第五章 离子注入低温掺杂

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沿 <110> 轴的硅晶格视图
Used with permission from Edgard Torres Designs
Figure 17.28
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110
111
100
倾斜旋转硅片后的无序方向
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沟道效应的存在， 沟道效应的存在，将使得对注入离子在深度 上难以控制， 上难以控制，尤其对大规模集成电路制造 更带来麻烦。 更带来麻烦。如MOS器件的结深通常只有 器件的结深通常只有 0.4um左右，有了这种沟道效应万一注入距 左右， 左右 离超过了预期的深度，就使元器件失效。 离超过了预期的深度，就使元器件失效。 因此，在离子注入时， 因此，在离子注入时，要考虑到这种沟道 效应，也就是说要抑止这种现象的产生 抑止这种现象的产生。 效应，也就是说要抑止这种现象的产生。
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离子注入系统的组成
• a）离子源 ） 在半导体应用中，为了操作方便， 源 在半导体应用中，为了操作方便， 一般采用气体源， 一般采用气体源，如BF3,BCl3,PH3,ASH3等 如用固体或液体做源材料，一般先加热， 如用固体或液体做源材料，一般先加热， 得到它们的蒸汽，再导入放电区。 得到它们的蒸汽，再导入放电区。
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是用Si, Ar等离子对硅片表面先进 （3）是用Si, Ge, F, Ar等离子对硅片表面先进 行一次离子注入，使表面预非晶化， 行一次离子注入，使表面预非晶化，形成非晶层 (Pre然后进入离子注入。 (Pre-amorphization) 然后进入离子注入。 这三种方法都是利用增加注入离子与其他原子碰 撞来降低沟道效应。工业上常用前两种方法。 撞来降低沟道效应。工业上常用前两种方法。
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5.2
离子注入原理
在离子注入的设备中， 等离子体发生器” ♣在离子注入的设备中，用“等离子体发生器” 来制造工艺所要注入的离子。 来制造工艺所要注入的离子。 ♣因为离子带电荷，可以用加速场进行加速，并 因为离子带电荷，可以用加速场进行加速， 且借助于磁场来改变离子的运动方向。 且借助于磁场来改变离子的运动方向。
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离子注入掺杂分为 两个步骤 两个步骤： 离子注入掺杂 ---离子注入 离子注入 ---退火再分布 退火再分布。 退火再分布
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离子注入
在离子注入中，电离的杂质离子经静电场加速 离子注入中 打到晶圆表面。在掺杂窗口处， 打到晶圆表面。在掺杂窗口处，杂质离子被注入裸 露的半导体本体， 露的半导体本体，在其它部位杂质离子则被半导体 上面的保护层屏蔽。 上面的保护层屏蔽。 通过测量离子电流可严格控制剂量 测量离子电流可严格控制剂量。 通过测量离子电流可严格控制剂量。 通过控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度 控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度。 通过控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度。
第五章 离子注入低温掺杂
离子注入(Ion Implantation) 离子注入
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5.1 什么是离子注入
什么是离子注入
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， 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， 以改变这种材料表层的物理或化学性质
离子注入的基本过程
将某种元素的原子或携带该 元素的分子经离化变成带电 的离子 在强电场中加速， 在强电场中加速，获得较高 的动能后， 的动能后，射入材料表层 （靶） 以改变这种材料表层的物理 或化学性质
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退火处理
通常，离子注入的深度较浅且浓度较大， 通常，离子注入的深度较浅且浓度较大， 必须使它们重新分布。同时由于高能粒子的撞 必须使它们重新分布。同时由于高能粒子的撞 导致硅结构的晶格发生损伤 晶格发生损伤。 击，导致硅结构的晶格发生损伤。
为恢复晶格损伤， 为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行 退火处理。在退火的同时， 退火处理。在退火的同时，掺入的杂质同 时向半导体体内进行再分布 再分布。 时向半导体体内进行再分布
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离子注入技术优点
