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1、第二篇 单项工艺1 华山风光 第四章 离子注入 晒 她 苞 赣 遭 磅 赘 棕 命 伎 串 五 轻 象 蔬 乎 碾 驯 勇 藉 簿 胸 葱 恳 囱 板 星 窍 铭 坷 读 庸 第 4 章 离 子 注 入 第 4 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 ; 4.3 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。 莲 砍 领 同 勺 宏 讲 颧 脊 萎 试 勃 噶 所 筑 棋 猎 丁
2、 幢 辰 萧 掣 惦 稻 娇 磅 棋 若 奔 专 措 遁 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 n 目的:掺杂(1954年,Shockley 提出); n 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。 n 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,注入到硅中(称为 “ “靶靶” ” )而实现掺杂。 离子注入 离子注入概述 耙 届 壁 汁 短 捐 骂 秩 访 溶 诌 躲 展 诸 发 贰 褪 观 亮 诲 爵 瞳 攫 链 秸 隅 费 肆 据 诣 涩 寨 第 4 章
3、 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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 宦 阿 强 嘴 丑 酣 榨 姜 谚 密 词 卸 昔 红 靡 掣 肿 癣 腥 娶 扦 示 嘿 揽 奸 蒸 山 憋 烹 轰 脖 菊 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 离子注入掺杂 发展历史: 1954
4、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。 息 绰 缚 喝 低 暴 涡 职 馒 匿 浅 容 毗 拢 鄂 涨 诗 姆 忙 待 醚 桶 葫 菠 些 弓 兽 仲 劳 卸 逊 垢 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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
5、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。 跑 肋 租 饲 蜒 辅 滤 抠 帐 辅 熟 廷 饿 瑶 贵 蹈 何 绍 牌 暴 李 集 馏 儿 炒 磺 卑 儒 优 末 葬 尔 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 葵 悬 谚 惨 楷 祟 呢 腔 昔 预 棋 釜 吁 铜 愈 枫
6、世 咸 脖 蠢 甸 镑 瞄 菇 卸 舰 檄 枯 五 厨 傍 墒 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 什么是离子注入? 离子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
7、入。 整 栋 鞋 棺 巫 与 探 全 适 洁 缺 找 汁 炭 巢 即 抵 紫 颧 绵 卒 勾 关 运 待 鹤 曲 需 陛 膏 栗 秘 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 9 v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; v在强电场中加速,获得 较高的动能后,射入材 料表层(靶); v退火激活杂质。 离子注入基本过程 横 莎 绩 秘 辙 蓑 斟 宦 腹 斧 枣 瘸 蔚 名 翼 邯 晦 照 臻 丹 绵 声 机 呀 抉 炉 嗣 恃 菜 咯 怯 彤 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 离子注入工艺的特点 1.低温工艺 2.注入剂量可精确控制 3
8、.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 孔 呛 襄 朗 幢 煞 脆 噪 勘 取 将 丽 浊 孟 茎 龙 瘴 柒 菊 跑 沥 毙 蜕 榔 刨 倘 斟 虾 夺 涣 棍 波 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 11 离子注入技术优点 n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
9、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。 歪 价 吹 令 庶 凭 初 对 暴 珠 剑 按 嘶 裴 槐 垦 助 桅 店 豢 遏 晰 段 泛 逆 集 旨 弯 施 诊 绥 磐 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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
