第四章 离子注入
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第四章 离子注入
❖ 根据LSS射程分布的理论,离子注入非晶靶后的杂质浓度 以高斯函数的形式分布
C(xp)Cmaex x p([2 x(p RRpp)2 )2]
ΔRp :标准偏差
RP:平均投影射程
xp :投影射程
Cmax:峰值处的离子浓度
C(xp):表示距靶表面深度为xp处的注入离子浓度
精品课件
如果把杂质浓度分布公式对 xp 积分,就得到 单位面积的表面层中注入的总离子数,即注入剂量NS
低能 区
中能 区
dESnESeE
dx
高能 区
核阻止本领和电子阻止本领曲线
(1)低能区:Sn(E)占主要地位,Se(E)可忽略 (2)中能区:Sn(E)和Se(E)同等重要 (3)高能区:Se(E) 占主要地位, Sn(E) 可忽略
精品课件
1.2几个基本概念:射程、投影射程及 标准偏差
射程R : 离子从进入靶开始到停止点所通
精品课件
3) 离子注入的能量损失机制
获得一定能量后的靶原子核可能离开原来 的晶格位置。 ——若进入晶格间隙,留下空位,形 成缺陷; ——还可以继续碰撞另外一个原子核, 使一系列核离开晶格位置,造成晶体损 伤。 ——当剂量很高时,甚至可以使单晶 硅严重损伤以至变成无定形硅。
精品课件
❖单位路程上注入离子由于核阻止(Sn(E)) 和电子阻止(Se(E) )所损失的能量,总能量
过的总路程叫射程。
投影射程xp : 射程在离子入射方向的投影长度
称作投影射程。
射程横向分量Xt: 射程在垂直于入射 方向的平面内的投 影长度
精品课件
射程、投影射程及标准偏差
❖ 平均投影射程RP :虽然入射到靶内的是同一种离子、具
有的能量也相同,但是各个入射离子进入靶后所经历的碰 撞过程是一个随机过程,所以各个离子的射程和投影射程 不一定相同。大量入射离子投影射程的统计平均值称作平
第四章离子注入
碰撞,这种碰撞能瞬间形成电
子空穴对。由于两者的质量相
差很大,每次碰撞注入离子能
量损失小,散射角度小,运动
方向基本不变。
第四章离子注入
阻止本领(stopping power): 材料中注入离子的能量损 失大小。单位路程上注入
离子由于核阻止(Sn(E))
和电子阻止(Se(E) )所损失 的能量 。 核阻止本领Sn(E) :来自靶原子 核的阻止。 电子阻止本领Se(E) :来自靶内 自由电子和束缚电子的阻 止。
第四章 离子注入
第四章离子注入
4.1离子注入设备与工艺 4.2核碰撞和电子碰撞 4.3注入离子在无定形靶中的分布 4.4注入损伤 4.5热退火
第四章离子注入
❖ 离子注入技术是20世纪60年代开 始发展起来的掺杂工艺,它在很多方 面都优于扩散工艺.由于采用了离子 注入技术,推动集成电路的发展,从 而使集成电路进入了超大规模.
通过多次注入使杂质纵向分布精确可控,与高斯分布接近; 也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中, 使杂质分布为设计形状第。四章离子注入
9
离子注入有别于扩散工艺的特点表现在以下几 个方面: ❖ 1、可以用质量分析系统获得单一能量的高纯
杂质原子束,没有沾污。因此,一台注入机 可用于多种杂质。此外,注入过程是在真空
(如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶)进行选
择掺杂。在制备不能采用扩散工艺的器件时,
这为独特的自对准掩模技术的设计提供了很
大的自由度。
❖ 4、离子束的穿透深度随离子能量的增大而增
大,因此,控制同一种或不同种的杂质进行
多次注入时的能量和剂量,可以在很大的范
围内得到不同的掺杂剂浓度分布截面。用这
种方法比较容易获得超陡的和倒置的掺杂截
第4章离子注入
离子注入掺杂
发展历史: 1954年肖克莱首先提出并申请了专利。 1955年英国人W. D. Gussins 用硼离子轰击 Ge晶片,在n型材料上形成p型层,但当时对 p-n结形成机理不很清楚,所以这一新技术没 有得到人们重视。 随着原子能技术的发展,对于离子束对 物质轰击效果的研究,强离子束设备的出现, 为离子注入的发展奠定了基础。
掩蔽层
Mask
xj Silicon substrate
Mask
Silicon substrate
a) 低掺杂浓度与浅结
b) 高掺杂浓度与深结
聚焦方式的优点是不需掩模,图形形成灵活。
缺点是 生产效率低,设备复杂,控制复杂。聚焦方
式的关键技术是
1、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源;
2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转
液态金属
同轴形
毛细管形
钨针
对液态金属的要求 (1) 与容器及钨针不发生任何反应; (2) 能与钨针充分均匀地浸润;
(3) 具有低熔点低蒸汽压,以便在真空中及不太
高的温度下既保持液态又不蒸发。
能满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn
等少数几种,其中 Ga 是最常用的一种。
E3 E1 是主高压,即离子束的 加速电压;E2 是针尖与引出极
离子注入概述
扩散掺杂
• 最先被采用的半导体掺杂技术 • 是早期集成电路制造中最重要的技术之一,高温炉 通称为“扩散炉”。 • 需在高温炉中进行 • 需使用二氧化硅作掩膜 • 无法独立控制结深和浓度 • 各向同性 • 杂质剂量控制精度较差。 自1970年中期开始离子注入技术被广泛采用。扩散技 术目前主要应用于杂质的推进,以及用于形成超浅结 (仍处于研发中)。
第四章离子注入
4.1 核碰撞和碰撞
4.1.3 射程粗略估计 LSS模型:引入简化的无量纲的能量参数ε和射程参 数ρ,即 ρ = (RNM1M24πa2)/(M1+M2)2 ε = E0aM2/[Z1Z2q2(M1+M2)] N- 单位体积的原子数; 1/2 作图,得图4.5 以dε/dρ–ε
4.1 核碰撞和电子碰撞
第四章 离子注入