离子注入技术主要有以下几方面的优点： 离子注入技术主要有以下几方面的优点： 主要有以下几方面的优点 （1）注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的 ）注入的离子是通过质量分析器选取出来的， 离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源 离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源 即掺杂纯度高。 纯度的影响即掺杂纯度高 纯度的影响即掺杂纯度高。 离子／ 的较宽范围内， （2）注入剂量在 11一1017离子／cm2的较宽范围内，同一 ）注入剂量在10 平面内的杂质均匀度可保证在 杂质均匀度可保证在± 的精度。 平面内的杂质均匀度可保证在±1％的精度。大面积均
匀掺杂
温度低， （3）离子注入温度低，衬底一般是保持在室温或低于 ）离子注入温度低 400℃。因此，像二氧化硅、氮化硅、光刻胶,铝等都可 ℃ 因此， 二氧化硅、氮化硅、光刻胶, 以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。对器件制造中的自对准掩 以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。对器件制造中的自对准掩 蔽技术给予更大的灵活性 这是热扩散方法根本做不到的。 给予更大的灵活性， 蔽技术给予更大的灵活性，这是热扩散方法根本做不到的。
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分析磁体
离子源 吸出 组件 分析磁体 粒子束 较轻离子
中性离子 重离子 石磨
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磁分析器的原理是利用磁场中运动的带电 粒子所受洛仑兹力的偏转作用。 粒子所受洛仑兹力的偏转作用。在带电粒 子速度垂直于均匀磁场的情况下， 子速度垂直于均匀磁场的情况下，洛仑兹力 可用下式表示 可用下式表示 2
分析磁体 粒子束
加速管
工艺腔 扫描盘
从离子源引出的离子经过磁分析器选择出需要的离子， 离子源引出的离子经过磁分析器选择出需要的离子， 经过磁分析器选择出需要的离子 分析后的离子加速以提高离子的能量，再经过两维偏转 离子加速以提高离子的能量 分析后的离子加速以提高离子的能量，再经过两维偏转 使离子束均匀的注入到材料表面， 扫描器使离子束均匀的注入到材料表面 扫描器使离子束均匀的注入到材料表面，用电荷积分仪 可精确的测量注入离子的数量 离子的数量， 可精确的测量注入离子的数量，调节注入离子的能量可 注入深度。 精确的控制离子的注入深度 精确的控制离子的注入深度。
Mv = qvB r
(7-1)
这里v是离子速度， 是离子电荷 是离子电荷， 是离子质量 是离子质量， 这里 是离子速度，q是离子电荷，M是离子质量， 是离子速度 B是磁场强度，r是离子圆周运动的半径 是磁场强度， 是磁场强度 是离子圆周运动的半径
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离子注入技术缺点
会产生缺陷，甚至非晶化， 会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加 以改进 设备相对复杂、相对昂贵（ 设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离 子注入机） 子注入机） 有不安全因素，如高压、 有不安全因素，如高压、有毒气体
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基个概念： 基个概念：
被掺杂的材料。 （1）靶：被掺杂的材料。 ） （2）一束离子轰击靶时，其中一部分离子 ）一束离子轰击靶时， 在靶面就被反射，不能进入靶内， 在靶面就被反射，不能进入靶内，称这部 分离子为散射离子 散射离子， 分离子为散射离子，进入靶内的离子成为 注入离子。 注入离子。
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b)质量分析器（磁分析器magnet b)质量分析器（磁分析器magnet analyzer) 质量分析器 利用不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的 利用不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的 不同将离子分离，选出所需的杂质离子。 不同将离子分离，选出所需的杂质离子。被 选离子束通过可变狭缝，进入加速管。 选离子束通过可变狭缝，进入加速管。
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注入材料形态选择
材料 硼 磷 砷 锑 气态 BF3 PH3 AsH3 － 固态 红磷 固态砷，As2O3 Sb2O3
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离子源（ 用来产生离子的装置。 离子源（Ion Source) 用来产生离子的装置。 原理是利用灯丝 利用灯丝(filament)发出的自由电子在 发出的自由电子 原理是利用灯丝 发出的自由电子在 电磁场作用下，获得足够的能量后撞击分子或 电磁场作用下，获得足够的能量后撞击分子或 原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出， 原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出，由 初聚焦系统聚成离子束， 初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器
