IC工艺_4new资料

2018/11/16
Diffusion
Icon Implantation
Junction depth
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离子注入的主要缺点
造成衬底晶圆的晶格损伤。
Before Implantation
After Implantation
注入设备复杂而昂贵。
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Comparison of Implantation and Diffusion
低温工艺(Si，室温；GaAs，<400℃) ：拓宽了对注 入掩蔽膜的选择(光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜)，对 器件制造中的自对准掩蔽技术给予更大的灵活性；且 易实现对化合物半导体的掺杂，同时避免了高温扩散 的热缺陷。 掺杂纯度高：单一的离子束，注入离子纯度高，能量 单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响， 利于MOS管阈值电压的控制和保证杂质源的纯度。
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离子注入的主要优点 /2
很好的杂质均匀性，同一平面内的杂质均匀性和重复 性在±1％，（而高浓度扩散的最好结果只能控制在5 ％-10％），利于器件电学性质的控制，使电路的性 能一致且电学性质好。
直进性，横向效应比扩散小很多，保证了高集成度及 较好的电性能。
无固溶度极限，原则 上各种元素均可掺杂， 使可供选择的掺杂元 素的范围变大，使掺 杂工艺灵活多样。
物理意义：能量为E的一个注入离子，在靶内运 动单位长度时，损失给靶原子核的能量。
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核阻止本领的计算
两个不带电硬球的对心碰撞，产 生的最大能量转移：
4m1m2 ET E0 2 (m1 m2 )
m—质量， Z—原子序数，下标1—离子，下标2—靶
实际核阻止时：(被认为是弹性散射)，相互作用力是电 荷作用。
总能量损失为两者的和。
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靶内原子对杂质离子的阻挡机制
靶内原子对入射离子的阻挡作用分为两类： 核阻止 (核碰撞 nuclear stopping)
是指注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞； 将较大的能量传给靶核，使离子的运动方向发生较 大的偏析，靶核产生位移。
电子阻止 (电子碰撞 electronic stopping)
在注入离子常用能量范围内，电子阻止本领 与注入离子能量的平方根即注入离子速度成正比， 即： Se (E) ke E C V 其中：V为注入离子的速度； C：常数； ke是与入射离子与靶材有关的比例系数；
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一级近似下的 核阻止本领 vs.电子阻止本领
取核阻止本领 Sn ( E)的粗略近似 f ( r a ) a r ，则核阻 0 止本领与注入离子的能量E无关，为一常数 Sn 。 取电子阻止本领 Se ( E)的一级近似，则电子阻止本领 与注入离子的能量E的平方根成正比。
B
B P
Crystal Growth
Epitaxy Ion Implant
CMOS Implantation Processes
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D. Retrograde p-Well
E. n-Channel Punchthrough F. n-Channel Vt Adjust G. p-Channel Punchthrough H. p-Channel Vt Adjust I. n-Channel LDD J. n-Channel Source/Drain K. p-Channel LDD L. p-Channel Source/Drain M. Silicon N. Doped Polysilicon O. Doped SiO2
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核阻止本领的计算
核阻止能力的一阶近似：为一个常量（在低于 电子阻止的能量下）
Sn E 2.8 10
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Z1Z2 Z
23 1
Z
23 2
m1 eV cm2 m1 m2
例：磷离子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅Z2 = 14, m2 = 28, 计算可得： Sn ~ 550 keV-mm2
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离子注入的主要应用
离子注入在现代硅片制造中有广泛的应用， 其中最主要的应用是掺杂半导体材料，特别适 用于高浓度、浅结和低浓度及具有特殊浓度分 布掺杂的制备，是亚微米以后和大直径硅片制 作的标准工艺。
如：隔离工序中的沟道形成、CMOS阱的 形成，以及MOS管源、漏区的形成、调整VT的 沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断等。
第四章
§4.0 §4.1 §4.2 §4.3 §4.4 §4.5
离子注入
引言 核碰撞和电子碰撞 注入离子在无定形靶中的分布 注入损伤 热退火 离子注入系统
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扩散将杂质掺入圆 片(预淀积和再分布)，但扩散过程受以下限制 ：
不能超过杂质的固浓度
较难得到轻微的杂质分布
核阻止本领在低能量下起主要作用(注入分布的尾端) 电子阻止本领在高能量下起主要作用 31
阻挡机制与注入能量的关系
根据注入离子的能量，离子受到的碰撞机制不同： 低能区：核阻止起主要作用，电子阻止作用可忽略; 中能区：在中间一个较宽的范围内，核阻止本领和电 子阻止本领同时起作用。 高能区：以电子阻止作用为主，核阻止可忽略；
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摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295
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电子阻止本领 （Electronic stopping power）
入射离子遇到的靶内电子的阻挡作用后的能量损 失大小，定义为电子阻止本领：
dE dx ：电子阻止能量损失率。
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离子注入在CMOS制造中的应用
9-10 different I/I identified !