定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 应用:COMS工艺的阱,源、漏,调整VT的沟道掺杂, 防止寄生沟道的沟道隔断,特别是浅结。 特点: ①注入温度低:对Si,室温;对GaAs,<400℃。 (避免了高温扩散的热缺陷;光刻胶,铝等都可作为掩 蔽膜。) ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在 ±1%(高浓度扩散5%-10%);能精确控制浓度分 布及结深,特别适合制作高浓度浅结、突变型分布。
注入离子能量与阻挡本领 ①高能区:电子阻挡占主要,核阻挡可忽略。 ②中能区:核阻挡占与电子阻挡相当; ③低能区:核阻挡占主要,电子阻挡可忽略;
4.1 核碰撞和电子碰撞
临界能量(交叉能量)Ene( Ec): Sn(E)=Se(E)处的能量。 ①Ene随注入离子原子量 的增加而增大。 ②轻离子,B: Ene≈15keV, 重离子,P: Ene≈150keV。
4.2 注入离子分布
1.总射程R 定义:注入离子在靶内走过的路径之和。 R与E的关系:根据能量的总损失率, dE dE dE , S E S E
dR dR
n
dR
e
n
e
1 E0 dE S n E S e E dE 则, R dR E0 0 dE / dR 0
第四章 离子注入
第四章:离子注入.
2. 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)。
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
QBm=q· NB· Xdm, 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)
χ — 离样品表面的深度
Rp — 平均投影射程
Scharff and Schiott首
先确立了注入离子在靶 内分布理论, 简称 LSS 理论
△Rp — 投影射程的平均标准偏差
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
第四章离子注入
分析磁体 粒子束
加速管
工艺腔 扫描盘
工艺控制参数
❖ 杂质离子种类:P+,As+,B+,BF2+,P++,B++,… ❖ 注入能量(单位:Kev)——决定杂质分布深度和形状,
10~200Kev ❖ 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
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中,
要经过加速、聚焦等很长距离,这些带电粒子将同真空系统中
的残余气体分子发生碰撞,其中部分带电离子会同电子结合,
成为中性的粒子。
对于出现在扫描 系统以前的中性粒子
没有偏转的中性束粒子继续向前
,扫描电场对它已不
200 kev 注入离子在 靶中的高斯分布图
硼原子在不同入射能量 对深度及浓度分布图
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
❖ 已知杂质种类(P,B,As),离子注入能量(Kev),靶材 (衬底Si,SiO2,Si3N4等)
求解step1:查LSS表可得到Rp和ΔRp
和电子阻止(Se(E) )所损失的能量,总能量 损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-dE/dx:能量损失梯度
E:注入离子在其运动路程上任一点x处的能量
Sn(E):核阻止本领
能量E的函数
Se(E):电子阻止本领
C: 靶原子密度 ~51022 cm-3 for Si
能量为E的 入射粒子在 密度为C的 靶内走过x 距离后损失 的能量
加速管
工艺腔 扫描盘
工艺控制参数
❖ 杂质离子种类:P+,As+,B+,BF2+,P++,B++,… ❖ 注入能量(单位:Kev)——决定杂质分布深度和形状,
10~200Kev ❖ 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
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中,
要经过加速、聚焦等很长距离,这些带电粒子将同真空系统中
的残余气体分子发生碰撞,其中部分带电离子会同电子结合,
成为中性的粒子。
对于出现在扫描 系统以前的中性粒子
没有偏转的中性束粒子继续向前
,扫描电场对它已不
200 kev 注入离子在 靶中的高斯分布图
硼原子在不同入射能量 对深度及浓度分布图
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
❖ 已知杂质种类(P,B,As),离子注入能量(Kev),靶材 (衬底Si,SiO2,Si3N4等)
求解step1:查LSS表可得到Rp和ΔRp
和电子阻止(Se(E) )所损失的能量,总能量 损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-dE/dx:能量损失梯度
E:注入离子在其运动路程上任一点x处的能量
Sn(E):核阻止本领
能量E的函数
Se(E):电子阻止本领
C: 靶原子密度 ~51022 cm-3 for Si
能量为E的 入射粒子在 密度为C的 靶内走过x 距离后损失 的能量
集成电路工艺第四章:离子注入
其中N为入射离子总数, 为第i 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△ 离子投影射程的平均标准偏差△RP为
其中N 其中N为入射离子总数 Rp 为平均投影射程 Rpi为第 Rpi为第i个离子的投影射程 为第i
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 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φ为注入剂量 其中 为注入剂量 χ为离样品表面的深度 为离样品表面的深度 Rp为平均投影射程 为平均投影射程 △Rp为投影射程的平均标准偏差 为投影射程的平均标准偏差
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 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φ越大, 从上式可知,注入离子的剂量φ越大,浓度峰值越高 从浓度分布图看出, 从浓度分布图看出,最大浓度位置在样品内的平均投 影射程处
4.2 离子注入工艺原理
