第4章离子注入.ppt
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1、第二篇 单项工艺1,华山风光,第四章 离子注入,主要内容,离子注入概述 4.1 理想化的离子注入系统; 4.2 注入离子与衬底原子的相互作用; 3 垂直投影射程及标准偏差; 4.4 注入损伤及退火恢复; 4.5 离子注入浅结的形成; 4.6 离子注入的工艺问题 4.7 埋层介质; 4.8 问题和关注点-沾污和均匀性; 4.9 理论模拟。,目的:掺杂(1954年,Shockley 提出); 应用:COMS工艺的阱,源、漏,调整VT的 沟道掺杂,防止寄生沟道的沟道隔断, 特别是浅结。 定义:离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。将杂质电离成离子并聚焦成离子束,在电场中加速而获得极高的动能后,注入
2、到硅中(称为 “靶” )而实现掺杂。,离子注入,离子注入概述, 最先被采用的半导体掺杂技术 是早期集成电路制造中最重要的技术之一,高温炉通称为“扩散炉”。 需在高温炉中进行 需使用二氧化硅作掩膜 无法独立控制结深和浓度 各向同性 杂质剂量控制精度较差。 自1970年中期开始离子注入技术被广泛采用。扩散技术目前主要应用于杂质的推进,以及用于形成超浅结(仍处于研发中)。,扩散掺杂,离子注入概述,离子注入掺杂,发展历史: 1954年肖克莱首先提出并申请了专利。1955年英国人W. D. Gussins 用硼离子轰击Ge晶片,在n型材料上形成p型层,但当时对p-n结形成机理不很清楚,所以这一新技术没有
3、得到人们重视。 随着原子能技术的发展,对于离子束对物质轰击效果的研究,强离子束设备的出现,为离子注入的发展奠定了基础。,离子注入掺杂发展,同时,半导体器件工艺需要进一步提高,寻求一种新的掺杂方法,于是在六十年代,离子注入技术又重新兴起。 1961年第一个实用的离子注入器件问世; 1963年在Si中注入高浓度铯离子形成p-n; 1968年离子注入变容二极管,及MOS晶体管; 1973年第一台商用离子注入机问世; 1973年以后,更深入的了解和更广泛的应用; 1980年后,大多数工艺技术已经全部采用离子 注入;目前离子注入技术已成为特大规模集成电路制作中不可缺少的掺杂工艺。,什么是离子注入?,离子
4、束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面,这个现象叫做溅射;而当离子束射到固体材料时,从固体材料表面弹了回来,或者穿出固体材料而去,这些现象叫做散射;另外有一种现象是,离子束射到固体材料以后,离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用,入射离子逐渐损失能量,最后停留在材料中,并引起材料表面成分、结构和性能发生变化,这一现象就叫做离子注入。 离子注入可分为半导体离子注入(掺杂)、材料改性注入(金属离子注入)和新材料合成注入。,9,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); 退火激活杂质。,离子注入基本过程,离
5、子注入工艺的特点,低温工艺 注入剂量可精确控制 注入深度可控 4.不受固溶度限制 5.半导体掺杂注入需要退火以激活杂质和消除损伤 6.材料改性注入可不退火引入亚稳态获得特殊性能 7.无公害技术 8.可完成各种复合掺杂,11,离子注入技术优点,离子注入技术主要有以下几方面的优点: (1)注入的离子是通过质量分析器选取出来的,被选取的离子纯度高,能量单一,从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响即掺杂纯度高。 (2)注入剂量在1011一1017离子cm2的较宽范围内,同一平面内的杂质均匀度可保证在1的精度。大面积均匀掺杂 (3)离子注入温度低,衬底一般是保持在室温或低于400。因此,像二氧化硅、氮化
6、硅、光刻胶,铝等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。对器件制造中的自对准掩蔽技术给予更大的灵活性,这是热扩散方法根本做不到的。,12,离子注入技术优点,(4)离子注入深度是随离子能量的增加而增加。 可精确控制掺杂浓度和深度 (5)根据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或P型杂质进行掺杂。能容易地掺入多种杂质 (6)离子注入时的衬底温度较低(小于600 ),这样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷。同时横向效应比热扩散小得多。 (7)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。 (8) 可实现化合物半导体掺杂。(化合物半导体高温处理时组分会发生变化,采用离子注入可使之不分解),13,离子注入
7、技术缺点,会产生缺陷,甚至非晶化,必须经高温退火加以改进; 很浅和很深的注入分布无法实现。(沟道效应,要有一个角度注入) 高剂量注入时,离子注入的产率受限制(尤其是与同时运行200片硅片的扩散工艺相比)。 设备相对复杂、相对昂贵(尤其是超低能量离子注入机)(一台最新系统超过2百万美金) 有不安全因素,如高压、有毒气体,离子注入的应用,1.P阱或N阱注入 1E12 atom/cm2 2.阈值调整注入 1E11 atom/cm2 3.场注入 1E12 atom/cm2 4.源漏注入 1E15 atom/cm2 5.隔离注入 1E15 atom/cm2 6.基区注入 1E12 atom/cm2 7.
