第4章IC工艺之离子注入
硅集成电路工艺基础:第四章 离子注入

靶原子核也因碰撞而获得能量, 如果获得的能量大于原子束缚能,就 会离开原来所在晶格进入间隙,并留 下一个空位,形成缺陷。
电子碰撞:是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞, 这种碰撞能瞬时地形成电子-空穴对。
第四章 离子注入
离子注入技术是用一定能量的杂质离子束轰击要掺杂的 材料(称为靶,可以是晶体,也可以是非晶体),一部分 杂质离子会进入靶内,实现掺杂的目的。
离子注入是集成电路制造中常用的一种掺杂工艺,尤其 是浅结主要是靠离子注入技术实现掺杂。
离子注入的发展历史
1952年,美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善半导体 的特性。
如果注入的是轻离子,或者是小剂量的重 离子,注入离子在靶中产生简单晶格损伤。
对于轻离子,开始时能量损失主要由电子 阻止引起,不产生移位原子。注入离子的能 量随注入深度的增加而减小,当能量减小到 小于交点Ec时,核阻止将起主导作用,几乎 所有的晶格损伤都产生于Ec点以后的运动中。 大多数情况下,每个注入离子只有一小部分 能量对产生间隙-空位缺陷有贡献。
横向效应与注入离子的种类和离子能量有关
(a) 杂质B、P、Sb通过lμ宽掩膜窗口注入到硅靶中的等浓度曲线 (b) 杂质P以不同能量注入硅靶中的等浓度曲线
硼、磷和砷入射到无定形硅靶中时,ΔRp和ΔR┴与入射能量的关系
4.2.3、沟道效应
沟道效应:当离子注入的方向与靶晶体的某个晶面平行时, 将很少受到核碰撞,离子将沿沟道运动,注入深度很深。 由于沟道效应,使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾。
核阻止本领与离子能量的关系
如果屏蔽函数为:
微电子工艺 离子注入

称作投影射程。
内有多少条鱼浓度(个数域单位体积内有多少条鱼,…….离子源通过吸极电源把离子从离子源引出可变狭缝v⊕一个质量数为M的正离子,以速度v垂直于磁力线的方向进入磁场,受洛伦茨力的作用,在磁场中作匀速圆周运动的半径为R。
子离开分析仪电磁场的磁极平行平板电极⊕当离子束垂直进入均匀的正交电磁场时,将同时受到电场力和洛伦茨力的作用,这两个力的方向正好相反,只有在某个质量为M的离子在分析器中所受的电场力和洛伦茨力的数值相等时,不发生偏转而到达靶室,大于或小于M的离子则被偏转加速器加速离子,获得所需能量;高真空(<10-6Torr 静电加速器:调节离子能量静电透镜:离子束聚焦静电偏转系统:滤除中性粒子X方向扫描板Y方向扫描板扫描范围中性束偏转板+-的浓度比其它地方高。
终端台:控制离子束扫描和计量离子束扫描:扫描方式:静电扫描、机械扫描和混合扫描。
常用静电扫描和混合扫描。
静电光栅扫描适于中低束流机,机械扫描适于强束流机。
两种注入机扫描系统<110>向和偏转10°方向的晶体结构视图<111><100><110>40 kevP +31注入到硅中的浓度分布0.20.40.60.8 1.0µm43210 注入深度对准<110> 偏<110> 2°偏<110> 8°子在靶中行进的重要效应之一。
窗口边缘处浓度为同等深度窗口中心部位浓度的1/2离子越轻,阈值剂量越高;温度越高,阈值剂量越高。
扩散率提高,聚集成团,几种等时退火条件下,硅中注入硼离子的激活百分比。
第4章离子注入

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
High energy High dose Slow scan speed
离子注入机
低能 低剂量 快速扫描
Ion implanter
掺杂离子
束扫描
Mask xj Beam scan
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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.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
4.9 理论模拟。
离子注入概述
离子注入
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,注入到硅中(称为 “靶” )而实现掺杂。
17
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。
第四章离子注入

加速管
工艺腔 扫描盘
工艺控制参数
❖ 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,
10~200Kev ❖ 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
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中,
要经过加速、聚焦等很长距离,这些带电粒子将同真空系统中
的残余气体分子发生碰撞,其中部分带电离子会同电子结合,
成为中性的粒子。
对于出现在扫描 系统以前的中性粒子
没有偏转的中性束粒子继续向前
,扫描电场对它已不
200 kev 注入离子在 靶中的高斯分布图
硼原子在不同入射能量 对深度及浓度分布图
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
❖ 已知杂质种类(P,B,As),离子注入能量(Kev),靶材 (衬底Si,SiO2,Si3N4等)
求解step1:查LSS表可得到Rp和ΔRp
和电子阻止(Se(E) )所损失的能量,总能量 损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-dE/dx:能量损失梯度
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
能量E的函数
Se(E):电子阻止本领
C: 靶原子密度 ~51022 cm-3 for Si
能量为E的 入射粒子在 密度为C的 靶内走过x 距离后损失 的能量
离子注入获奖课件