离子注入参数
注入剂量φ 注入剂量 注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数 是样品表面单位面积注入的离子总数。 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( 其中 为束流,单位是库仑每秒(安 培) t为注入时间,单位是秒 为注入时间, 为注入时间 q为电子电荷,等于 ×10-19库仑 为电子电荷, 为电子电荷 等于1.6× n为每个离子的电荷数 为每个离子的电荷数 A为注入面积,单位为 2 —束斑 为注入面积, 为注入面积 单位为cm
2267 475 866 198 673 126
4587 763 1654 353 1129 207
6736 955 2474 499 1553 286
第四章 离子注入
2 2 2 x R 1 1 y z p f x , y , z 3 exp 2 2 2 / 2 2 Y Z 2 R Y Z R p p
25
26
三、一级近似得到的高斯分布,在峰值附近与实际分布符合
较好,距峰值较远时有一定偏离 原因: 高斯分布是在随机注入条件下得到的粗略结果,那些碰撞 次数小于平均值的离子,可能停止在比Rp更远处; 而碰撞次数大于平均值的离子可能停在表面与Rp之间; 实际注入时还有更多影响离子分布的因素需考虑: B:峰值靠近表面一侧的离子数量高于另一侧(轻,大角 度散射),不服从严格的高斯分布,出现明显的不对称性, 如下图所示; As:x > Rp一侧有较多的离子分布(重,散射角小),同 样也偏离了理想的高斯分布。 尽管如此,实践中通常仍利用理想高斯分布来快速估算 注入离子在非晶靶以及单晶靶材料中的分布。 27
S E CV k E e e
1 2
其中V为注入离子的速度,系数ke与注入离子的原子序数、质
量、靶材料的原子序数和质量有着微弱的关系。在粗略近似下, 对于无定形硅靶来说, ke为一常数。
17
4.1.3 射程的粗略估计
根据LSS理论,得到核阻止本领和电子阻止本领曲线,如 下图所示,其中和是无量纲的能量和射程参数。
5
目 录
4.1 核碰撞和电子碰撞
4.2 注入离子在无定形靶中的分布
4.3 注入损伤
4.4 热退火
6
4.1 核碰撞和电子碰撞
注入离子在靶内的分布理论(LSS理论)
1963年,林华德(Lindhard),沙夫(Scharff)和希奥特(Schiott) 首先确立:
第四章离子注入
第四章 离子注入
1954年,Bell Lab. ,Shockley 提出; 应用:COMS工艺的阱,源、漏,调整VT的沟道掺 杂,防止寄生沟道的沟道隔断,特别是浅结。 定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 特点: ①注入温度低:对Si,室温;对GaAs,<400℃。避免了 高温扩散的热缺陷;光刻胶,铝等都可作为掩蔽膜。 ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在 ±1%(高浓度扩散5%-10%);能精确控制浓度分 布及结深,特别适合制作高浓度浅结器件。
max
⎢ ⎣ 2
∆RP
⎥ ⎦
Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值浓度(在RP处),NS—注入剂量
4.2 注入离子分布
4.2.2 横向效应 ①横向效应与注入 能量成正比; ②是结深的30% -50%; ③窗口边缘的离子 浓度是中心处的50%;
4.2 注入离子分布
4.2.3 沟道效应(ion channeling) 非晶靶:对注入离子的 阻挡是各向同性; 单晶靶:对注入离子的 阻挡是各向异性; 沟道:在单晶靶的主晶 轴方向呈现一系列平行 的通道,称为沟道。
dR dR
n
dR
e
n
e
−1 E0 dE R = ∫ dR = − ∫ = ∫ [S n (E ) + S e (E )] dE E0 dE / dR 0 0
式中,E0—注入离子的初始能量。
4.2 注入离子分布
2.投影射程XP: 总射程R在离子入射方向 (垂直靶片)的投影长度 ,即离子注入的有效深度。 3.平均投影射程RP: 投影射程XP的平均值,具 有统计分布规律-几率分 布函数。
4.1 核碰撞和电子碰撞
4.1.1 核阻挡本领Sn(E) Sn(E)=(dE/dx)n (dE/dx)n --核阻挡能量 损失率.
1954年,Bell Lab. ,Shockley 提出; 应用:COMS工艺的阱,源、漏,调整VT的沟道掺 杂,防止寄生沟道的沟道隔断,特别是浅结。 定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 特点: ①注入温度低:对Si,室温;对GaAs,<400℃。避免了 高温扩散的热缺陷;光刻胶,铝等都可作为掩蔽膜。 ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在 ±1%(高浓度扩散5%-10%);能精确控制浓度分 布及结深,特别适合制作高浓度浅结器件。
max
⎢ ⎣ 2
∆RP
⎥ ⎦
Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值浓度(在RP处),NS—注入剂量
4.2 注入离子分布
4.2.2 横向效应 ①横向效应与注入 能量成正比; ②是结深的30% -50%; ③窗口边缘的离子 浓度是中心处的50%;
4.2 注入离子分布
4.2.3 沟道效应(ion channeling) 非晶靶:对注入离子的 阻挡是各向同性; 单晶靶:对注入离子的 阻挡是各向异性; 沟道:在单晶靶的主晶 轴方向呈现一系列平行 的通道,称为沟道。
dR dR
n
dR
e
n
e
−1 E0 dE R = ∫ dR = − ∫ = ∫ [S n (E ) + S e (E )] dE E0 dE / dR 0 0
式中,E0—注入离子的初始能量。
4.2 注入离子分布
2.投影射程XP: 总射程R在离子入射方向 (垂直靶片)的投影长度 ,即离子注入的有效深度。 3.平均投影射程RP: 投影射程XP的平均值,具 有统计分布规律-几率分 布函数。
4.1 核碰撞和电子碰撞
4.1.1 核阻挡本领Sn(E) Sn(E)=(dE/dx)n (dE/dx)n --核阻挡能量 损失率.
