第七章：离子注入.ppt

1、第七章：离子注入 掺杂技术之二7.1 引引 言言n n离子注入离子注入离子注入离子注入是在高真空的复杂系统中，产生电离杂质是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硅片靶中进行掺杂的工并形成高能量的离子束入射硅片靶中进行掺杂的工艺过程。艺过程。n n离子注入系统图离子注入系统图n n离子注入离子注入离子注入离子注入是继扩散之后的第二种掺杂技术，是现是继扩散之后的第二种掺杂技术，是现代先进的集成电路制造工艺非常重要的技术。有代先进的集成电路制造工艺非常重要的技术。有些特殊的掺杂（如小剂量浅结掺杂、深浓度峰分些特殊的掺杂（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

2、离子注入却能布掺杂等）扩散是无法实现的，而离子注入却能胜任。胜任。n n 离子注入的优点：离子注入的优点：离子注入的优点：离子注入的优点：1.1.精确地控制掺杂浓度和掺杂深度精确地控制掺杂浓度和掺杂深度精确地控制掺杂浓度和掺杂深度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。确地控制掺杂层的深度和浓度，工艺自由度大。2.2.可以获得任意的杂质浓度分布可以获得任意的杂质浓度分布可以获得任意的杂质浓度分

3、布可以获得任意的杂质浓度分布 由于离子注入的浓度峰在体内，所以基于第由于离子注入的浓度峰在体内，所以基于第1 1点点 采用多次叠加注入可以获得任意形状的杂质分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。布，增大了设计的灵活性。n n 离子注入的优点：离子注入的优点：离子注入的优点：离子注入的优点：3.3.杂质浓度均匀性、重复性很好杂质浓度均匀性、重复性很好杂质浓度均匀性、重复性很好杂质浓度均匀性、重复性很好 用扫描的方法控制杂质浓度的均匀性，在用扫描的方法控制杂质浓度的均匀性，在10101010 10101717ions/cmions/cm2 2的范围内，均匀性达到的范围

4、内，均匀性达到22而扩散在而扩散在 1010，10101313ions/cmions/cm2 2以下的小剂量，扩散无法实以下的小剂量，扩散无法实 现。现。4.4.掺杂温度低掺杂温度低掺杂温度低掺杂温度低 注入可在注入可在125125以下的温度进行，允许使用不同以下的温度进行，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的注入阻挡层（如光刻胶）增加了工艺的灵活性n n 离子注入的优点：离子注入的优点：离子注入的优点：离子注入的优点：5.5.沾污少沾污少沾污少沾污少 质量分离技术产生没有沾污的纯离子束，质量分离技术产生没有沾污的纯离子束，减少了减少了由于杂质源纯度低带来的沾污，另外低温

5、工艺也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。减少了掺杂沾污。6.6.无固溶度极限无固溶度极限无固溶度极限无固溶度极限 注入杂质浓度不受硅片固溶度限制注入杂质浓度不受硅片固溶度限制n n 离子注入的缺点：离子注入的缺点：离子注入的缺点：离子注入的缺点：1.1.高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤 2.2.注入设备复杂昂贵注入设备复杂昂贵7.2 离子注入工艺原理离子注入工艺原理n离子注入参数离子注入参数n注入剂量注入剂量n注入剂量是样品表面单位面积注入的离子总数。单位：离子每平方厘米 其中I为束流，单位是库仑每秒（安 培）t为注入时间，单位是

6、秒 q为电子电荷，等于1.61019库仑 n为每个离子的电荷数 A为注入面积，单位为cm2n注入能量注入能量n离子注入的能量用电子电荷与电势差的乘积来表示。单位：千电子伏特KEVn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100KEVn n射程、投影射程射程、投影射程射程、投影射程射程、投影射程n n具有一定能量的离子入射靶中，与靶原子和电子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（即受到了核阻止和电子阻止）发生一系列碰撞（即受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

7、所走过的总距离，应的位置，离子由进入到停止所走过的总距离，称为称为射程射程射程射程用用R R表示。这一距离在入射方向上的投表示。这一距离在入射方向上的投影称为影称为投影射程投影射程投影射程投影射程 RpRp。投影射程也是停止点与靶投影射程也是停止点与靶表面的垂直距离。表面的垂直距离。n n投影射程示意图投影射程示意图投影射程示意图投影射程示意图 第i个离子在靶中的射程Ri和投影射程Rpin n平均投影射程平均投影射程平均投影射程平均投影射程 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损失能量都是随机的，使原子和电子的碰撞次数和

