工艺技术_半导体制造工艺之离子注入原理课件

1 有关扩散方面的主要内容 费克第二定律的运用和特殊解特征扩散长度的物理含义非本征扩散常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用常用扩散掺杂方法常用扩散掺杂层的质量测量 Distributionaccordingtoerrorfunction DistributionaccordingtoGaussianfunction 2 实际工艺中二步扩散 第一步为恒定表面浓度的扩散 Pre deposition 称为预沉积或预扩散 控制掺入的杂质总量 第二步为有限源的扩散 Drive in 往往同时氧化 称为主扩散或再分布 控制扩散深度和表面浓度 3 什么是离子注入离化后的原子在强电场的加速作用下 注射进入靶材料的表层 以改变这种材料表层的物理或化学性质 离子注入的基本过程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 以改变这种材料表层的物理或化学性质 4 离子注入特点 可通过精确控制掺杂剂量 1011 1018cm 2 和能量 1 400keV 来达到各种杂质浓度分布与注入浓度平面上杂质掺杂分布非常均匀 1 variationacrossan8 wafer 表面浓度不受固溶度限制 可做到浅结低浓度或深结高浓度注入元素可以非常纯 杂质单一性可用多种材料作掩膜 如金属 光刻胶 介质 可防止玷污 自由度大离子注入属于低温过程 因此可以用光刻胶作为掩膜 避免了高温过程引起的热扩散横向效应比气固相扩散小得多 有利于器件尺寸的缩小会产生缺陷 甚至非晶化 必须经高温退火加以改进设备相对复杂 相对昂贵 尤其是超低能量离子注入机 有不安全因素 如高压 有毒气体 5 BF3 B B BF2 F BF BF B10B11 6 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 b 离子源 IonSource 灯丝 filament 发出的自由电子在电磁场作用下 获得足够的能量后撞击源分子或原子 使它们电离成离子 再经吸极吸出 由初聚焦系统聚成离子束 射向磁分析器 气体源 BF3 AsH3 PH3 Ar GeH4 O2 N2 离子源 B As Ga Ge Sb P 7 离子注入过程是一个非平衡过程 高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞 逐步损失能量 最后停下来 停下来的位置是随机的 大部分不在晶格上 因而没有电活性 8 注入离子如何在体内静止 LSS理论 对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究 1963年 Lindhard ScharffandSchiott首先确立了注入离子在靶内分布理论 简称LSS理论 该理论认为 注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程 1 核阻止 nuclearstopping 2 电子阻止 electronicstopping 总能量损失为两者的和 9 核阻止本领与电子阻止本领 LSS理论 阻止本领 stoppingpower 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和电子阻止所损失的能量 Sn E Se E 核阻止本领 来自靶原子核的阻止 经典两体碰撞理论 电子阻止本领 来自靶内自由电子和束缚电子的阻止 10 dE dx 能量随距离损失的平均速率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 截面 eVcm2 Se E 电子阻止本领 截面 eVcm2 N 靶原子密度 5 1022cm 3forSi LSS理论 能量E的函数 能量为E的入射粒子在密度为N的靶内走过x距离后损失的能量 11 核阻止本领 注入离子与靶内原子核之间两体碰撞两粒子之间的相互作用力是电荷作用 摘自J F Gibbons Proc IEEE Vol 56 3 March 1968 p 295 核阻止能力的一阶近似为 例如 磷离子Z1 15 m1 31注入硅Z2 14 m2 28 计算可得 Sn 550keV mm2 m 质量 Z 原子序数下标1 离子 下标2 靶 对心碰撞 最大能量转移 12 13 电子阻止本领 把固体中的电子看成自由电子气 电子的阻止就类似于粘滞气体的阻力 一阶近似 电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正比 非局部电子阻止 局部电子阻止 