集成電路工藝之離子注入

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1、Chap4離子注入核碰撞和電子碰撞注入離子在無(wú)定形靶中的分布注入損傷熱退火離子注入離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底硅的過(guò)程，注入能量介于1KeV到1MeV之間，注入深度平均可達(dá)10nm～10um。離子劑量變動(dòng)范圍，從用于閾值電壓調(diào)整的1012/cm2到形成絕緣埋層的1018/cm2。相對(duì)于擴(kuò)散，它能更準(zhǔn)確地控制雜質(zhì)摻雜、可重復(fù)性和較低的工藝溫度。離子注入已成為VLSI制程上最主要的摻雜技術(shù)。一般CMOS制程，大約需要6~12個(gè)或更多的離子注入步驟。離子注入應(yīng)用隔離工序中防止寄生溝道用的溝

2、道截?cái)嗾{(diào)整閾值電壓用的溝道摻雜CMOS阱的形成淺結(jié)的制備在特征尺寸日益減小的今日，離子注入已經(jīng)成為一種主流技術(shù)。使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，分出中性粒子流中性束路徑類似電視機(jī)，讓束流上下來(lái)回的對(duì)圓片掃描離子注入系統(tǒng)的原理示意圖離子源是產(chǎn)生離子的部件。將被注入物質(zhì)的氣體注入離子源，在其中被電離形成正離子，經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)，聚成離子束，射向磁分析器。吸極是一種直接引出離子束的方法，即用一負(fù)電壓（幾伏到幾十千伏）把正離子吸出來(lái)。產(chǎn)生離子的方法有很多，目前常用的利用氣體放電產(chǎn)生等離子體。離子注入系統(tǒng)原理-離子源從

3、離子源吸出的離子束中，包括多種離子。如對(duì)BCl3氣體源，一般包括H+、B+、Cl+、O+、C+等。在磁分析器中，利用不同荷質(zhì)比的離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，可以將離子分離，并選出所需要的一種雜質(zhì)離子。被選離子通過(guò)可變狹縫，進(jìn)入加速管。離子注入系統(tǒng)原理-磁分析器離子源通過(guò)加熱分解氣體源如BF3或AsH3成為帶正電離子（B＋或As＋）。加上約40KeV左右的負(fù)電壓，引導(dǎo)這些帶正電離子移出離子源腔體并進(jìn)入磁分析器。選擇磁分析器的磁場(chǎng)，使只有質(zhì)量/電荷比符合要求的離子得以穿過(guò)而不被過(guò)濾掉。被選出來(lái)的離子接著進(jìn)

4、入加速管，在管內(nèi)它們被電場(chǎng)加速到高能狀態(tài)。離子注入系統(tǒng)原理被摻雜的材料稱為靶。由加速管出來(lái)的離子先由靜電聚焦透鏡進(jìn)行聚焦，再進(jìn)行x、y兩個(gè)方向的掃描，然后通過(guò)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)注入到靶上。掃描目的：把離子均勻注入到靶上。偏轉(zhuǎn)目的：使束流傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的中性離子不能到達(dá)靶上。注入機(jī)內(nèi)的壓力維持低于10－4Pa以下，以使氣體分子散射降至最低。離子注入系統(tǒng)原理離子注入的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：注入的離子純度高可以精確控制摻雜原子數(shù)目，同一平面的摻雜均勻性得到保證，電學(xué)性能得到保證。溫度低：小于400℃。低溫注入，避免高溫?cái)U(kuò)散所引

5、起的熱缺陷；擴(kuò)散掩膜能夠有更多的選擇摻雜深度和摻雜濃度可控，得到不同的雜質(zhì)分布形式非平衡過(guò)程，雜質(zhì)含量不受固溶度限制橫向擴(kuò)散效應(yīng)比熱擴(kuò)散小得多離子通過(guò)硅表面的薄膜注入，防止污染?？梢詫?duì)化合物半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜離子注入的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：產(chǎn)生的晶格損傷不易消除很難進(jìn)行很深或很淺的結(jié)的注入高劑量注入時(shí)產(chǎn)率低設(shè)備價(jià)格昂貴（約200萬(wàn)美金）4.1核碰撞和電子碰撞高能離子進(jìn)入靶后，不斷與靶中原子核和電子發(fā)生碰撞，在碰撞時(shí)，注入離子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)并損失能量，因此具有一定初始能量的離子注射進(jìn)靶中后，將走過(guò)一個(gè)非常曲折的道

6、路，最后在靶中某一點(diǎn)停止下來(lái)核碰撞和電子碰撞注入離子在靶內(nèi)能量損失方式核碰撞(注入離子與靶內(nèi)原子核間的碰撞）質(zhì)量為同一數(shù)量級(jí)，故碰撞后注入離子會(huì)發(fā)生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而獲得能量，如果獲得的能量大于原子束縛能，就會(huì)離開原來(lái)所在晶格位置，進(jìn)入晶格間隙，并留下一個(gè)空位，形成缺陷。核碰撞和電子碰撞注入離子在靶內(nèi)能量損失方式電子碰撞(注入離子與靶原子周圍電子云的碰撞）能瞬時(shí)形成電子-空穴對(duì)兩者質(zhì)量相差大，碰撞后注入離子的能量損失很小，散射角度也小，雖然經(jīng)過(guò)多次散射，注入離子運(yùn)動(dòng)方向基本

7、不變。電子則被激發(fā)至更高的能級(jí)（激發(fā)）或脫離原子（電離）。核碰撞和電子碰撞核阻止本領(lǐng)說(shuō)明注入離子在靶內(nèi)能量損失的具體情況，一個(gè)注入離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x處的能量為E，則核阻止本領(lǐng)定義為：電子阻止本領(lǐng)定義為：核碰撞和電子碰撞在單位距離上，由于核碰撞和電子碰撞，注入離子所損失的能量則為：注入離子在靶內(nèi)運(yùn)動(dòng)的總路程低能量時(shí)，核阻止本領(lǐng)隨能量的增加而線性增加，Sn(E)會(huì)在某一中等能量時(shí)達(dá)到最大值。高能量時(shí)，由于高速粒子沒有足夠的時(shí)間和靶原子進(jìn)行有效的能量交換，所以Sn(E)變小。核阻止本領(lǐng)電子阻止本領(lǐng)電

8、子阻止本領(lǐng)同注入離子的速度成正比，即與注入離子能量的平方根成正比。V為注入離子速度，Ke與注入離子和靶的原子序數(shù)、質(zhì)量有微弱關(guān)系，粗略估計(jì)時(shí)，可近似為常數(shù)核碰撞和電子碰撞不同能區(qū)的能量損失形式低能區(qū)：以核碰撞為主中能區(qū)：核碰撞、電子碰撞持平高能區(qū)：以電子碰撞為主4.2注入離子在無(wú)定形靶中的分布一個(gè)離子在停止前所經(jīng)過(guò)的總路程，稱為射程RR在入射軸方向上的投影稱為投影射程XpR在垂直入射方向的投影稱為射程橫向分量Xt平均投影射程Rp：所有入射離子的投影射程的