8、损失能量都是随机的，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。等，存在一个统计分布。n n离子的平均投影射程离子的平均投影射程离子的平均投影射程离子的平均投影射程R RP P为为为为 其中其中NN为入射离子总数，为入射离子总数，R RPiPi为第为第i i个离子的投影射程个离子的投影射程n n离子投影射程的平均标准偏差离子投影射程的平均标准偏差离子投影射程的平均标准偏差离子投影射程的平均标准偏差R RP P为为为为其中其中NN为入射离子总数为入射离子总数RpRp 为平均投影射程为平均投影射程RpiRpi为第为第i i个离子的

9、投影射程个离子的投影射程n n离子注入浓度分布离子注入浓度分布离子注入浓度分布离子注入浓度分布 LSSLSS理论描述了注入离子在无定形靶中的浓度分布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为高斯分布其方程为 其中为注入剂量 为离样品表面的深度 Rp为平均投影射程 Rp为投影射程的平均标准偏差n n离子注入浓度分布的最大浓度离子注入浓度分布的最大浓度离子注入浓度分布的最大浓度离子注入浓度分布的最大浓度NmaxNmax从上式可知，从上式可知，注入离子的剂量注入离子的剂量注入离子的剂量注入离子的剂量 越大，浓度峰值越高越大，浓度峰值越高越大，浓度峰值越高越大，浓度峰值越高从浓度分布

10、图看出，从浓度分布图看出，最大浓度位置在样品内的平均投最大浓度位置在样品内的平均投最大浓度位置在样品内的平均投最大浓度位置在样品内的平均投影射程处影射程处影射程处影射程处n n离子注入结深离子注入结深离子注入结深离子注入结深 XjXj其中NB为衬底浓度n n离子注入的浓度分布曲线离子注入的浓度分布曲线离子注入的浓度分布曲线离子注入的浓度分布曲线n nR RP P和和和和R RP P的计算很复杂，有表可以查用的计算很复杂，有表可以查用的计算很复杂，有表可以查用的计算很复杂，有表可以查用 入射能量入射能量 （KEV）注入的离子注入的离子20406080100120140160180BRP66213

11、021903246529943496397444324872 RP P283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279 RP P119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005 RP P5999136172207241275308341（一）各种离子在（一）各种离子在（一）各种离子在（一）各种离子在SiSi中的中的中的中的RpRp和和和和RpRp 值值值值 ()()（二）各种离子在（二）各种离子在（二）各种离子在（二）各种离子在光刻胶光刻胶光刻胶光刻

12、胶中的中的中的中的RpRp和和和和RpRp 值值值值 ()()入射能量入射能量 （KEV）注入的离子注入的离子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007 RP P475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675 RP P19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015 RP P126207286349415480543606

13、667（三）各种离子在（三）各种离子在（三）各种离子在（三）各种离子在SiO2SiO2中的中的中的中的RpRp和和和和RpRp 值值值值 ()()入射能量入射能量 （KEV）注入的离子注入的离子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172 RP P252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859 RP P84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823 RP P43729912

14、5151176201226251（四）各种离子在（四）各种离子在（四）各种离子在（四）各种离子在Si3N4Si3N4中的中的中的中的RpRp和和和和RpRp 值值值值 ()()入射能量入射能量 （KEV）注入的离子注入的离子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994 RP P196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437 RP P65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637 R

15、P P33567797118137157176195n n利用下表计算离子注入结深利用下表计算离子注入结深利用下表计算离子注入结深利用下表计算离子注入结深XjXjn n例题：例题：n n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。7.3 离子注入设备离子注入设备n n 离子注入机主要由以下离子注入机主要由以下5个部分组成个部分组成 1.1.离子源离子源离子源离子源 2.2.引出电极（吸极）和离子分析器引出电极（吸极）和离子分析器引出电极（吸极

16、）和离子分析器引出电极（吸极）和离子分析器 3.3.加速管加速管加速管加速管 4.4.扫描系统扫描系统扫描系统扫描系统 5.5.工艺室工艺室工艺室工艺室 n n离子注入系统离子注入系统n n1.离子源离子源n n离子源用于产生离子源用于产生 大量的注入正离大量的注入正离 子的部件，常用子的部件，常用 的杂质源气体有的杂质源气体有 BFBF3 3、AsHAsH3 3 和和 PHPH3 3 等。等。离子源离子源n n2.引出电极（吸极）和离子分析器引出电极（吸极）和离子分析器 吸极吸极吸极吸极用于把离子从离子源室中引出。用于把离子从离子源室中引出。n n质量分析器磁铁质量分析器磁铁质量分析器磁铁质

17、量分析器磁铁n n分析器磁铁形成分析器磁铁形成9090角，其磁场使离子的轨迹偏转成弧角，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（如形。不同的离子具有不同的质量与电荷（如BF3BF3 B B、BF2BF2等），因而在离子分析器磁场中偏转的角等），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。度不同，由此可分离出所需的杂质离子。分析磁体n n3.加速管加速管 加速管用来加速正离子以获得更高的速度（即动能）加速管用来加速正离子以获得更高的速度（即动能）。加速管n n4.扫描系统扫描系统n n用于使离子束沿用于使离子束沿 x x、y y 方向在一定面积内进行扫