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通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下， 通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下， 注入的深度将随电场的强度增加而增加。 注入的深度将随电场的强度增加而增加。 用离子注入法形成的分布， 浓度最大值不在 用离子注入法形成的分布，其浓度最大值不在 硅片表面，而是在深入硅体一定距离。 硅片表面，而是在深入硅体一定距离。这段距 离大小与注入粒子能量、离子类型等有关。 离大小与注入粒子能量、离子类型等有关
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5.3离子注入设备 5.3离子注入设备
Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side
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离子注入机分类
离子注入机按能量高低分为： 离子注入机按能量高低分为： 低能离子注入机 中能离子注入机 高能离子注入机 兆能离子注入机 离子注入机按束流大小分为： 离子注入机按束流大小分为： 小束流离子注入机 中束流离子注入机 强流离子注入机 超强流离子注入机
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离子注入技术优点
是随离子能量的增加而增加。 （4）离子注入深度是随离子能量的增加而增加。 ）离子注入深度是随离子能量的增加而增加 可精确控制掺杂浓度和深度 型或P型 （5）根据需要可从几十种元素中挑选合适的 型或 型 ）根据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或 杂质进行掺杂。 杂质进行掺杂。能容易地掺入多种杂质 温度较低（ （6）离子注入时的衬底温度较低（小于600℃ ），这 ）离子注入时的衬底温度较低 小于600℃ 样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷。同时横向效 样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷。同时横向效 避免高温扩散所引起的热缺陷 应比热扩散小得多。 应比热扩散小得多。 表面浓度不受固溶度限制， （7）表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或 深结高浓度。 深结高浓度。
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How can we form ultrashallow junction in today’s CMOS devices?
减少沟道效应的措施
目前常用的解决方法有三种
（1）是将硅片相对注入的离子运动方向倾 斜一个角度， 度左右最佳； 斜一个角度，7度左右最佳； （2）是对硅片表面铺上一层非结晶系的 材料，使入射的注入离子在进入硅片衬底之前， 材料，使入射的注入离子在进入硅片衬底之前， 在非结晶层里与无固定排列方式的非结晶系原 子产生碰撞而散射，这样可以减弱沟道效应； 子产生碰撞而散射，这样可以减弱沟道效应； 表面用SiO2层掩膜） 层掩膜） （表面用
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离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系。 离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系。 与衬底晶向有关系
离子注入的沟道效应
沟道效应（Channeling effect） 沟道效应（ ）
当离子沿晶轴方向注入时， 当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运 几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变， 动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变， 可以走得很远。 可以走得很远。
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当具有高能量的离子注入到固体靶面以后， 当具有高能量的离子注入到固体靶面以后，这些 高能粒子将与固体靶面的原子与电子进行多次碰 这些碰撞将逐步削弱粒子的能量， 撞，这些碰撞将逐步削弱粒子的能量，最后由于 能量消失而停止运动，形成一定的杂质分布。 能量消失而停止运动，形成一定的杂质分布。 离子在硅体内的注入深度和分布状态 注入深度和分布状态与射入时所 离子在硅体内的注入深度和分布状态与射入时所 加的电场强度 离子剂量、衬底晶向等有关 电场强度、 加的电场强度、离子剂量、衬底晶向等有关
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离子注入系统的组成
离子源 （Ion Source) 磁分析器 (Magnetic analyzer) 加速管 （Accelerator) 聚焦和扫描系统 (Focus and Scan system) 工 艺 腔 ( 靶 室 和 后 台 处 理 系 统 Target Assembly)
21Βιβλιοθήκη Baidu
离子源 等离子体 吸出组件