第四章离子注入介绍
离子束从<111>轴偏斜7°入射
入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟 道效应, 只有当入射离子的入射角小于某 一角度时才会发生, 这个角称为临界角
沟道效应与离子注入方向的关系
沟道效应与单晶靶取向的关系
硅的<110 >方向沟道开口约
1.8 Å, <100 >方向沟道开口
约11.22 Å, <111>方向沟道开口介
3. 射程估算
a. 离子注入能量可分为三个区域:
低能区— 核阻滞能力占主导地位,电子阻滞可被忽略;
中能区— 在这个比较宽的区域,核阻滞和电子阻滞能力同等重要, 必须同时考虑; 主导地位, 核阻滞可被忽略。 超出高实能际区应—用电范子围阻;滞能力占
b.Sn(E) 和 Se(E) 的能量变 化曲线都有最大值。分别在低 能区和高能区;
能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时,损失
给靶原子核的能量S n。E
dE dx
n
能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞,离子能量转移到 原子核上,结果将使离子改变运动方向,而靶原子核可 能离开原位,成为间隙原子核,或只是能量增加。
❖低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加, 而在某个中等能量达到最大值, 在高 能量时, 因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换, 所以核阻止 变小。
❖ 5、离子注入是非平衡过程,因此产生的载流子 浓度不是受热力学限制,而是受掺杂剂在基质晶 格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质 浓度可以不受固溶度的限制。
❖ 6.离子注入时衬底温度较低,避免高温扩散所引 起的热缺陷。
❖ 7、由于注入是直进性,注入杂质是按照掩模的 图形垂直入射,横向效应比热扩散小,有利于器 件特征尺寸缩小。
第四章离子注入
1)离子束扫描: ——扫描方式:静电 扫描、机械扫描和混 合扫描。常用静电扫 描和混合扫描。
——静电光栅扫描适于 中低束流机,机械扫 描适于强束流机。
两种注入机扫描系统
在盘山的 取样狭缝
法拉第杯电流测量
带硅片的 扫描盘
抑制栅孔径 法拉第杯
粒子束
电流 积分仪
扫描方向
离子注入机示意图
离子源
等离子体 吸出组件
源磁铁
离子源
N
S
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
吸出组件
接地电极
抑制电极
-
-
-
-
-
+粒子束
-
-
-
-
-
-
To PA
N S
5V 灯丝
120 V 起弧
2.5 kV 抑制
60 kV 吸引
参考端 (PA电压)
2.2 质量分析器
❖ 从离子源引出的离子束里包含几种甚至十几种 元素,但是需要注入的只是某一种特定元素的 离子,所以需要质量分析器把该特定元素分选 出来。离子注入机中采用磁分析器分析。
电极 +100 kV+80 kV+60 kV+40 kV+20 kV 0 kV
粒子束
粒子束
来自分 析磁体
至工艺腔
+100 kV
100 MW 100 MW100 MW100 MW100 MW
离子从离子源到靶室中的硅片,一般要飞行几米到几十米的距 离。为了减少离子在行进中的损失,必须要对离子进行聚焦。 一般聚焦系统在加速管后面。最常用的有静电四极透镜和磁四 极透镜。聚焦后的离子束到达硅片的束斑要尽可能小,一般直 径为几毫米。 静电透镜:离子束聚焦 静电偏转系统:滤除中性粒子
——静电光栅扫描适于 中低束流机,机械扫 描适于强束流机。
两种注入机扫描系统
在盘山的 取样狭缝
法拉第杯电流测量
带硅片的 扫描盘
抑制栅孔径 法拉第杯
粒子束
电流 积分仪
扫描方向
离子注入机示意图
离子源
等离子体 吸出组件
源磁铁
离子源
N
S
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
吸出组件
接地电极
抑制电极
-
-
-
-
-
+粒子束
-
-
-
-
-
-
To PA
N S
5V 灯丝
120 V 起弧
2.5 kV 抑制
60 kV 吸引
参考端 (PA电压)
2.2 质量分析器
❖ 从离子源引出的离子束里包含几种甚至十几种 元素,但是需要注入的只是某一种特定元素的 离子,所以需要质量分析器把该特定元素分选 出来。离子注入机中采用磁分析器分析。
电极 +100 kV+80 kV+60 kV+40 kV+20 kV 0 kV
粒子束
粒子束
来自分 析磁体
至工艺腔
+100 kV
100 MW 100 MW100 MW100 MW100 MW
离子从离子源到靶室中的硅片,一般要飞行几米到几十米的距 离。为了减少离子在行进中的损失,必须要对离子进行聚焦。 一般聚焦系统在加速管后面。最常用的有静电四极透镜和磁四 极透镜。聚焦后的离子束到达硅片的束斑要尽可能小,一般直 径为几毫米。 静电透镜:离子束聚焦 静电偏转系统:滤除中性粒子
第四章离子注入
离子/cm2)内变化,且在此范围内精度可控制 到±1%。与此相反,在扩散系统中,高浓度时 杂质浓度的精度最多控制到 5 - 10 % , 低浓度 时比这更差。
3、离子注入时,衬底一般是保持在室温或温