18、方向在一定面积内进行扫描。描。n n束斑束斑束斑束斑n n中束流的束斑：中束流的束斑：1cm21cm2n n大束流的束斑：大束流的束斑：3cm23cm2n n 扫描方式扫描方式扫描方式扫描方式 1.1.固定硅片、移动束斑（中、小束流）固定硅片、移动束斑（中、小束流）2.2.固定束斑、移动硅片（大束流）固定束斑、移动硅片（大束流）n n 扫描种类扫描种类扫描种类扫描种类 1.1.静电扫描静电扫描：在一套：在一套X-YX-Y电极上加特定电压使离子束电极上加特定电压使离子束发生偏转注入到固定的硅片上。属于固定硅片、移发生偏转注入到固定的硅片上。属于固定硅片、移动束斑的扫描方式。动束斑的扫描方式。2.

19、2.机械扫描机械扫描：硅片放在轮盘上旋转，并上下移动。属：硅片放在轮盘上旋转，并上下移动。属于固定束斑、移动硅片的扫描方式。于固定束斑、移动硅片的扫描方式。3.3.混合扫描混合扫描：硅片放在轮盘上旋转，沿：硅片放在轮盘上旋转，沿Y Y方向扫描，方向扫描，离子束沿离子束沿X X方向静电扫描。束斑和硅片都动。方向静电扫描。束斑和硅片都动。4.4.平行扫描平行扫描：静电扫描：静电扫描+磁场控制角度磁场控制角度n n静电扫描系统静电扫描系统静电扫描系统静电扫描系统 静电扫描系统n n机械扫描系统机械扫描系统机械扫描系统机械扫描系统n n5.工艺腔工艺腔n n工艺腔工艺腔包括扫描系统、具有真空锁的装卸硅

20、片的终端台、硅片传输系统和计算机控制系统。n n硅片冷却硅片冷却：硅片温升控制在50以下，气冷和橡胶冷却。n n剂量控制剂量控制：法拉第环电流测量7.4 离子注入效应离子注入效应n n1.沟道效应沟道效应n n2.注入损伤注入损伤n n沟道效应沟道效应沟道效应沟道效应 当注入离子未与硅原子碰撞减速，而是穿透了晶当注入离子未与硅原子碰撞减速，而是穿透了晶格间隙时（见下图）就发生了沟道效应。硅片倾格间隙时（见下图）就发生了沟道效应。硅片倾斜是减小沟道效应的常用办法。硅片倾斜使单晶斜是减小沟道效应的常用办法。硅片倾斜使单晶在离子入射方向上按非晶无定型结构处理和理论在离子入射方向上按非晶无定型结构处理

21、和理论吻合得很好。（吻合得很好。（100100）晶向的硅片常用的角度是）晶向的硅片常用的角度是偏离垂直方向偏离垂直方向7 7 注入机在出厂前就把角度调好。注入机在出厂前就把角度调好。n n沟道效应沟道效应沟道效应沟道效应 沿晶向的硅晶格视图n n发生沟道效应的杂质分布曲线发生沟道效应的杂质分布曲线发生沟道效应的杂质分布曲线发生沟道效应的杂质分布曲线n n 控制沟道效应的方法控制沟道效应的方法控制沟道效应的方法控制沟道效应的方法 1.1.倾斜硅片：常用方法倾斜硅片：常用方法 2.2.屏蔽氧化层：离子通过氧化层后，方向随机。屏蔽氧化层：离子通过氧化层后，方向随机。3.3.硅预非晶化：增加硅预非晶化

22、：增加Si Si+注入，低能量（注入，低能量（1KEV1KEV）浅注）浅注入应用非常有效入应用非常有效 4.4.使用质量较大的原子使用质量较大的原子n n 注入损伤注入损伤注入损伤注入损伤 高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤，减少注高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤，减少注入损伤的常用办法是退火，退火的另一个作用是电入损伤的常用办法是退火，退火的另一个作用是电激活注入杂质。常用的退火方法有以下两种：激活注入杂质。常用的退火方法有以下两种：1.1.高温退火高温退火 2.2.快速热退火快速热退火 （a）轻离子损伤情况 （b）重离子损伤情况7.5 离子注入退火离子注入退火n n退火工艺目的：退火

