离子注入法介绍电子教案.ppt

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1、离子注入法介绍■离子注入工艺是IC制造中占主导的掺杂技术■离子注入:将杂质离化,通过电场加速,将这些离化的杂质直接打入硅片中,达到掺杂的目的■一般CMOS工艺流程需6~12次离子注入■典型的离子注入工艺参数:能量约5~200keV,剂量约1011~1016/cm2。一、概述(一)介绍(二)MOSFET工艺中的离子注入(1)离子源——杂质离子的产生(2)加速管——杂质离子的加速(3)终端台——离子的控制二、离子注入工艺设备及其原理1、离子注入技术的三大基本要素:(1)离子的产生(2)离子的加速(3)离子的控制2、离子注入系统的三大组成部分:■气态源:(或固体源)BF3AsH3PH3

2、SiH4H2■放电室:低气压、分解离化气体BF3B,B+,BF2+,F+,……■引出狭缝:负电位,吸引出离子(1)离子源:离子束流量(最大mA量级)吸极电压Vext:约15~30KV,决定引出离子的能量(速度)产生杂质离子■出口狭缝:只允许一种(m/q)的离子离开分析仪(2)质量分析器:■分析磁铁:磁场方向垂直于离子束的速度方向离子运动路径:离子运动速率:质量m+m的离子产生的位移量选择注入所需的杂质成分(B+)■静电透镜:离子束聚焦■静电加速器:调节离子能量■静电偏转系统:滤除中性粒子加速离子,获得所需能量;高真空(<10-6Torr)(3)加速管:静电光栅扫描:适于中低束

3、流机机械扫描:适于强束流机■剂量控制法拉第杯:捕获进入的电荷,测量离子流注入剂量:当一个离子的荷电态为m时,注入剂量为:(4)终端台:控制离子束扫描和剂量图5.5两种注入机扫描系统■离子束扫描■杂质离子种类:P+,As+,B+,BF2+,P++,B++,…■注入能量(单位:Kev)——决定杂质分布深度和形状■注入剂量(单位:原子数/cm2)——决定杂质浓度■束流(单位:mA或uA)——决定扫描时间■注入扫描时间(单位:秒)——决定注入机产能当剂量固定时,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)(5)离子注入工艺控制参数(6)杂

4、质剂量与杂质浓度的关系■高能离子进入靶材料后,与靶原子核及其电子碰撞,损失能量,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是随机的。■射程R:离子在靶中行进的总距离■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:Rp的标准偏差三、射程与入射离子的分布1、射程的概念■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),且可能发生大角度散射。有时还引发连续碰撞。■入射离子能量损失:2、入射离子能量损失机制■电子碰撞:入射离子与核外电子碰撞,因质量相差很大,因此每次碰撞离子损失很少能量(Se),且

5、都是小角度散射。图5.8常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系■核阻滞当能量较低时,E,Sn;当能量较高时,E,Sn;Sn在某能量处有最大值。在重离子、低能量注入条件下占主导■电子阻滞.在轻离子、高能量注入条件下占主导(1)离子投影射程Rp与入射离子质量和能量有关;Rp与入射离子与靶原子质量比有关3、核阻滞理论(射程理论,LSS理论)由下式决定注意:Rp与Rp可由LSS表查出■离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量:(2)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:式中,是注入离子剂量(/cm2)■深度为Rp时的离子浓度为最大值:写出杂质浓度分布

6、公式:4、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(Si,SiO2,Si3N4等)求解第1步查LSS表可得到Rp和△Rp(2)已知离子注入时的注入束流I,靶面积A,注入时间t求解第2步计算离子注入剂量:求解第3步计算杂质最大浓度:求解第4步(3)假设衬底为反型杂质,且浓度为NB,计算PN结结深由N(xj)=NB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(4)根据分布公式,计算不同深度位置的杂质浓度4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布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

7、述:■对于硼的分布,采用PearsonIV分布描述。■用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。(a)标准高斯分布(b)峰值略向深处偏移,尾部向表面延伸(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■沟道效应■横向分布■复合靶注入四、实际的入射离子分布问题有部分离子可能会行进很长距离,造成较深的杂质分布。1、沟道效应:在单晶靶中,当离子速度方向平行于主晶轴时,■临界角■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。图5.12典型杂质

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