1.精确地控制掺杂浓度和掺杂深度 离子注入层的深度依赖于离子能量、杂质浓度依 赖于离子剂量，可以独立地调整能量和剂量，精 确地控制掺杂层的深度和浓度，工艺自由度大。2.可以获
2、得任意的杂质浓度分布 由于离子注入的浓度峰在体内，所以基于第1点 采用多次叠加注入，可以获得任意形状的杂质分 布，增大了设计的灵活性。,离子注入的优点：3.杂质浓度均匀性、重复性好 用扫描的方法控制杂质浓度的均匀性，在1010 1017ions/cm2的范围内，均匀性达到2而扩散在 10，1013ions/cm2以下的小剂量，扩散无法实 现。4.掺杂温度低 注入可在125以下的温度进行，允许使用不同 的注入阻挡层（如光刻胶）增加了工艺的灵活性,离子注入的优点：5.沾污少 质量分离技术产生没有沾污的纯离子束，减少了由于杂质源纯度低带来的沾污，另外低温工艺也减少了掺杂沾污。6.无固溶度极限 注入杂
3、质浓度不受硅片固溶度限制离子注入的缺点：1.高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤 2.注入设备复杂昂贵,4.2 离子注入工艺原理,离子注入参数注入剂量注入剂量是样品表面单位面积注入的离子总数。单位：离子数/cm2 I 束流，单位：库仑/秒（安培）t 注入时间，单位：秒 q 电子电荷，=1.61019库仑 n 每个离子的电荷数 A 束斑（即注入区）面积 单位：cm2,注入能量离子的注入能量用电子电荷与电势差的乘积来表示。单位：千电子伏特（KEV）带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场运动，它的能量为100KEV,射程、投影射程具有一定能量的离子入射靶中，与靶原子和电子发生一系列碰撞（即受
4、到了核阻止和电子阻止）进行能量的交换，最后损失了全部能量停止在相应的位置，离子由进入到停止所走过的总距离，称为射程用R表示。这一距离在入射方向上的投影称为投影射程 Rp。投影射程也是停止点与靶表面的垂直距离。,投影射程示意图,第i个离子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi,平均投影射程 离子束中的各个离子虽然能量相等但每个离子与靶原子和电子的碰撞次数和能量损失都是随机的，使得能量完全相同的同种离子在靶中的投影射程也不等，存在一个统计分布。离子的平均投影射程RP为 其中N为入射离子总数，RPi为第i个离子的投影射程,离子投影射程的平均标准偏差RP为,其中N为入射离子总数Rp 为平均投影射程Rpi为第
5、i个离子的投影射程,离子注入浓度分布 LSS理论描述了注入离子在无定形靶中的浓度分布为高斯分布其方程为,其中 注入剂量 离样品表面的深度 Rp 平均投影射程Rp 投影射程的平均标准偏差,LSS-1963年,Lindhard,Scharff and Schiott首先确立了注入离子在靶内分布理论,简称LSS理论,离子注入的浓度分布曲线,离子注入浓度分布的最大浓度Nmax从上式可知，注入离子的剂量越大，浓度峰值越高从浓度分布图看出，最大浓度位置在样品内的平均投影射程处,离子注入结深 Xj,其中NB为衬底浓度,RP和RP的计算很复杂，有表可以查用,（一）各种离子在Si中的Rp和Rp 值(),（二）各
6、种离子在光刻胶中的Rp和Rp 值(),（三）各种离子在SiO2中的Rp和Rp 值(),（四）各种离子在Si3N4中的Rp和Rp 值(),例题：1.已知某台离子注入机的束斑为2.0cm2、束流为2.0mA、注入时间为16ms，试计算硼离子（B+）注入剂量。（注：电子电荷q=1.61019库仑）2.在N型111衬底硅片上，进行硼离子注入，形成P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为11015cm-3，注入能量：60KEV，注入剂量：5.0E14，试计算硼离子注入分布的最大掺杂浓度Nmax和注入结深。,4.3 离子注入效应,1.沟道效应2.注入损伤3.离子注入退火,沟道效应 当注入离子未与硅原子碰撞减速，