23、工艺目的：退火工艺目的：退火工艺目的：消除晶格损伤，并且使注入的杂质转入替位位置而实现电激活。1.1.高温热退火高温热退火高温热退火高温热退火 通常的退火温度：磷、砷 650，硼 920，时间：30分钟左右 缺点：高温会导致杂质的再分布。2.2.快速热退火快速热退火快速热退火快速热退火 采用高频加热等方法瞬时内使晶片的某个区域加热到极高的温度，在较短的时间（103102 秒）内完成退火。优点：杂质浓度分布基本没变化 7.6 离子注入的应用离子注入的应用n n 在先进的在先进的在先进的在先进的CMOS ICCMOS IC制造中，离子注入有以下应用制造中，离子注入有以下应用制造中，离子注入有以下应

24、用制造中，离子注入有以下应用 1.1.深埋层深埋层深埋层深埋层 2.2.倒掺杂阱倒掺杂阱倒掺杂阱倒掺杂阱 3.3.穿透阻挡层穿透阻挡层穿透阻挡层穿透阻挡层 4.4.阈值电压调整阈值电压调整阈值电压调整阈值电压调整 5.5.轻掺杂漏区（轻掺杂漏区（轻掺杂漏区（轻掺杂漏区（LDDLDD）6.6.源漏注入源漏注入源漏注入源漏注入 7.7.多晶硅栅掺杂多晶硅栅掺杂多晶硅栅掺杂多晶硅栅掺杂 8.8.沟槽电容器沟槽电容器沟槽电容器沟槽电容器 9.9.超浅结超浅结超浅结超浅结 10.10.绝缘体上的硅（绝缘体上的硅（绝缘体上的硅（绝缘体上的硅（SOISOI）n n深埋层深埋层深埋层深埋层n n高能（大于高能

25、（大于200KEV200KEV）离子注入，深埋层的作用：控）离子注入，深埋层的作用：控制制CMOSCMOS的闩锁效应的闩锁效应n n倒掺杂阱倒掺杂阱倒掺杂阱倒掺杂阱n n高能量离子注入使阱中较深处杂质浓度较大，倒高能量离子注入使阱中较深处杂质浓度较大，倒掺杂阱改进掺杂阱改进CMOSCMOS器件的抗闩锁能力。器件的抗闩锁能力。n n穿通阻挡层穿通阻挡层穿通阻挡层穿通阻挡层n n作用：作用：作用：作用：防止沟道很短的亚微米器件源漏穿通，保防止沟道很短的亚微米器件源漏穿通，保证源漏耐压。证源漏耐压。n n调节阈值电压调节阈值电压调节阈值电压调节阈值电压n n阈值电压公式：阈值电压公式：QQBmBmq

26、NqNB BXXdmdm，QQBmBm为表面耗尽层单位面积上的电荷密度为表面耗尽层单位面积上的电荷密度n n轻掺杂漏（轻掺杂漏（轻掺杂漏（轻掺杂漏（LDDLDD：L Lightlyightly DDopedoped D Drain rain）注入）注入）注入）注入n n源漏注入源漏注入源漏注入源漏注入n n多晶硅栅掺杂多晶硅栅掺杂多晶硅栅掺杂多晶硅栅掺杂n n沟槽电容器沟槽电容器沟槽电容器沟槽电容器 n n超浅结超浅结超浅结超浅结 超浅结n n绝缘体上的硅（绝缘体上的硅（绝缘体上的硅（绝缘体上的硅（SOISOI）n n在硅中进行高能量氧离子注入，经高温处理后形在硅中进行高能量氧离子注入，经高温

27、处理后形成成SOISOI结构（结构（s silicon ilicon o on n i insulatornsulator）SOI结构SEM照片本章习题本章习题n n书中第书中第17章章：30、53、55、56第四次作业第四次作业n n第六章（书中第第六章（书中第第六章（书中第第六章（书中第1616章）：章）：章）：章）：1 1、5 5、3030n n第七章（书中第第七章（书中第第七章（书中第第七章（书中第1717章）：章）：章）：章）：2323、2525、3434n n第七章附加题：在第七章附加题：在第七章附加题：在第七章附加题：在P P型型型型100100衬底硅片上，进行衬底硅片上，进行衬

28、底硅片上，进行衬底硅片上，进行AsAs离子注入，形成离子注入，形成离子注入，形成离子注入，形成P-NP-N结二极管。已知衬底掺杂结二极管。已知衬底掺杂结二极管。已知衬底掺杂结二极管。已知衬底掺杂浓度为浓度为浓度为浓度为1101101616cmcm-3-3，注入能量：，注入能量：，注入能量：，注入能量：100KEV100KEV，注入剂，注入剂，注入剂，注入剂量：量：量：量：5.0E155.0E15，试计算砷离子注入分布的最大掺杂，试计算砷离子注入分布的最大掺杂，试计算砷离子注入分布的最大掺杂，试计算砷离子注入分布的最大掺杂浓度浓度浓度浓度NmaxNmax和注入结深。和注入结深。和注入结深。和注入结深。