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1、第三章 离子注入 (上篇), 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(Ion lmplantation),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), 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612次离子注入 典型的离子注入工艺参数：能量约5200keV， 剂量约10111016/cm2。,一、概述,（一）介绍,（二）MOSFET工艺中的离子注入
2、,(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：, 气态源： (或固体源) BF3 AsH3 PH3 SiH4 H2 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1530KV， 决定引出离子的能量(速度),产生杂质离子, 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：
3、, 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+), 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(10-6 Torr),（3）加速管：,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, 杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P+，B+， 注入能量(单
4、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,（6）杂质剂量与杂质浓度的关系, 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
5、、射程与入射离子的分布,1、射程的概念, 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。,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,（1）离子投影射程,
6、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, 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：,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
7、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,（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,（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,5、实际杂质分布偏差描述的改善, 对于低浓度区的偏差，采用高斯分布的高次矩描述：, 对于硼的分布，采用Pearson IV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,不
8、同能量硼离子注入的分布及其与标准高斯分布的差异, 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,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，, 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：衬底 下：衬底,（1）偏轴注入：一般选取57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 非晶化 （3）非晶层散射：表面生长200250二氧化硅(Screen Oxide) ， 使入射离子进入硅晶体前方向无序化 （4）注入杂质的自非晶化效应：重杂质(As)，高剂量注入, 解决沟道效应的方法,