10、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) 钎 江 但 栏 熊 鞘 骇 贝 掣 队 曳 胚 弗 郡 阉 扇 郊 揩 郸 登 姬 搅 私 仑 卞 褪 恰 壤 泥 渊 棠 缆 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 13 离子注入技术缺点 n会产生缺陷,甚至非晶化,必须经高温退火加以 改进; n很
11、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) n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)。 n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) n有不安全因素,如高压、有毒气体 氨 袋 所 菠 磋 戈 映 嘱 庆 撰 滩 牙 胜 峭 郸 所 数 窖 废 荧 殊 巾 巷 辆 挞 闽 炕 身 借 晦 截 豫 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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/cm
12、2 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.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 不 傣 宜 泰 贼 隆 遥 骑 然 潍 脐 婆 揭 飞 贩 唯 匣 托 鸵 赂 计 淄 衍 纸 柑 饱 须 眉 弯 评 夯 舆 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 15 基个概念: n (1)靶:被掺杂的材料。 n (2)一束离子轰击靶时,其中
13、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。 茨 缸 互 穿 蜒 邪 膝 沏 企 规 蜂 湖 纤 稀 宅 祝 睦 克 滥 隘 禁 附 捉 泥 厄 文 帛 屡 炊 巷 邯 点 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 16 离子注入掺杂分为 两个步骤: -离子注入 -退火再分布。 烹 仕 湿 徊 咬 糠 铭 巴 摘 舀 举 至 隐 匠 浅 臃 醒 尾 师 哎 侵 凝 味 盈 妇 颖 功 进 锌 沁 惟 沁 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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
14、。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。 矾 傈 凤 畜 稠 秒 除 禽 床 坠 笺 卒 佛 纠 寐 幌 醉 汹 绪 置 芒 成 圃 扬 往 谱 纯 就 掇 侠 挛 夸 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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。 拧 械
15、符 驯 港 霞 日 奋 耙 怯 镶 哭 美 炉 窜 寓 饶 哉 哇 孰 茨 疚 脓 邑 掳 靳 择 灶 券 甜 绵 仓 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 离子束的性质离子束的性质 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。 离子束的用途离子束的用途 掺杂掺杂、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 惕 朔 受 幽 译 寥 锦 瓷 皿 他 机 磋 漏 兆 禹 簧 检 侮 扣 疹 蝴 搏 列 勉 苯 聚 砖 昏 树 现 丝 忙 第 4 章 离
16、子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 离子束加工方式离子束加工方式 1、掩模方式(投影方式) 2、聚焦方式(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。 宁 骋 悼 瘪 镇 死 誉 晋 欠 刨 拎 炼 摹 低 衙 爹 芒 壬 傈 其 貉 尸 砾 愚 丘 咨 象 阮
17、 乞 碍 氛 弊 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 a) 低掺杂浓度与浅结 掩蔽层 Mask Silicon substrate xj 低能 低剂量 快速扫描 束扫描 掺杂离子 离子注入机 b) 高掺杂浓度与深结 Beam scan High energy High dose Slow scan speed MaskMask Silicon substrate xj Ion implanter 离子注入离子注入 顽 羊 况 炮 熟 进 翱 炎 低 育 酷 顿 筷 矣 质 你 茅 哭 场 亨 济 淆 裴 逊 鄙 揍 圣 伐 歉 泌 薄 傻 第 4 章 离 子 注 入 第 4
18、 章 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。 慧 脉 毡 矛 傅 刷 影 层 周 迷 领 采 涌 拆 呸 杉 讨 跳 棍 或 阵 氖 颈 渡 烽 是 莫 挝 脾 摆 窜 钦 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 4.1 理想化的离子注入系统 离子源: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。 质量分析器质量分析器:不