度不高(≤ 400℃), 因此,可用各种掩模 (如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶)进行选 择掺杂。在制备不能采用扩散工艺的器件时, 这为独特的自对准掩模技术的设计提供了很 大的自由度。 4、离子束的穿透深度随离子能量的增大而增 大,因此,控制同一种或不同种的杂质进行 多次注入时的能量和剂量,可以在很大的范 围内得到不同的掺杂剂浓度分布截面。用这 种方法比较 容易获得超陡的和倒置的掺杂截 面。
在 x = RP 的两侧,注入离子浓度对称地下降, 且下降速度越来越快: 峰值附近与实际分布符合较 好,当离峰值位置较远时,有较 大偏离。
注入离子的二维分布
注入离子的真实分布
真实分布非常复杂,不 服从严格的高斯分布 硼比硅原子质量轻得多, 硼离子注入就会有较多 的大角度散射。被反向 散射的硼离子数量也会 增多,因而分布在峰值 位置与表面一侧的离子 数量大于峰值位置的另 一侧,不服从严格的高 斯分布。 砷等重离子和硼轻离子 的分布正好相反。
于两者之间。因此,沟道效应 依<110 >、 <111>、 <100 >顺序减 弱。
100
倾斜旋转硅片后的无序方向
实践表明,沟道效应与多种因素有关,包括:
单晶靶的取向 离子的注入方向 离子的注入能量 注入时的靶温
注入剂量
将沟道效应降低到最小:
a. 在晶体上覆盖一层非晶体的表面层:常用非晶覆盖材料是一 层薄氧化层。使离子束方向随机化,离子以不同角度进入晶片; b. 将晶片晶向偏转:大部分注入系统将硅片倾斜7°,并从平边 扭转22°; c. 在晶片表面制作一个损伤层:在晶片表面注入大量硅或锗可 以损伤晶片表面,在晶片表面产生一个随机层。
第04章 离子注入
31
§4.2 注入离子在无定形靶中的分布
四. 1.
浅结的形成 目的:为了抑制MOSFET的穿通电 流和减小器件的短沟道效应,要求 减小CMOS的源/漏结的结深。
②
降低注入离子的能量——使用 较多
绪论
源(Source):在半导体应用中,为了操作方便,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,得到它们的蒸汽,再导入
放电区。
气体源:BF3,AsH3,PH3,Ar,GeH4,O2,N2,...
离子源(Ion Source):灯丝(filament)发出的自由电
2
由如上描述可知,离子注入掺杂方式与扩散掺杂方式不同,杂质的最大 浓度不在固体表面,而在距表面Rp处,即次表面。
21
§4.2 注入离子在无定形靶中的分布
4.
实际的杂质纵向分布
①
真实分布非常复杂,不服从严格 的高斯分布。 轻离子注入到重原子靶中时,如 B→Si靶
由于B质量轻,会有较多的B离子 受到大角度的散射,被反向散射 的B离子数量会增多,导致在峰值 位臵靠近表面一侧有较多的离子 堆积。
1.
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,获得较高的动能后, 射入材料表层(靶)。
2.
3.
改变材料表层的物理或化学性质。
3
绪论
磁分析器 聚焦 扫描系统 靶
加速管
离 子 源
1 I dt Q A q
4
BF3:B++,B+,BF2+, F+, BF+,BF++
第四章离子注入
❖ 能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时,损失给靶原子核的 能量。
Sn
E
dE dx n
❖ 能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞,离子能量转移到原子核上,结 果将使离子改变运动方向,而靶原子核可能离开原位,成为间隙原子核, 或只是能量增加。
❖低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加,而在某个中等能量达到最大值,在高 能量时,因快速运动的离子没有足够第的四时章离间子与注靶入原子进行有效的能量交换,所以核阻 止变小。
硅的<110 >方向沟道开口约1.8
Å, <100 >方向沟道开口
110
111
约11.22 Å, <111>方向沟道开口介
于两者之间。因此,沟道效应
依<110 >、 <111>、 <100 >顺序减
弱。
100
倾斜旋转硅片后的无序方向
第四章离子注入
实践表明,沟道效应与多种因素有关,包括:
单晶靶的取向
❖ 8、离子注入是通过硅表面的薄膜入射到硅中, 该膜起到了保护作用,防止污染。
❖ 9、容易实现化合物半导体材料的掺杂。 第四章离子注入
缺点
会在晶体中引入晶格损伤 产率低 设备复杂,投资大
第四章离子注入
基本概念
❖ 靶:被掺杂的材料称为靶 ❖ 散射离子:一束离子轰击靶时,其中一部分离
子在靶表面就被反射了,不能进入的离子称散 射离子。 ❖ 注入离子:进入靶内的离子称注入离子
第四章离子注入
横向效应不但与注入离子的种类有关,也与入射离子的能量有关。
第四章离子注入
35 keV As注入
120 keV As注入
横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。 (扫描电镜照片)
第四章 离子注入
4.4.3 沟道效应(ion channeling)
非晶靶:对注入离子的阻挡是 各向同性;
单晶靶:对注入离子的阻挡是 各向异性;
沟道:在单晶靶的主晶轴方向 呈现一系列平行的通道, 称为沟道。
4.4 注入离子分布
沟道效应:离子沿沟道前进,核阻挡作用小,因而射程比非晶 靶远的多。