8、发射、收集区注入 1E15 atom/cm2 8.智能剥离氢注入 1E16 atom/cm2 9.材料改性注入 1E16 atom/cm2 10. SOI埋层注入 1E17-1E18 atom/cm2,15,基个概念:,(1)靶:被掺杂的材料。 (2)一束离子轰击靶时,其中一部分离子在靶面就被反射,不能进入靶内,称这部分离子为散射离子,进入靶内的离子成为注入离子。,16,离子注入掺杂分为 两个步骤: -离子注入 -退火再分布。,17,离子注入,在离子注入中,电离的杂质离子经静电场加速打到晶圆表面。在掺杂窗口处,杂质离子被注入裸露的半导体本体,在其它部位杂质离子则被半导体上面的保护层屏蔽。 通过
9、测量离子电流可严格控制剂量。 通过控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度。,18,退火处理,通常,离子注入的深度较浅且浓度较大,必须使它们重新分布。同时由于高能粒子的撞击,导致硅结构的晶格发生损伤。,为恢复晶格损伤,在离子注入后要进行退火处理。在退火的同时,掺入的杂质同时向半导体体内进行再分布。,离子束的性质 离子束是一种带电原子或带电分子的束状流,能被电场或磁场偏转,能在电场中被加速而获得很高的动能。 离子束的用途 掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的离子能量 E , E 50 KeV ,注入掺杂,离子束加工方式 1、掩模方式(投影方式) 2、聚焦方式(
10、扫描方式,或聚焦离子束 (FIB) 方式),掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入,同时象扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的掩蔽膜只能是 SiO2 膜 ,而离子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜 ,也可以是光刻胶等其他薄膜。 掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是生产效率高,设备相对简单,控制容易,所以应用比较早,工艺比较成熟。缺点是 需要制作掩蔽膜。,离子注入,聚焦方式的优点是不需掩模,图形形成灵活。缺点是 生产效率低,设备复杂,控制复杂。聚焦方式的关键技术是 1、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源; 2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。,4.
11、1 理想化的离子注入系统,离子源:在起弧室内产生等离子体,用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。 质量分析器:不同的离子具有不同的质量与电荷,因而在质量分析器磁场中偏转的角度不同,由此可分离出所需的杂质离子,且离子束很纯。 加速器:为高压静电场,用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。 中性束偏移器:利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。 聚焦系统:将离子聚集成直径为数毫米的离子束。 偏转扫描系统:使离子束沿 x、y 方向扫描。 工作室(靶室):放置样品的地方,其位置可调。,先加速后分析注入机结构示意,离子源,离子加速,质量分析器,束扫
12、描,批加工多级 热靶转换器,先分析后加速注入机结构示意,离子束系统,扫描系统,电荷中和系统,末端分析器,从离子源引出的离子经过磁分析器选择出需要的离子,分析后的离子加速以提高离子的能量,再经过两维偏转扫描器使离子束均匀的注入到材料表面,用电荷积分仪可精确的测量注入离子的数量,调节注入离子的能量可精确的控制离子的注入深度。,26,一、 离子源 源 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。,离子注入系统的组成,27,注入材料形态选择,28,离子源(Ion Source) 用来产生离子
13、的装置。原理是利用灯丝(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,离子源 作用:产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。 分类:按产生离子的物质不同: 等离子体型离子源、液态金属离子源。,掩模方式需要大面积平行离子束源,故一般采用等离子体型离子源,其典型的有效源尺寸为 100 m ,亮度为 10 100 A/cm2.sr。 聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源,当液态金属离子源(LMIS)出现后才得以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为 5 500 nm,亮度为 106 107 A/cm2
14、.sr 。,1、等离子体型源,这里的 等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一,其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同,正、负电荷数相等,宏观上仍为电中性,但其电学特性却发生了很大变化,成为一种电导率很高的流体。,产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使用的等离子体型离子源,主要是由电场加速方式产生的,如直流放电式、射频放电式等。,2、液态金属离子源(LMIS),LMIS 是近几年发展起来的一种 高亮度小束斑 的离子源,其离子束经离子光学系统聚焦后,可形成 纳米量级 的小束斑离子束,从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离子