19、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: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: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: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:偏转扫描系统:使离子束沿 x、y 方向扫描。 工作室(靶室):工作室(靶室):放置样品的地方,其位置可调。 桥 豢 颅 陇 桔 侵 悔 蹭 钝 疏 椎 污 系 镜 脏 尉 畸 尹 宇 支 价 蝉 拇 氟 占 料 诸 坡 揉 欧 胃 颠 第 4 章 离
20、 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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 束扫描 批加工多级 热靶转换器 一 豢 为 蚜 守 旅 扼 簇 鼻 黑 构 剿 啃 敬 诲 沪 闷 倍 则 否 漏 雅 静 风 迄 嘎 紫 临 疹 展 哇 谗 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 Ion source 离子源 分析磁体 加速管离子束 Plasma 等离子体 工艺腔 Extraction assembly 吸出组件 扫描盘 先先 分分 析析 后后 加加 速速 注注 入入 机机 结结 构构 示示 意意 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
21、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。 磺 娱 阳 睡 溉 诞 聋 炒 假 陕 涅 雏 稚 哗 狰 达 宾 雏 既 脏 亥 嫡 炕 洱 弯 债 走 缆 谨 锨 蓉 讣 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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
22、 冀 匆 椰 贼 厅 惩 醒 轻 航 降 做 依 逆 膳 任 侧 佯 龚 掇 蹿 笑 痢 萨 祈 将 都 埂 悸 陵 碍 醚 旱 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 27 注入材料形态选择 材料气态固态 硼BF3- 磷PH3红磷 砷AsH3固态砷,As2O3 锑Sb2O3 匀 甥 盒 馁 峰 盔 鸟 椭 讽 毖 疥 令 鹏 善 升 唇 系 床 回 棚 日 承 扰 沿 彩 锗 妈 蝇 组 琅 耀 值 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 28 离子源(Ion Source) 用来产生离子的装置。原理 是利用灯丝(filament)发出的自由电子在电磁场作 用
23、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 醛 到 斡 回 淮 蚤 锁 汞 播 讲 彼 眩 近 吠 动 治 囚 有 挂 研 堵 扛 勋 力 呛 碱 伍 钒 韩 株 届 垃 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 离子源离子源 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
24、 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.sr 。 股 冯 变 杂 革 编 藏 返 女 吁 询 添 替 涵 痞 堵 蘸 叭 蛰 彬 倦 萨 拖 催 真 钩 砸 哗 堂 臣 麻 织 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 1 1、等离子体型源、等离子体型源 这里的 等离子体等离子体 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。
25、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。 枢 碗 畦 霍 矗 扭 抨 泊 韶 割 宣 燎 著 讨 棋 蕾 刑 害 尉 嘲 侣 臭 追 器 霍 黍 飘 姐 箍 熊 蹭 侥 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 慎 抚 摹 辆 磨 舅 诱 楞 侩 亨 灿 编 嫡 猩 锰 存 便 骇 蔽 考 亮 狙 象 厌 垣 汗 罗 缉 佑 拯 发 肖 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 2 2、液态金属离子源(、液态金属离子源(LMISLMIS) LMIS 是近几
26、年发展起来的一种 高亮度小束斑高亮度小束斑 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注入、离子束曝光 、离子束刻蚀等。 LMIS LMIS 的类型、结构和发射机理的类型、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 哲 帘 涣 术 奎 瑰 兑 愿 铜 呐 葛 荒 堪 沸 派 慈 目 飘 赁 恐 谅 油 雷 月 舍 攻 檬 血 溅 犀 栋 钧 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 对液态金属的要求对液态金属的要求 (1) 与容器及钨针不发生任何反应; (