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Process Step
Dopant
Method
A. p+ Silicon Substrate
B. p- Epitaxial Layer C. Retrograde n-Well
离子注入机制─能量损失模型
LSS理论—对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究 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（能量 损失模型）。
该理论认为：注入离子在靶内的能量损失分为两个彼 此独立的过程，即两种能量损失机制： (1) 核阻止（nuclear stopping） (2) 电子阻止 （electronic stopping）
是指注入离子与靶内自由电子和束缚电子碰撞， 产生电子─空穴对；碰撞后离子能量损失较小，可 认为碰撞后离子的运动方向基本不变。
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离子注入能量损失机制
携能杂质离子 电子碰撞
Si Si Si Si
硅晶格
Si X-射线 Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
原子碰撞
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si
只要在两粒子的有效势场范围内，入射离子与靶原子 间的碰撞便会发生。 故，入射离子受靶核散射而损失的能量应进一步 修正，即核阻止本领为： Sn ( E ) 0 ET d r
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而散射角1与碰撞距离p之间有一一对应关系，两 者联系的纽带是两粒子的势函数V(r)。 注入离子与靶原子非常接近(只考虑为两粒子间的库仑 作用)： q 2 Z1Z 2
V (r ) r
当两粒子相距较远时(还必须考虑电子的屏蔽作用)：
r 其中： f ( ) 是电子屏蔽函数，a是屏蔽距离，当r由 a 0∞时，其值由10； 最简单(一级近似)：f(r/a)=a/r，则Sn=Sn0=常数(虚线)； 精确近似：托马斯-费米屏蔽函数（实线）。 2018/11/16 25
一种新的掺杂技术—离子注入
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最 初 的 示离 意子 图注 入 设 备
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离子注入及其基本过程
离化后的原子在强电场的 加速作用下，注射进入靶材料 的表层，以改变特定区域材料 表层的物理或化学性质的一种 掺杂方法（一种物理方式）。
将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带
e
dE Se ( E ) ( )e dx
物理意义：能量为E的一个注入离子，在靶内运动单位 长度时，损失给靶内电子的能量。 LSS模型：认为电子是自由电子气，电子的阻止就类似 于粘滞气体的阻力(一阶近似)，是库仑力的相互作用， 认为是非弹性的。
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电子阻止本领的计算
电的离子； 通过质量分析选择出所需要的注入离子； 在强电场中加速，获得较高的动能后，投射入材料表 层（靶）。
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离子注入的主要优点 /1
高精度(误差在2%左右，扩散工艺为5~10%）：离子 注入深度是随离子能量的增加而增加，可重复精确控 制掺杂浓度和深度，易形成浅结和超浅结。
B
P P B B As As BF2 BF2 Si P or B P or B
Ion Implant
Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant or Diffusion Ion Implant or Diffusion
被移动的硅原子
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核阻止本领 （Nuclear stopping power）
入射离子遇到的靶原子核阻挡作用后的能 量损失大小定义为核阻止本领 /截面 (eVcm2)：