15、注入、离子束曝光、离子束刻蚀等。,LMIS 的类型、结构和发射机理,针形,V 形,螺旋形,同轴形,毛细管形,液态金属,钨针,类型,对液态金属的要求 (1) 与容器及钨针不发生任何反应; (2) 能与钨针充分均匀地浸润; (3) 具有低熔点低蒸汽压,以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发。 能满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少数几种,其中 Ga 是最常用的一种。,E1 是主高压,即离子束的加速电压;E2 是针尖与引出极之间的电压,用以调节针尖表面上液态金属的形状,并将离子引出;E3 是加热器电源。,E1,E2,E3,针尖的曲率半径为 ro = 1 5 m,改变 E2 可
16、以调节针尖与引出极之间的电场,使液态金属在针尖处形成一个圆锥,此圆锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级,这就是 LMIS 能产生小束斑离子束的关键。,引出极,当 E2 增大到使电场超过液态金属的场蒸发值( Ga 的场蒸发值为 15.2V/nm)时,液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离,发射金属离子与电子。其中电子被引出极排斥,而金属离子则被引出极拉出,形成离子束。 若改变 E2 的极性 ,则可排斥离子而拉出电子,使这种源改变成电子束源。,E1,E2,E3,引出极,共晶合金 LMIS 通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体 LMIS 。,根据冶金学原理
17、,由两种或多种金属组成的合金,其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点,从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。,例如,金和硅的熔点分别为 1063 oC 和 1404 oC,它们在此温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和 10-1 Torr。当以适当组分组成合金时,其熔点降为 370 oC ,在此温度下,金和硅的蒸汽压分别仅为 10-19 Torr 和 10-22 Torr。这就满足了 LMIS 的要求。 对所引出的离子再进行 质量分析,就可获得所需的离子。,MEVVA源(金属蒸汽真空弧离子源),上世纪80年代中期,美国加州大学伯克利分校布朗博士由于核物理研究的需要发明。这种新
18、型强流金属离子源问世后很快就被应用于非半导体材料离子注入表面改性,并引起了强流金属离子注入的一场革命。 MEVVA源离子注入机的突出优点有以下几点: (1)对元素周期表上的固体金属元素(含碳)都能产生10毫安量级的强束流; (2)离子纯度取决于阴极材料的纯度,因此可以达到很高的纯度,同时可以省去昂贵而复杂的质量分析器; (3)金属离子一般有几个电荷态,用较低的引出电压得到较高的离子能量,用一个引出电压可实现几种能量的叠加(离子)注入; (4)束流是发散的,可以省去束流约束与扫描系统而达到大的注入面积。其革命性主要表现在两个方面,一是它的高性能,二是使离子注入机的结构,大束流离子源(160XP)
19、,中束流离子源(CF-3000),Varian 注入机离子源,Eaton注入机 离子源,大束流离子源(8-10mA),中束流离子源(NV-6200),41,二、质量分析器(磁分析器magnet analyzer) 利用不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的不同将离子分离,选出所需的杂质离子。被选离子束通过可变狭缝,进入加速管。,42,分析磁体,43,磁分析器的原理是利用磁场中运动的带电 粒子所受洛仑兹力的偏转作用。在带电粒 子速度垂直于均匀磁场的情况下,洛仑兹力 可用下式表示 这里v是离子速度,q是离子电荷,M是离子质量, B是磁场强度,r是离子圆周运动的半径,(4-1),44,这里Vext是吸极
20、电压。,(4-2),从等式(4-1)和(4-2)可以得到,(4-3),可见,偏转半径r与B成反比,与m成正比。对固定的离子注入机,分析器半径r和吸出电压固定,调节B的大小(励磁电流)即可分析出不同荷质比的离子。,注意: 同一荷质比的离子有相同的偏转半径,磁分析器无法作出区分。要求源气有很高的纯度,尽量避免相同荷质比离子出现。如:N2+ 和Si+,N+ 和Si+ ,H2+ 和He+等。,磁分析器的分辨率,影响分辨率的还有: 吸出前源内离子的能量分散 对几keV的吸出电压,10eV左右的分散度可以忽略。 2.分析腔的出口宽度 分析腔的出口宽度实际上改变了出射离子的半径,从而改变了荷质比。,对质量为
21、m的离子,偏转半径为R,当质量为m+m的离子,进入磁分析器后,离子束将产生的位移距离为:,当D大于束的宽度加上出口狭缝的宽度,就称两种质量离子能分。通常采用 =90磁铁,R在1m左右。R大、m小时分辨率高。,47,三、加速管(Acceleration tube) 经过质量分析器出来的离子束,还要经过加速运动,才能打到硅片内部去。 离子经过加速电极后,在静电场作用下加速到所需的能量。,48,高能注入机的线形加速器,Figure 17.17,49,四、聚焦和扫描系统 (deflection and scanning ) 离子束离开加速管后进入控制区,先由静电聚焦透镜使其聚焦。再进行x-y两个方向扫
22、描,然后进入偏转系统,束流被偏转注到靶上。,扫描是为了保证注入均匀性,50,扫描系统,工艺腔 包括真空排气系统,装卸硅片的终端台,硅片传输系统和计算机控制系统。,离子束的加速和扫描,对先加速后分析系统,由于待分析离子的能量高,要求分析器有很大的半径。通常采用先分析后加速结构。加速系统使离子获得需要的注入能量。 为了获得均匀的掺杂,常把注入束聚焦,并扫描,中、小束流离子注入机X和Y方向都采用电扫描,大束流注入机则采用混合扫描。大束流材料改性离子注入机采用无分析系统,吸出离子束不聚焦,面积很大(直径在150mm-200mm),没有扫描和偏转系统,采用靶台转动来提高均匀性。对全方位离子注入机,样品的
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