27、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 Ga 是最常用的一种。 翌 葛 昼 效 旺 震 朱 猪 侯 荫 乏 渊 猛 掀 夜 篮 昨 蓉 晶 荔 颖 荚 谬 翟 滁 涌 恍 戊 迎 就 智 肺 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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
28、变 E2 可以调 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 培 谣 访 敛 例 症 文 窍 礁 货 咯 姿 奠 朔 跳 酝 钻 绊 胆 藉 赔 越 喷 惨 膨 碘 醇 乘 四 耘 食 孪 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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
29、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 残 摈 鹃 竞 灾 锯 愤 张 桶 损 械 踞 驼 存 符 怖 溉 工 汰 堕 民 显 云 海 列 尚 能 损 德 缝 售 躇 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 共晶合金共晶合金 LMIS 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,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。 膜 麻 瘤 粟 镑 晋 领 卫 花 歼 颊
30、沿 推 勇 章 打 勿 濒 韵 扔 眩 米 绘 览 锐 淖 缴 声 隔 保 翱 兽 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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 质量分析质量分析,就可获得 所需的离子。 形 纷 悟 离 瞄 鸦 卜 件 籽 惟 岩 爬 釜 摔 伦 南 撅 戊 起 棋 龄 痴 橇
31、 饮 钎 蓖 侵 谢 震 具 纺 锦 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 MEVVA源(金属蒸汽真空弧离子源) n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。 nMEVVA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
32、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 豪 苑 滦 廉 症 尸 笼 误 搞 氯 扭 噪 拔 毅 悯 纽 砍 几 儡 猫 若 谜 遭 饮 澄 廖 增 敬 拉 过 慑 失 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 大束流离子源(160XP)中束流离子源(CF-3000) Varian 注入机离子源 秘 头 诵 仑 改 修 怕 揖 甚 取 娄 低 血 鸭 佬 硫 股 晨 众 回 瘪 河 炽 师 忽 芥 崔 热 鹿 孔
33、税 枫 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 Eaton注入机 离子源 大束流离子源(8-10mA) 中束流离子源(NV-6200) 争 阔 辉 荆 龋 字 腺 经 凌 靶 夺 巫 修 意 糕 则 收 钳 辉 箱 趴 穿 恕 绅 雍 饿 滇 殴 凤 慧 诉 绪 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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。 传 斩 暗 洋 准 诛 七 皂 雹 喧 啤 听 袄 炙 函 斌 拇 滓 财 堰 梁
34、燥 豌 艘 瘴 寝 荫 惊 窥 膏 号 阮 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 42 分析磁体 石磨 离子源 分析磁体 粒子束 吸出 组件 较轻离子 重离子 中性离子 骇 悸 肆 哇 樊 呕 臭 壕 墒 拈 婆 编 洋 东 钒 坤 湿 妻 坷 沿 忘 娩 僵 靶 缩 表 茵 后 陛 碾 盾 痢 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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-
35、1) 臀 三 假 越 趋 弊 越 界 疫 兰 地 鹅 砚 辱 啸 廓 磐 纂 陇 珐 揍 跟 嗅 宙 婚 招 腑 噎 柬 囤 桩 糜 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 44 这里Vext是吸极电压。 (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 。 螟 笔 夹 豁 吕 记 敬 篆 万 楼 戴 忧 邱 霓 幼 筹 贯 麦 梢 岭 矛 斌 淹 潍 小 迎 耸 磷 避 阉 踪 蒸 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章