7、而是穿透了晶格间隙时（见下图）就发生了沟道效应。,沿晶向的硅晶格视图,控制沟道效应的方法 1.倾斜硅片：常用方法 2.缓冲氧化层：离子通过氧化层后，方向随机。3.硅预非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）浅注入应用非常有效 4.使用质量较大的原子,注入损伤 高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤,（a）轻离子损伤情况（b）重离子损伤情况,离子注入退火目的：消除晶格损伤，并且使注入的杂质转入替位位置从而实现电激活。1.高温热退火 通常的退火温度：950，时间：30分钟左右 缺点：高温会导致杂质的再分布。2.快速热退火 采用PTP，在较短的时间（103102 秒）内完成退火。优点：杂质浓度分布基
8、本不发生变化,4.4 离子注入的应用,在先进的CMOS 工艺中，离子注入的应用：1.深埋层注入 2.倒掺杂阱注入 3.穿通阻挡层注入 4.阈值电压调整注入 5.轻掺杂漏区（LDD）注入 6.源漏注入 7.多晶硅栅掺杂注入 8.沟槽电容器注入 9.超浅结注入 10.绝缘体上的硅（SOI）中的氧注入,深埋层注入高能（大于200KEV）离子注入，深埋层的作用：控制CMOS的闩锁效应,倒掺杂阱注入高能量离子注入使阱中较深处杂质浓度较大，倒掺杂阱改进CMOS器件的抗闩锁能力。,穿通阻挡层注入作用：防止亚微米及以下的短沟道器件源漏穿通，保证源漏耐压。,阈值电压调整注入NMOS阈值电压公式：QBmqNBXd
9、m，QBm为表面耗尽层单位面积上的电荷密度,轻掺杂漏（LDD：Lightly Doped Drain）注入,源漏注入,多晶硅栅掺杂注入沟槽电容器注入,超浅结注入,超浅结,绝缘体上的硅（SOI）中的氧注入在硅中进行高能量氧离子注入，经高温处理后形成SOI结构（silicon on insulator）,SOI结构SEM照片,4.5 离子注入设备,离子注入机主要由以下5个部分组成 1.离子源 2.引出电极（吸极）和离子分析器 3.加速管 4.扫描系统 5.工艺室,离子注入系统,1.离子源离子源用于产生 大量的注入正离 子的部件，常用 的杂质源气体有 BF3、AsH3 和 PH3 等。,离子源,2.
10、引出电极（吸极）和离子分析器 吸极用于把离子从离子源室中引出。,质量分析器磁铁分析器磁铁形成90角，其磁场使离子的轨迹偏转成弧形。不同的离子具有不同的质量与电荷（如BF3 B、BF2等），因而在离子分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子。,分析磁体,3.加速管 加速管用来加速正离子以获得更高的速度（即动能）。,加速管,4.扫描系统用于使离子束沿 x、y 方向在一定面积内进行扫描。束斑中束流的束斑：1cm2大束流的束斑：3cm2 扫描方式 固定硅片、移动束斑（中、小束流）固定束斑、移动硅片（大束流）扫描种类：静电扫描、机械扫描、混合扫描、平行扫描,静电扫描系统,静电扫描系统,5.工艺腔工艺腔包括扫描系统、具有真空锁的装卸硅片的终端台、硅片传输系统和计算机控制系统。硅片冷却：硅片温升控制在50以下，气冷和橡胶冷却。,剂量控制：法拉第环电流测量,本章作业,1.请简要描述离子注入2.列举离子注入优于扩散的6点3.在P型100衬底硅片上，进行As离子注入，形成P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为11016cm-3，注入能量：100KEV，注入剂量：5.0E15，试计算砷离子注入分布的最大掺杂浓度Nmax和注入结深。,
