离子注入法介绍

3、核阻滞理论(射程理论，LSS 理论) 核阻滞理论 射程理论， 理论( 理论) 理论
（1）离子投影射程 由下式决定
注 意： Rp与∆Rp可由LSS表 可由LSS表 查出 Rp与入射离子质量和能量有关； 与入射离子质量 能量有关 质量和 有关； ∆Rp与入射离子与靶原子质量比有关 与入射离子与靶原子质量比 质量比有关
在轻离子、 在轻离子、高能量注入条 件下占主导
■
核阻滞
当能量较低时，E ↑，Sn ↑ ； 能量较低时 当能量较高时，E ↑，Sn ↓； 能量较高时
Sn在某能量处有最大值。 Sn在某能量处有最大值。 在某能量处有最大值 在重离子、低能量注入条 重离子、低能量注入条 件下占主导
图5.8 常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系 常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系
4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布 根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（3）假设衬底为反型杂质，且浓度为NB，计算PN结结深 假设衬底为反型杂质 且浓度为N 计算PN结 反型杂质，
由N(xj)=NB 可得到结深计算公式： 可得到结深计算公式：
4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布 根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
图5.5 两种注入机扫描系统
（5）离子注入工艺控制参数 离子注入工艺控制参数
■ ■ ■ ■ ■
杂质离子种类：P+，As+，B+， P++，B++， 杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P++，B++，… 注入能量(单位：Kev) 注入能量(单位：Kev) —— 决定杂质分布深度和形状 决定杂质分布深度 深度和 注入剂量(单位：原子数/cm 注入剂量(单位：原子数/cm2) —— 决定杂质浓度 决定杂质浓度 束流(单位：mA或uA) 束流(单位：mA或uA) —— 决定扫描时间 决定扫描时间 注入扫描时间(单位： 注入扫描时间(单位：秒) —— 决定注入机产能 决定注入机产能
剂量约 剂量约1011～1016/cm2。
（二）MOSFET工艺中的离子注入 MOSFET工艺中的离子注入
二、离子注入工艺设备及其原理 离子注入工艺设备及其原理 工艺设备及其
1、离子注入技术的三大基本要素： 离子注入技术的三大基本要素 三大基本要素：
(1) 离子的产生 离子的产生 (2) 离子的加速 离子的加速 (3) 离子的控制 离子的控制
（4）根据分布公式，计算不同深度位置的杂质浓度 根据分布公式，
5、实际杂质分布偏差描述的改善
■
对于低浓度区的偏差，采用高斯分布的高次矩描述： 对于低浓度区的偏差，采用高斯分布的高次矩描述： 低浓度区的偏差
■
对于硼的分布 采用Pearson 对于硼的分布，采用Pearson 硼的分布， IV分布描述。 IV分布描述。 分布描述
（2）已知离子注入时的注入束流I，靶面积A，注入时间t 已知离子注入时的注入束流 靶面积A 注入时间t 束流I 求解第2 求解第2步 求解第3 求解第3步 求解第4 求解第4步 计算离子注入剂量 计算离子注入剂量： 剂量： 计算杂质最大浓度： 计算杂质最大浓度： 写出杂质浓度分布公式： 写出杂质浓度分布公式：
■
4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布 根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（1）已知杂质种类(P，B，As)，离子注入能量(Kev)，靶材 已知杂质种类 ， 杂质种类(P As)，离子注入能量(Kev)， (Si， (Si，SiO2，Si3N4等) 求解第1 求解第1步 查LSS表可得到Rp和△Rp LSS表可得到Rp和
1、射程的概念 射程的概念
■
高能离子进入靶材料后，与靶原子核及其电子碰撞， 高能离子进入靶材料后，与靶原子核及其电子碰撞，损失 进入靶材料后 能量，发生散射 最后停止下来。 散射， 能量，发生散射，最后停止下来。
■ ■
离子在靶中的行进路线及其停止位置 随机的。 离子在靶中的行进路线及其停止位置是随机的。 行进路线及其停止位置是 射程R 射程R：离子在靶中行 进的总距离 进的总距离
■
决定引出离子的能量(速度) 决定引出离子的能量(速度)
（2）质量分析器： 质量分析器：
■
选择注入所需的杂质成分(B+) 选择注入所需的杂质成分(B+)
分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的速度方向 方向垂直于离子束的速度方向 分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的
离子运动路径： 离子运动路径：
离子运动速率： 离子运动速率： 质量m+δ 的离子产生的位移量 质量m+δm的离子产生的位移量
■
电子碰撞：入射离子与核外电子碰撞，因质量相差很大，因 核外电子碰撞 电子碰撞：入射离子与核外电子碰撞，因质量相差很大， 此每次碰撞离子损失很少能量 此每次碰撞离子损失很少能量(Se)，且都是小角 损失很少能量(S 且都是小角 度散射。 度散射。
■
入射离子能量损失： 入射离子能量损失：
■
电子阻滞 ．
一、概述
（一）介绍