好处:结较深;晶格损伤小。 不利:难于获得可重复的浓度分布,使用价值小。 减小沟道效应的途径 ①注入方向偏离晶体的主轴方向,典型值--70; ②淀积非晶表面层(SiO2); ③在表面制造损伤层; ④提高靶温; ⑤增大剂量。
沟道效应:离子沿沟道前进,核阻挡作用小,因而射程比非晶 ①注入离子与靶原子的相互作用
对非晶AsGa:ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1;
k - 与Z 、Z 、M 、M 有关的常数: 最简单(一级近似):f(r/a)=a/r,
e
1212
{对非晶Si:ke≈1x103(eV)1/2μm-1; 对非晶AsGa:ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1;}
呈现一系列平行的通道, 3 离子注入机理
n
(dE/dx) --核阻挡能量损失率. -核碰撞与电子碰撞
n 作用:使离子获得所需的能量。
势能 V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a)
①注入离子与靶原子的相互作用
3 离子注入机理
-核碰撞与电子碰撞
损伤密度=4000/Vdam=4X1021cm-3 (占相应体积中所有原子的8%)
(杂质激活能小于Si扩散的激活能)。
4.6 注入退火
4.6.2 硼的退火特性 4.6.3 磷的退火特性 4.6.4 热退火过程的扩散效应 (以上请自学)
4.6 注入退火
4.6.5 快速退火(RTA,rapid thermal annealing)
非晶靶:对注入离子的阻挡是 各向同性;
单晶靶:对注入离子的阻挡是 各向异性;
沟道:在单晶靶的主晶轴方向 呈现一系列平行的通道, 称为沟道。
4.4 注入离子分布
沟道效应:离子沿沟道前进,核阻挡作用小,因而射程比非晶 靶远的多。
好处:结较深;晶格损伤小。 不利:难于获得可重复的浓度分布,使用价值小。 减小沟道效应的途径 ①注入方向偏离晶体的主轴方向,典型值--70; ②淀积非晶表面层(SiO2); ③在表面制造损伤层; ④提高靶温; ⑤增大剂量。
沟道效应:离子沿沟道前进,核阻挡作用小,因而射程比非晶 ①注入离子与靶原子的相互作用
对非晶AsGa:ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1;
k - 与Z 、Z 、M 、M 有关的常数: 最简单(一级近似):f(r/a)=a/r,
e
1212
{对非晶Si:ke≈1x103(eV)1/2μm-1; 对非晶AsGa:ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1;}
呈现一系列平行的通道, 3 离子注入机理
n
(dE/dx) --核阻挡能量损失率. -核碰撞与电子碰撞
n 作用:使离子获得所需的能量。
势能 V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a)
①注入离子与靶原子的相互作用
3 离子注入机理
-核碰撞与电子碰撞
损伤密度=4000/Vdam=4X1021cm-3 (占相应体积中所有原子的8%)
(杂质激活能小于Si扩散的激活能)。
4.6 注入退火
4.6.2 硼的退火特性 4.6.3 磷的退火特性 4.6.4 热退火过程的扩散效应 (以上请自学)
4.6 注入退火
4.6.5 快速退火(RTA,rapid thermal annealing)
第四章:离子注入
2. 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)。
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:
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。
3. 杂质浓度均匀性、重复性好
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
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:
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
第四章离子注入
4.3 离子注入机理 -核碰撞与电子碰撞
①注入离子与靶原子的相互作用 库仑力 F(r)=q2Z1Z2/r2 势能 V(r)=q2Z1Z2/r Z1 、Z2 --核电荷数;r—距离。 ②考虑电子的屏蔽作用 势能 V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a) f(r/a)--屏蔽函数;a--屏蔽参数; 最简单(一级近似):f(r/a)=a/r, 则Sn=Sn0=常数(图4.2,虚线); 更精确:托马斯-费米屏蔽函数 (图4.2,实线)。
4.2 离子注入设备原理
离子注入设备结构
①离子源;②质量分析器;③加速器;④偏束板;⑤扫描器; ⑥靶室
离子注入系统的原理示意图
4.2
1.离子源
离子注入设备原理
作用:产生注入用的离子。 原理:杂质原子高能电子轰击(电子放电)注入离子 类型:高频,电子振荡,溅射
2.磁分析器(质量分析器)
4.6
注入退火
热退火机理:
a.无定形层(非晶层):通过固相外延,使位移原子重构而有序 化。无定形是晶体的亚稳态,这种固相外延可在较低温度下 发生。 b.非无定形层:高温下,原子振动能增大,因而移动能力增强, 可使复杂的损伤分解为简单的缺陷,如空位、间隙原子等。 简单的缺陷能以较高的迁移率移动,相互靠近时, 就可能复合而使缺陷消失。