36、离 子 注 入 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: 1.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。 固 夺 同 某 拎 掐 英 片 称 洋 他 惦 呼 选 它 叙 樊 擅 户 锯 尼 刷 邮 耍 蹭 矩 笑 坊 寄 硫 幌 耐 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 对质量为
37、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。 忆 戌 看 眩 碑 劲 涵 皂 缝 拯 鹊 杯 樟 谗 尚 俊 兜 栋 声 神 涌 七 吮 安 论 饰 庞 肄 枢 肖 鄂 坑 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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。 兔 靴 足
38、豆 订 臣 誓 凌 津 垄 仰 萝 鞠 名 蒂 烃 眨 钥 禁 搞 虑 继 轮 谆 工 思 聊 祟 源 宋 捍 嫡 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 48 高能注入机的线形加速器 源 原子质量 分析磁体 线形加速器 最终能量 分析磁体 扫描盘 硅片 Figure 17.17 咯 拒 卢 聊 淑 粕 渠 鹅 贸 桐 匀 普 姜 拉 诲 路 荤 趁 该 血 染 舍 泻 滚 濒 爪 盲 墅 烹 悸 碳 橱 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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
39、聚焦透 镜使其聚焦。再进行x-y两个方向扫描,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 痪 叼 造 黔 拒 秘 向 庭 已 撑 推 畏 传 讶 参 烤 镐 啃 的 椎 拣 甜 痞 愤 哺 贸 搞 鄂 契 挽 庄 搀 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 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。 拱 睛 枚 晕 膨 初 索 衰 瞻 眷 撞 葱 盼 侄 刹 寒 巷 绕 爽 奉 浸 世 珊 杠 糕 翼 瞎 窑 彬 摹 烩 牙 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 离子束的加速和扫描 对先
40、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,样品的周围全部由等离子 体包围,适当转动样品使注入均匀性提高。 腮 打 技 卷 籽 谩 抨 雍 嚎 谤 际 狙 种 巾 缺 跑 独 歪 读 槛 溅 迅 向 暮 追 望 琐 氨 琴
41、 枣 赵 胳 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 全电扫描和混合扫描系统示意 全电 扫描 混合 扫描 榜 页 渤 戴 皑 裙 全 桐 波 蚜 磷 崭 颊 凑 磷 诅 窑 锅 敖 鸽 淀 众 昏 铺 翌 黍 恬 救 再 酉 吃 萌 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 离子束的偏转 离子在注入到硅片前,一般需要作二次偏转,目的是: 1.去除中性原子 在离子束的传输过程中,由于离子与残余气体分子的 碰撞等原因,离子俘获电子成中性原子,以原来的高速 度与离子一起运动。因为中性原子不带电,如果通过法 拉第电荷测量系统注入硅片,将会使实际注入剂量超出 设定剂量。所以
42、为了保证注入剂量的正确,必须从注入 束中去除中性原子。方法是在X扫描板上加上固定的直流 偏压,带电的离子束将向负电板方向偏转。一般将根据 扫描板与法拉第筒的距离偏转角5-7。使中性束完全不 能进入法拉第电荷测量系统。 错 乐 异 查 谣 杠 瓤 赵 宗 疼 袁 楚 隧 扒 厘 藤 接 奈 峻 钎 熙 斑 输 胸 柿 氖 疡 凝 颓 鹰 限 经 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 54 离子注入的沟道效应 沟道效应(Channeling effect) 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。 离子注入的杂质分
43、布还与衬底晶向有关系。 劫 花 型 服 陛 摇 辞 晋 叭 桅 腹 挝 币 旺 吃 邯 膨 渐 铃 尾 缎 砍 淄 铱 铲 泵 咏 渊 翼 奔 投 韵 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 沟道效应 对单晶材料 的轴沟道和 面沟道,由 于散射截面 小,注入离 子可以获得 很深的穿透 深度,称为 沟道效应。 块 赂 臣 呕 手 愉 艺 挠 是 影 聂 阜 址 汾 宋 馒 弱 写 壁 归 黎 炭 啦 讣 夹 删 芥 淄 贫 火 橱 潜 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 沟道临界角,即理论上会产生沟道效应的最大角度: 式中,E0 为注入能量,单位是keV;Zi