不改变入射离子运动方向 电荷 动量交换导致入射离子运动方向的改变 核间作用 14 总阻止本领 Totalstoppingpower 核阻止本领在低能量下起主要作用 注入分布的尾端 电子阻止本领在高能量下起主要作用 15 离子E2B17keVP150keVAs Sb 500keV 16 17 R 射程 range 离子在靶内的总路线长度Rp 投影射程 projectedrange R在入射方向上的投影 Rp 标准偏差 Straggling 投影射程的平均偏差 R 横向标准偏差 Traversestraggling 垂直于入射方向平面上的标准偏差 射程分布 平均投影射程Rp 标准偏差 Rp 横向标准偏差 R 非晶靶中注入离子的浓度分布 18 注入离子的二维分布图 19 投影射程Rp 20 注入离子的浓度分布 在忽略横向离散效应和一级近似下 注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式 200keV注入 元素原子质量Sb122As74P31B11 Cp 21 Q 为离子注入剂量 Dose 单位为ions cm2 可以从测量积分束流得到 由 可以得到 22 Q可以精确控制 A为注入面积 I为硅片背面搜集到的束流 FaradyCup t为积分时间 q为离子所带的电荷 例如 当A 20 20cm2 I 0 1mA时 而对于一般NMOS的VT调节的剂量为 B 1 5 1012cm 2注入时间为 30分钟 对比一下 如果采用预淀积扩散 1000 C 表面浓度为固溶度1020cm 3时 D 10 14cm2 s 每秒剂量达1013 cm2 I 0 01mA mA 23 常用注入离子在不同注入能量下的特性 平均投影射程Rp 标准偏差 Rp 24 已知注入离子的能量和剂量 估算注入离子在靶中的浓度和结深问题 140keV的B 离子注入到直径为150mm的硅靶中 注入剂量Q 5 1014 cm2 衬底浓度2 1016 cm3 1 试估算注入离子的投影射程 投影射程标准偏差 峰值浓度 结深2 如注入时间为1分钟 估算所需束流 25 解 1 从查图或查表得Rp 4289 0 43mm Rp 855 0 086mm峰值浓度Cp 0 4Q Rp 0 4 5 1014 0 086 10 4 2 34 1019cm 3衬底浓度CB 2 1016cm 3 xj 0 734mm2 注入的总离子数Q 掺杂剂量 硅片面积 5 1014 15 2 2 8 8 1016离子数I qQ t 1 6 10 19C 8 8 1016 60sec 0 23mA 26 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当轻离子硼 B 注入到硅中 会有较多的硼离子受到大角度的散射 背散射 会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积 重离子散射得更深 27 横向效应 横向效应指的是注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况 横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度 R m 28 35keVAs注入 120keVAs注入 29 注入掩蔽层 掩蔽层应该多厚 如果要求掩膜层能完全阻挡离子 xm为恰好能够完全阻挡离子的掩膜厚度Rp 为离子在掩蔽层中的平均射程 DRp 为离子在掩蔽层中的射程标准偏差 30 解出所需的掩膜层厚度 穿过掩膜层的剂量 余误差函数 31 离子注入退火后的杂质分布 Dt D0t0 Dt 一个高斯分布在退火后仍然是高斯分布 其标准偏差和峰值浓度发生改变 32 离子注入的沟道效应 沟道效应 Channelingeffect 当离子沿晶轴方向注入时 大部分离子将沿沟道运动 几乎不会受到原子核的散射 方向基本不变 可以走得很远 33 110 111 100 倾斜旋转硅片后的无序方向 34 浓度分布由于沟道效应的存在 在晶体中注入将偏离LSS理论在非晶体中的高斯分布 浓度分布中出现一个相当长的 尾巴 产生非晶化的剂量 沿的沟道效应 35 表面非晶层对于沟道效应的作用 BoronimplantintoSiO2 BoronimplantintoSi 36 减少沟道效应的措施 对大的离子 沿沟道轴向 110 偏离7 10o用Si Ge F Ar等离子注入使表面预非晶化 形成非晶层 Pre amorphization 增加注入剂量 晶格损失增加 非晶层形成 沟道离子减少 表面用SiO2层掩膜 37 典型离子注入参数 离子 P As Sb B In O剂量 1011 1018cm 2能量 1 400keV可重复性