第4章半导体讲解

– 平均射程
Rp
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– 多能量、多剂量注入
– 4.1.2. 设备（page 99-101）
Analyzing Magnet
Ion source Extraction assembly Analyzing magnet
Ion beam
Lighter ions
Neutrals Heavy ions Graphite
Energetic dopant ion
Electronic collision Si Si Si Si Silicon crystal lattice Si X-rays Si Si Si Si Si Si Si
Atomic collision Si Si Si Si Si Displaced Si atom Si
N (t、T ) N 0 exp(t /
A exp(Ee / kT )
1）激活率(成活率)（%） Si：P、B100%，As 50% 2）临界通量C(cm-2) (Fig5.13) 与注入离子种类、大小，能量有关 与注入时的衬底温度有关
3）退火后的杂质再分布（P。117） 4）退火方式：“慢退火”，快速热退火 分步退火 5）退火完成的指标：电阻率、迁移率、少 子寿命
b) High dopant concentration (n+, p+) and deep junction (xj)
– 重离子在材料中与靶原子的碰撞是“弹性” 库仑散射 4M i M t
ET E0 f ( ) ( M i M t）
–
级联散射
Energy Loss of an Implanted Dopant Atom
Si
Si Si Si Si Si
Figure 17.9
– 能量损失： 散射路径R，靶材料密度，阻止本领S
dEtot dE dE ( ） ） nuel ( e dx dx dx E E dE dE Rp (E) dE tot 0 ( ） 0 S (E) dx E dE S ( E ) Se ( E ) 0 n
a) Damaged Si lattice during implant
b) Si lattice after annealing
Figure 17.27
Also see
Fig. 5.16
– 热退火： P。114
等时退火 Isochronal Annealing 等温退火 Isothermal Annealing
– 4.4.离子注入工艺中的一些问题
1。离子源：汽化高压电离 多价问题 分子态—原子态问题 （产额问题） 2。选择性掺杂的掩膜 SiO2、Si3N4、光刻胶、各种金属膜
• P离子注入
Si SiO2 Si3N4
E Rp Rp Rp Rp Rp Rp (keV) (m) (m) (m) (m) (m) (m) 10 0.014 0.007 0.011 0.005 0.008 0.004 20 50 100 0.025 0.012 0.020 0.008 0.015 0.006 0.061 0.025 0.049 0.019 0.038 0.014 0.124 0.046 0.100 0.033 0.077 0.026
A. p+ Silicon Substrate B. p Epitaxial Layer C. Retrograde n-Well D. Retrograde p-well E. p-Channel Punchthrough F. p-Channel Threshold Voltage (VT) Adjust G. p-Channel Punchthrough H. p-Channel VT Adjust I. n-Channel Lightly Doped Drain (LDD) J. n-Channel Source/Drain (S/D) K. p-Channel LDD L. p-Channel S/D M. Silicon N. Doped Polysilicon O. Doped SiO2
Electron Shower for Wafer Charging Control
-Biased aperture Secondary electron target Secondary electrons + + + + Wafer
+ + + + + + +
+ +
Electron gun
一次电子(几百eV)
有掩膜时的注入杂质分布
？
Controlling Dopant Concentration and Depth
Ion implanter Low energy Low dose Fast scan speed Ion implanter High energy High dose Slow scan speed
第四章：离子注入技术
问题的提出： – 短沟道的形成？ – GaAs等化合物半导体？（低温掺杂） – 低表面浓度？ – 浅结？ – 纵向均匀分布或可控分布？ – 大面积均匀掺杂？ – 高纯或多离子掺杂？
要求掌握： – 基本工艺流程（原理和工艺控制参数） – 选择性掺杂的掩蔽膜（Mask） – 质量控制和检测 – 后退火工艺的目的与方法 – 沟道效应 – 在器件工艺中的各种主要应用 – 离子注入技术的优缺点 – 剂量和射程在注入工艺中的重要性 – 离子注入系统的主要子系统 –
Implant Anneal after implant Hard mask (oxide or nitride)
4.1. 离子注入原理
4.1.1. 物理原理(P.101-110) 通过改变高能离子的能量，控制注入离子在靶材 料中的位置。
Low energy Low dose Fast scan speed
Neutralized atoms +
+ + +
+
Ion beam +
+
+ Wafer scan direction
Electron emission Chamber wall -Biased aperture N + +
N
Plasma electron flood chamber
S
Current (dose) monitor
4M i M t ET E0 f ( ) Ea ( M i M t）
Ea为原子的位移阈能 大剂量——非晶化 临界剂量（P。111） 与什么因素有关？ 如何则量？
Annealing of Silicon Crystal
Ion Beam Repaired Si lattice structure and activated dopant-silicon bonds
Figure 17.5
3。遮挡(注入阴影效应Implant Shadowing) （P119）
Ion beam
Resist
Resist
a) Mechanical scanning with no tilt
b) Electrostatic scanning with normal tilt
4. 硅片充电
C
B A
p– epitaxial layer
D
G
H
p+ p++
Process Step
p+ silicon substrate
Dopant
B B P B P P B B As As BF2 BF2 Si P or B P or B
Method
Diffusion Diffusion Ion Implant 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
– 能量损失(P.106~107)
– 注入离子的分布N（x）（无电子散射） 注入剂量0（atom/cm-2），射程：Rp 标准偏差Rp
Scanning disk with wafers
Sampling slit in disk
Ion beam
Suppressor aperture Faraday cup
Current integrator
Scanning direction
– 对于无定型材料， –1 exp R 2 2 R p p
为高斯分布
2 MiMt R p R p 3 Mi Mt
二次电子(20eV)
不能有高能电子!
Figure 17.23
Adapted from Eaton NV10 ion implanter, circa 1983
+ +Ion - electron recombination
Plasma Flood to Control Wafer Charging
高能
+ S Argon gas inlet
离子注入工艺流程
离子注入设计 Trim分布、掩蔽膜设计、离子源
掩蔽膜的形成
氧化膜、Si3N4膜、光刻和光刻胶
离子注入
衬底温度、能量、注量
退火
温度、时间（多步快速热退火）
测试
激活率、残留缺陷、注入层寿命、 注入离子再分布（方块电阻、结 深）、I-V和C-V特性
– 4.5.离子注入工艺的应用 1。掺杂（P。115）