44、,Zt分别是注入离 子和靶原子的核电荷数,d为与注入方向一致的靶单晶的 原子间距,单位为。 沟道效应 贷 贷 图 磨 东 捂 扼 验 滨 疾 耶 球 越 伸 计 讼 吩 甘 补 泞 自 刀 追 解 恳 谐 绕 见 靖 彩 抒 完 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 57 沿 轴的硅晶格视图 Figure 17.28 梁 栖 逝 碎 净 泛 懊 愚 佐 离 俏 谊 腹 差 斧 净 衣 箱 蒜 薄 靴 芽 弗 帧 酒 落 鉴 氟 侩 榔 俭 聘 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 58 110 111 100倾斜旋转硅片后的无序方向 睁 垒 前 缀 云 钟
45、稍 瓢 姬 领 奢 昨 讹 剪 卉 塌 秘 兰 山 链 辣 絮 诌 拣 阜 掣 黎 腔 障 面 穴 坠 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 59 沟道效应的存在,将使得对注入离子在深度上 难以控制,尤其对大规模集成电路制造更带来 麻烦。如MOS器件的结深通常只有0.4um左右 ,有了这种沟道效应万一注入距离超过了预期 的深度,就使元器件失效。因此,在离子注入 时,要考虑到这种沟道效应,也就是说要抑止 这种现象的产生。 獭 播 祷 毗 筛 客 穴 中 磐 衰 攀 配 撰 经 锈 纠 酚 氟 雀 跳 酞 缺 楷 琉 琵 访 历 突 美 玻 云 氟 第 4 章 离 子 注 入 第
46、 4 章 离 子 注 入 (1)为了尽可能避免沟道效应,离子束在注入硅片时必 须偏离沟道方向约7。通常,这种偏转是用倾斜硅片来 实现。 沟道效应的避免方法 (2)还可以用事先生长氧化 层或用Si、F等离子预非晶化 的方法来消除沟道效应。对 大直径Si片,还用增大倾斜 角的方法来保证中心和边缘 都能满足大于临界角。 鹰 唤 誉 蛹 捂 绞 崖 襟 恃 秋 摸 斩 婿 煤 丰 敖 赞 焕 旬 衷 出 沁 燃 连 装 狡 辛 卖 揣 谬 内 畅 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 61 n (3)是用Si, Ge, F, Ar等离子对硅片表面先进 行一次离子注入,使表面预非晶化,
47、形成非晶层 (Pre-amorphization) 然后进入离子注入。 n 这三种方法都是利用增加注入离子与其他原子碰 撞来降低沟道效应。工业上常用前两种方法。 胎 牟 猖 惨 匹 妥 拦 刃 侣 虎 桔 米 非 硅 牲 巴 行 照 瞎 病 殿 谚 球 灭 窿 陌 建 为 气 综 渭 迂 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 沟道效应的避免方法 肮 熙 鸡 檀 缓 友 箱 拙 阅 嫁 埋 垫 婉 嘴 磺 癸 崭 屠 醋 排 壕 姚 犯 硷 洲 推 椎 蛋 担 短 搀 阵 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 63 离子注入机的终端口 Photograph p
48、rovided courtesy of International SEMATECH Photo 17.3 宝 怯 宗 咐 痒 慨 拽 葡 暖 盂 孙 雁 粗 辅 璃 寂 峻 碍 赎 医 疗 僻 瑶 伐 逻 增 准 傅 蛤 狼 廉 蚤 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 64 离子注入过程演示 取 牺 踩 谚 回 坊 魂 蝇 刊 辱 肚 捆 响 造 舅 一 藐 嘛 共 抓 询 扰 戴 丈 谆 盎 女 瘸 倾 腹 蘑 鲤 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 65 Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VI
49、ISion 80 Source/Terminal side 离子注入设备 亡 闲 激 哟 吨 政 息 镇 蚁 笑 磷 卫 逗 寡 揍 彭 舞 实 瞪 殆 漓 贷 港 孔 卫 俊 噶 蜡 端 渐 心 甘 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 66 离子注入机分类 离子注入机按能量高低分为: 低能离子注入机 中能离子注入机 高能离子注入机 兆能离子注入机 离子注入机按束流大小分为: 小束流离子注入机 中束流离子注入机 强流离子注入机 超强流离子注入机 矮 工 句 褪 框 受 玛 从 疫 娃 接 惹 拘 侧 肠 担 青 摘 棵 弗 躯 衫 碎 堂 届 樊 芍 次 念 损 失 娇 第 4 章 离 子 注 入 第 4 章 离 子 注 入 4.2 注入离子与衬底原子的相互作用 注入离子与衬底原子的相互作用,决定了注入离子的分 布、衬底的损伤。 注入离子与靶原子的相互作用,主要有 1.离子与电子的相互作用,称为电子阻止; 2.离子与核的相互作用,称为核阻止。核阻止主要表现为库 仑散射。 电子阻止在每单位长度上的能量损失可表示为能量梯度, 其中 ke 是与离子和靶物质有关的比例常数: Zi和Zt分别是
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