■ 离子注入工艺是IC制造中占主导的掺杂技术 离子注入工艺是IC制造中占主导的 制造中占主导的掺杂技术 ■ 离子注入：将杂质离化，通过电场加速，将这些离化 离子注入：将杂质离化 通过电场加速 离化， 电场加速，
的杂质直接打入硅片中，达到掺杂的目的 杂质直接打入硅片中，
■ 一般CMOS工艺流程需6～12次离子注入 一般CMOS工艺流程需 工艺流程需6 12次 ■ 典型的离子注入工艺参数：能量约5～200keV， 典型的离子注入工艺参数：能量约 200keV，
■ 临界角
图5.12 典型杂质在硅中 的临界角 上：<111>衬底 <111>衬底 下：<100>衬底 <100>衬底
■ 解决沟道效应的方法
（1）偏轴注入：一般选取5°～7°倾角，入射能量越小，所需 偏轴注入：一般选取5 倾角，入射能量越小， 倾角越大 （2）衬底非晶化预处理：进行一次高剂量Ar+注入，使硅表面 衬底非晶化预处理：进行一次高剂量Ar+注入 注入， 非晶化 （3）非晶层散射：表面生长200～250Å二氧化硅(Screen Oxide) ， 非晶层散射：表面生长200～250Å二氧化硅(Screen 使入射离子进入硅晶体前方向无序化 （4）注入杂质的自非晶化效应：重杂质(As)，高剂量注入 注入杂质的自非晶化效应 重杂质(As)， 自非晶化效应：
平行于主晶轴时 1、沟道效应：在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时， 沟道效应： 单晶靶中 当离子速度方向平行于主晶轴 有部分离子可能会行进很长距离 造成较深的杂质分布。 有部分离子可能会行进很长距离，造成较深的杂质分布。 很长距离，
当离子速度方向与晶轴方向夹角远大于临界角 远大于临界角时 ■ 当离子速度方向与晶轴方向夹角远大于临界角时， 沟道效应很小。 沟道效应很小。
■
垂直投影射程R 垂直投影射程Rp：离 子射程在靶深度轴上 的投影距离
■
垂直投影射程偏差△Rp： 垂直投影射程偏差△ Rp的标准偏差 Rp的标准偏差
2、入射离子能量损失机制 入射离子能量损失机制
■
核碰撞：入射离子与靶原子核碰撞， 靶原子核碰撞 核碰撞：入射离子与靶原子核碰撞，因二者质量为同一数 量级，因此一次碰撞可使离子损失较多能量(Sn)， 损失较多能量(S 量级，因此一次碰撞可使离子损失较多能量 且可能发生大角度散射。有时还引发连续碰撞。 且可能发生大角度散射。有时还引发连续碰撞。
（2）入射离子的分布 入射离子的分布
■
对于无定形靶 离子浓度沿深度方向分布的一阶近似关系： 对于无定形靶，离子浓度沿深度方向分布的一阶近似关系： 无定形靶，
式中，φ是注入离子剂量(/cm2) 式中， 是注入离子剂量(/cm
■
深度为R 时的离子浓度为最大值： 深度为Rp时的离子浓度为最大值： 离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量： 离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量：
当剂量固定时，束流越大，扫描时间越短， 当剂量固定时，束流越大，扫描时间越短，机器产能越高 扫描时间太短，会影响注入的均匀性(一般最短扫描时间l0s) 扫描时间太短，会影响注入的均匀性(一般最短扫描时间l0s)
（6）杂质剂量与杂质浓度的关系 杂质剂量与杂质浓度 剂量与杂质浓度的关系
三、射程与入射离子的分布
气态源： 或固体源) 气态源： (或固体源) BF3 AsH3 PH3 SiH4 H2
■
放电室：低气压、 放电室：低气压、分解离化气体 BF3 → B，B+，BF2+，F+， B+， F+， …… 引出狭缝：负电位，吸引出离子 引出狭缝：负电位，
离子束流量(最大mA量级) 离子束流量(最大mA量级 量级) 吸极电压Vext：约15～30KV， 吸极电压V 15～30KV，
■
出口狭缝：只允许一种(m/q)的离子离开分析仪 出口狭缝：只允许一种(m/q)
（3）加速管： 加速离子，获得所需能量；高真空(<10-6 Torr) 加速管： 加速离子，获得所需能量；高真空(<10
■ ■ ■
静电透镜：离子束聚焦 静电透镜： 静电加速器： 静电加速器：调节离子能量 静电偏转系统： 静电偏转系统：滤除中性粒子
（4）终端台： 终端台：
■
控制离子束扫描和剂量
离子束扫描
静电光栅扫描：适于中低束流机 静电光栅扫描： 机械扫描：适于强束流机 机械扫描：
■
剂量控制
法拉第杯：捕获进入的电荷， 法拉第杯：捕获进入的电荷， 测量离子流 注入剂量： 注入剂量：
当一个离子的荷电态为m 当一个离子的荷电态为m时， 注入剂量为 注入剂量为：
■
用蒙特卡洛法模拟杂质分布在 蒙特卡洛法模拟杂质分布在 离子注入计算机模拟工具中十 分常见。 分常见。
(a) 标准高斯分布 (b) 峰值略向深处偏移，尾部向表面延伸 峰值略向深处偏移， (c) 峰值平坦化
不同能量硼离子注入的分布及其与标准高斯分布的差异
四、实际的入ຫໍສະໝຸດ Baidu离子分布问题
■ ■ ■
沟道效应 横向分布 复合靶注入
离子注入法介绍
离子注入(Ion 离子注入(Ion lmplantation)
■ 概述 ■ 离子注入工艺设备及其原理 ■ 射程与入射离子的分布 ■ 实际的入射离子分布问题 ■ 注入损伤与退火 ■ 离子注入工艺的优势与限制 参考资料： 参考资料： 《微电子制造科学原理与工程技术》第5章离子注入 微电子制造科学原理与工程技术》 (电子讲稿中出现的图号是该书中的图号) 电子讲稿中出现的图号是该书中的图号)
2、离子注入系统的三大组成部分： 离子注入系统的三大组成部分：
(1) 离子源——杂质离子的产生 离子源——杂质离子的 杂质离子的产生 (2) 加速管——杂质离子的加速 加速管——杂质离子的 杂质离子的加速 (3) 终端台——离子的控制 终端台——离子的 离子的控制
（1）离子源： 离子源：
■
产生杂质离子