N ( x ) N max 1 x RP 2 exp ( ) ---高斯函数 2 ΔR P
Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值浓度(在RP处), NS—注入剂量
4.4
注入离子分布
4.4
4.4.2 横向效应
注入离子分布
①横向效应与注入能量成正比 ②是结深的30%-50%; ③窗口边缘的离子浓度是中心处的50%;
第四章离子注入介绍
电子碰撞:指注入离子与靶内
自由电子以及束缚电子之间的 碰撞,这种碰撞能瞬间形成电 子空穴对。由于两者的质量相 差很大,每次碰撞注入离子能 量损失小,散射角度小,运动 方向基本不变。
阻止本领(stopping power): 材料中注入离子的能量损 失大小。单位路程上注入 离子由于核阻止(Sn(E)) 和电子阻止(Se(E) )所损失 的能量 。 核阻止本领Sn(E) :来自靶原子 核的阻止。 电子阻止本领Se(E) :来自靶内 自由电子和束缚电子的阻 止。
1.核阻止本领
核阻止:注入离子与靶内原子核碰撞能量的损失 能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时,损失给靶原子核的 能量。
dE S n E dx n
能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞,离子能量转移到原子核上,结 果将使离子改变运动方向,而靶原子核可能离开原位,成为间隙原子核, 或只是能量增加。
2.电子阻止
在LSS 理论中,把固体中的电子看作为自由 电子气,那么电子阻滞就类似于黏滞气体的 阻力,即:电子对离子的影响很像一个粒子 在流体中的移动。
dE S e E dx e
电子阻滞本领
在注入离子的常用能量范围内,电子阻滞能 力的大小与入射离子的速度成正比:
Se E Cvion kE1/ 2 , k 0.2 1015 eV1/ 2cm2
的阻滞作用取决于晶体的取向,是各向异性的,入射离子从不同方
向射入靶中将得到不同的射程。 沟道效应:当对晶体靶进行离子注入 时,如果离子注入的方向与晶体的某个晶 向平行,注入深度就有可能比较深,大于 在非晶靶中的深度,产生沟道效应。
沿<110>晶向金刚石结构模型
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射程参数
RNm1 m2 4a2
(m1 m2 )2
其中,m1,m2为注入离子和靶原子的质量,N是单位体积 内的原子数,a为屏蔽长度
a
0.88a0
( Z11/ 3
Z 2/3 2
)1/ 2
由此,导出核阻止能量损失曲线。P84图4.5
13
1、注入离子能量三个区域中的阻止机制
1)低能区:核阻止 2)中能区:核阻止、电子阻止 3)高能区:电子阻止
注入离子靶原子:形成间隙-空位缺陷; 间隙靶原子靶原子:在入射离子轨迹周围形成大量
间隙-空位缺陷。
因此,须消除衬底损伤,并使注入离子处于电激 活位置,以达到掺杂目的。
31
一、级联碰撞
1、几个概念
1) 注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程, 称为能量淀积过程。 弹性碰撞: 总动能守恒 注入离子能量低 非弹性碰撞:总动能不守恒 注入离子能量高 在集成电路制造中,注入离子的能量较低,弹性碰撞占 主要地位。
exp
1 2
y2
Y
2
z2 Z 2
(x Rp)2 R p 2
(4.21) 因入射靶材为各向同性的非晶材料,则在垂直入射方向的平
面内分布是对称的,即有
Y Z R 即Y方向、Z方向上的标准偏差 等于 横向离散 R 。
25
通过狭窄掩模窗口注入离子后的杂质分布情况
14
2、一级近似下的阻止机制
1)核阻止本领
S
0 n
与入射离子E能量无关;
2)电子阻止本领 Se (E)与速度成正比关系;
3)在EC处核阻止和电子阻止本领相等,不同的靶材料和不同的
注入离子, EC不同。 a)若E0>> EC,电子阻止
射程R k1E1/ 2 (4.13)s
Se (E)
S
0 n
b)若E0<< EC,核阻止
E0 Z1 m1
入射离子 p 碰撞参数
m1 E1 Z1
1
m1
m2 靶离子
2
E2
Z2
m2
二体弹性碰撞
8
碰撞参数p:运动球经过静止球附近而不被散射情况下,两 球之间的最近距离。 由上图可知,p≤R1+R2时,发生碰撞和能量转移。
当p=0时,两球发生正面碰撞,此时传输能量最大,利用动 量守恒和动能守恒,可得
入射能量
20 40
注入硅中的离
子
60 80 100 120 140 160 180
B
RP 714 1413 2074 2695 3275 3802 4284 4745 5177
RP 276 443 562 653 726 713 855 910 959
P
RP 255 488 729 976 1228 1483 1740 1996 2256
表现为宏观热能 移位原子 移位原子,并引起其它原子移位
3) 与入射离子碰撞而发生移位的原子,称为第一级反冲原子。 与第一级反冲原子碰撞而移位的原子,称为第二级反冲 原子。这种不断碰撞的现象称为级联碰撞。
若级联碰撞密度不大:孤立的点缺陷; 若级联碰撞密度很高:非晶区。
33
2、注入离子在硅衬底中产生的几类损伤
第四章 离子注入
所谓“离子注入”,简单地讲,就是先使待掺杂的 原子(或分子)电离,再加速到一定能量使之“注入” 到晶体中,然后经过退火使杂质激活,达到掺杂的 目的。
