硅集成电路工艺——离子注入PPT课件

21
-
3. 靶室（工作室）
❖ 样品架 ❖ 法拉第杯（控制注入剂量）
22
-
§4.4 注入损伤
❖ 级联碰撞： 不同能量的注入离子与靶原子发生碰撞的情况：
❖ E<Ed，不会产生移位原子，表现形式为宏观热能； ❖ Ed<E<2Ed，产生一个移位原子和一个空位； ❖ E>2Ed，被撞原子本身移位之后，还有足够高的能量
11
-
12
-
13
-
§4.3 离子注入系统
14
-
离子注入系统：
❖ 离子源（离子发生器，分析器） ❖ 加速及聚焦系统
（先分析后加速，先加速后分析，前后加速， 中间分析） ❖ 终端台（扫描器，偏束板，靶室）
15
-
16
-
磁分析器原理
BF3
B, B+, BF2+, F- ….
❖ 带电离子在磁场中运动： ❖ 洛伦兹力=向心力
18
-
终端台
1. 扫描器
❖ 靶静止，离子束X,Y向运动 ❖ 靶X向移动，离子束Y向移动 ❖ 偏束板
❖ 离子束在运动过程中可以和热电子发生电荷交换，形 成中性粒子，影响注入均匀性
❖ 加入静电偏转电极，一般5度左右，中性束不能偏转而 去除
20
-
离子束中和系统
适当时间的热处理的过程。
目的： ❖ 减少或消除硅片中的晶格损伤，恢复其少子寿
命和迁移率； ❖ 使掺入的杂质进入晶格位置，实现一定比例的
电激活
27
-
热退火过程（固相外延）
28
-
29
-
30
-
31
-
32
-
快速退火 Rapid Thermal Annealing (RTA)
❖ 普通热退火需要经过长时间的高温过程，会导致明显的杂质 再分布，还可能造成硅片翘曲变形
电子碰撞（电子阻止） ❖ 和晶格原子的电子发生碰撞 ❖ 注入离子的路径基本不发生
变化 ❖ 能量转移很小 ❖ 造成的晶格损伤很小
Sn(E)=(dE/dx)n
Se(E)=(dE/dx)e
5
-
6
-
核阻止本领和电子阻止本领曲线
❖ 能量较低，质量较大的离子，主要是通过核阻止损失能量 ❖ 能量较高，质量较小的离子，主要是通过电子阻止损失能量
晶格损伤的危害：
❖ 增加散射中心，使载流子迁移率下降 ❖ 增加缺陷中心，使非平衡少数载流子寿命减少，
pn结漏电流增大 ❖ 注入离子大多处于间隙位置，起不到施主或者受
主的作用，晶格损伤造成的破坏使之更难处于替 位位置，非晶区的形成更使得注入的杂质根本起 不到作用。
26
-
热退火的定义和目的
定义： ❖ 将注入离子的硅片在一定温度和氛围下，进行
7
-
§4.2 注入离子在无定形靶中的分布
❖ 射程、投影射程、平均投影射程
8
-
常见杂质在硅中的平均射程
9
-
沟道效应（Channeling Effect）
10
-
❖ 沟道效应的概念（见书） ❖ 沟道效应的消除方法：
❖ 使晶体的主轴方向偏离注入方向（7度左右，阴影现象） ❖ 在晶体表面覆盖介质膜，散射后改变注入离子的方向 ❖ 表面预非晶化（注入锗）
2
-
Self-alignment（自对准掺杂）
3
-
离子注入的缺点：
❖ 入射离子对衬底有损伤； ❖ 很浅和很深的结难于制得； ❖ 高剂量注入产率受限制； ❖ 设备昂贵。
4
-
§4.1 离子注入机理
LSS理论：S=Sn+Se
核碰撞（核阻止） ❖ 和晶格原子的原子核发
生碰撞 ❖ 发生明显的散射 ❖ 造成大量晶格损伤
于其他原子发生碰撞使其移位，这种不断碰撞的现象 称为“级联碰撞”。
23
-
一个离子的级联碰撞引起的晶格损伤：
24
-
注入损伤的形式
❖ 产生孤立的点缺陷或缺陷群（E=Ed) ❖ 形成非晶区域（移位原子数接近原子密度，低剂量重离子） ❖ 大剂量的注入区甚至会形成非晶层
25
-
§4.5 热退火 Thermal Annealing
Chap.4 离子注入（Ion Implantation）
1
离子注入掺杂的优、缺点
2
两种碰撞（阻止）模型
3
注入离子的分布（沟道效应）
4
离子注入系统
5
注入损伤及其消除（热退火）
1
-
离子注入的优点:
❖ 掺杂纯度高，污染小； ❖ 掺杂的均匀性和重复性好； ❖ 工作温度低，工艺灵活性大； ❖ 掺杂深度和掺杂浓度可精确独立地控制； ❖ 最大掺杂浓度不受固溶度限制； ❖ 低温工艺避免高温引起的热缺陷； ❖ 离子注入直进性，横向效应小； ❖ 掩蔽膜作为保护膜，污染小； ❖ 适合化合物掺杂； ❖ 可发展成无掩膜的离子束技术。
❖ 快速退火的目的：降低退火温度或缩短退火时间 ❖ 快速退火手段：脉冲激光；脉冲电子束；扫描电子束等
33
-
小结
❖ 离子注入相比于扩散的优缺点 ❖ 两种碰撞（阻止）模型及其适用情况 ❖ 注入离子的分布；射程和投影射程的概念；沟道效应的
原因及解决方法 ❖ 离子注入系统的主要构件及其基本原理 ❖ 注入损伤的形成及影响，级联碰撞 ❖ 热退火的定义及作用，热退火的机理 ❖ 快速热退火的优势
34
-
35
-
ZqvBv2 r
r mv m ZqB q
17
-
加速和聚焦系统
利用各种电极可以很方便地对离 子束进行加速和聚焦：
❖ 先加速，后分析：避免离子在到 达硅片之前丢失电荷，但需要大 磁场；
❖ 先分析，后加速：分析器较小， 但加速过程中电荷交换影响束流 强度和纯度；
❖ 前后加速，中间分析：调节方便， 范围宽