离子注入和扩散技术都是对半导体进行掺杂的方法, 但离子注入掺杂具有很好的可控性和灵活性,使它 成为一种重要的、不可缺少的掺杂工艺。例如,浅 结主要是依靠离子注入技术来完成的。
数,用
S
0 n
表示。
b)若电子屏蔽函数
f ( r ) exp( r )
a
a
即托马斯-费米屏蔽函数图4.3,离子损失能量与核阻止Sn (E)
的关系如图4.2。
由图可见,低能量时,核阻止 本领随能量的增加呈线性增加。 在某个中等能量达到最大值。 高能量时,快速运动的离子没 有足够的时间与靶原子进行有 效的能量交换,核阻止本领变 小。
2)远距离情况:需考虑电子屏蔽作用。靶原子外围绕着电 子,正的核势能受到部分屏蔽,不能全部作用于注入离子。 利用屏蔽函数对势函数进行修正。
V (r) q2Z1Z2 f ( r )
r
a
式中,f(r/a)是电子屏蔽函数,a为屏蔽参数。
(4.8)
10
a)若电子屏蔽函数
f(r) a ar
则,势函数与距离的平方成反比,注入离子损失能量为常
2
离子注入掺杂技术的主要特点
1、离子注入技术通过质量分析器选出单一的杂质离子,
保证了掺杂的纯度。 2、可精确控制注入离子数目,剂量在1011~1017离子/cm2
较宽的范围内,同一平面内杂质分布的均匀性远高于
扩散工艺。 3、离子注入扩大了杂质的选择范围;其掩蔽膜可采用
SiO2、金属膜或光刻胶。
4、离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度,
20
在能量一定情况下轻离子比重离子的射程深
21
4、离子注入结深计算
N(xj)
NS
2 Rp
exp
1 2
xj Rp Rp
2
NB
x j Rp Rp
2
ln
1
Ns
2 Rp
NB
(*2)
22
实际注入离子偏离理想高斯分布
(*1)
17
一、纵向分布
对于无定形靶(如SiO2、Si3N4、Al2O3、光刻胶等),注 入离子的纵向浓度分布可用高斯函数表示:
N ( x)
Nmax
exp
1 2
x Rp Rp
2
N(x)表示距离靶表面为x的
注入离子浓度;
(4.15)
Nmax为峰值处的浓度。
3. 解决办法:使晶体相对注入离子呈现无定形的情况。 晶体主轴方向偏离注入方向,典型值 7°左右; 晶体表面覆盖无定形材料(SiO2、Si3N4、Al2O3、光刻胶)。
29
硅晶体的原子构型
30
§ 4.3 注入损伤
离子注入的最大优点是可精确控制掺杂杂质的数 量及深度;但同时,衬底晶格损伤也不可避免。
移位原子都将形成Frenkel缺陷
空位(V)、二阶空位(V2)、高阶空位(复合的空 位)、间隙(I)
三类晶格损伤
点缺陷或缺陷群 局部非晶区域 非晶层
简单晶格损伤 非晶层形成
x
xp 0
离子射程R及投影射程xp
16
有关射程的概念
射程R:离子从进入靶到停止,所走过的总距离。
投影射程xp:射程在离子入射方向投影的长度。 平均投影射程Rp:所有入射离子投影射程的平均值,即
离子注入深度的平均值。
投影射程的标准偏差∆Rp:表征注入离子分布分散情况。
Rp xp Rp 2
23
二、横向效应
横向效应 指 注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情 况。
Rp xp Rp 2
y
xp 0
z
x
24
一束半径很小的离子束,沿垂直于靶表面的x方向入射到各 向同性的非晶靶内,考虑横向效应的注入离子空间分布函 数为
f
(x,
y,
z)
1
(2 )3/2 RpYZ
的能量为
dE dx
[Sn (E)
Se (E)]
(4.3)
离子在靶内运动的总路程R为
0
R
dE
E0
dE
E0 Sn (E) Se (E) 0 Sn (E) Se (E)
(4.4)
7
一、核阻止本领
核阻止可理解为能量为E的一个注入离子,在单位 密度靶内运动单位长度时,损失给靶原子的能量。
6
引入核阻止本领Sn(E)和电子阻止本领Se(E)来说明注入 离子在靶内能量损失的具体情况。
一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E,则
核阻止本领定义为
S
n
(
E
)
dE dx
n
(4.1)
电子阻止本领定义为
S
e
(
E
)
Байду номын сангаас
dE dx
e
(4.2)
则在单位距离上,由于核碰撞和电子碰撞,注入离子所损失
因而易于制作极低的浓度和很浅的PN结。
3
5 、 注 入 温 度 一 般 不 超 过 400℃ , 退 火 温 度 也 较 低
(650℃),避免了高温过程带来的不利(如结的推
移、热缺陷等)。
6、离子注入的横向扩散很小,利于提高集成电路的集
成度,并能制作出频率较高的MOS器件和击穿电压 较高的器件; 7、可以通过半导体表面上一定厚度的SiO2膜进行注入
2) 因碰撞而离开晶格位置的原子称为移位原子。 一个处于晶格位置的原子发生移位,所需要的最小能量 称为移位阈能Ed。(与靶材相关,硅靶:14~15eV)
32
经碰撞,注入离子与靶内原子进行能量传递后,靶内原 子可出现三种情形
a) 传递能量< Ed b) Ed <传递能量< 2Ed c) 2Ed <传递能量
离子在靶内运动时,损失能量可分两类:一是核阻止,二 是电子阻止。
核阻止即核碰撞,是注入离子与靶原子核之间的相互碰撞。 因两者质量是一个数量级,一次碰撞可以损失较多能量, 且可能发生大角度散射,使靶原子核离开原来的晶格位置, 留下空位,形成缺陷。