Typical implant voltages: 50~200 KeV, the trend is to lower voltages.
Typical implant dose: 1011~1016 cm2.
离子注入
二、离子注入旳特点
离子经加速,到达半导体表面; 离子经过碰撞损失能量,停留在不同深度旳位置, 此位置与离子能量有关;
Si Displaced Si ato去m 一定旳能量。靶原子也因碰撞 Si Si Si 而取核得碰能撞量,假如取得旳能量不
小于原注子入束离缚子能与,靶就内会原离子开核原间来
所旳在碰晶撞格。位置,进入晶格间隙,
并留下一种空位,形成缺陷。
核碰撞和电子碰撞
核阻止本事:能够了解为能量为E旳一种注入离子,在单位
产生沟道效应旳原因 当离子注入旳方向=沟道方向时,离子因为没有遇到晶格
而长驱直入,故注入深度较大。
沟道效应产生旳影响 在不应该存在杂质旳深度发觉杂质。
离子注入旳沟道效应
离子注入旳通道效应
离子注入旳沟道效应
处理沟道效应旳措施
1.倾斜样品表面,晶体旳主轴方向偏离注入方向,经典值为7°; 2.先重轰击晶格表面,形成无定型层; 3.表面长二氧化硅、氮化硅、氧化铝无定型薄层。
一级近似下,核阻止本事与入射离子旳能量无关。
注入离子在无定形靶中旳分布
注入离子在靶内分布是与注入方向有着一定旳关系, 一般来说,粒子束旳注入方向与靶垂直方向旳夹角比较小。
注入离子在靶内受到旳碰撞是随机过程。假如注入旳 离子数量很小,它们在靶内旳分布是分散旳,但是大量注 入离子在靶内旳分布是按一定统计规律分布。
虽然晶体某个晶向平行于离子注入方向,但注入离子进入晶 体前,在无定形旳介质膜中屡次碰撞后已经偏离了入射方向,偏 离了晶向。
集成电路工艺第四章:离子注入

其中N为入射离子总数, 为第i 其中N为入射离子总数,RPi为第i个离子的投影射 程
离子投影射程的平均标准偏差△ 离子投影射程的平均标准偏差△RP为
其中N 其中N为入射离子总数 Rp 为平均投影射程 Rpi为第 Rpi为第i个离子的投影射程 为第i
离子注入浓度分布
LSS理论描述了注入离子在无定形靶中的浓度分布 LSS理论描述了注入离子在无定形靶中的浓度分布 为高斯分布其方程为
其中φ为注入剂量 其中 为注入剂量 χ为离样品表面的深度 为离样品表面的深度 Rp为平均投影射程 为平均投影射程 △Rp为投影射程的平均标准偏差 为投影射程的平均标准偏差
离子注入的浓度分布曲线
离子注入浓度分布的最大浓度Nmax 离子注入浓度分布的最大浓度Nmax
从上式可知,注入离子的剂量φ越大, 从上式可知,注入离子的剂量φ越大,浓度峰值越高 从浓度分布图看出, 从浓度分布图看出,最大浓度位置在样品内的平均投 影射程处
4.2 离子注入工艺原理
离子注入参数
注入剂量φ 注入剂量 注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数 是样品表面单位面积注入的离子总数。 注入剂量 是样品表面单位面积注入的离子总数。单 位:离子每平方厘米
其中I为束流,单位是库仑每秒( 其中 为束流,单位是库仑每秒(安 培) t为注入时间,单位是秒 为注入时间, 为注入时间 q为电子电荷,等于 ×10-19库仑 为电子电荷, 为电子电荷 等于1.6× n为每个离子的电荷数 为每个离子的电荷数 A为注入面积,单位为 2 —束斑 为注入面积, 为注入面积 单位为cm
2267 475 866 198 673 126
4587 763 1654 353 1129 207
6736 955 2474 499 1553 286
第四章离子注入

1954年,Bell Lab. ,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:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 特点: ①注入温度低:对Si,室温;对GaAs,<400℃。避免了 高温扩散的热缺陷;光刻胶,铝等都可作为掩蔽膜。 ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在 ±1%(高浓度扩散5%-10%);能精确控制浓度分 布及结深,特别适合制作高浓度浅结器件。
max
⎢ ⎣ 2
∆RP
⎥ ⎦
Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值浓度(在RP处),NS—注入剂量
4.2 注入离子分布
4.2.2 横向效应 ①横向效应与注入 能量成正比; ②是结深的30% -50%; ③窗口边缘的离子 浓度是中心处的50%;
4.2 注入离子分布
4.2.3 沟道效应(ion channeling) 非晶靶:对注入离子的 阻挡是各向同性; 单晶靶:对注入离子的 阻挡是各向异性; 沟道:在单晶靶的主晶 轴方向呈现一系列平行 的通道,称为沟道。
dR dR
n
dR
e
n
e
−1 E0 dE R = ∫ dR = − ∫ = ∫ [S n (E ) + S e (E )] dE E0 dE / dR 0 0
式中,E0—注入离子的初始能量。
4.2 注入离子分布
2.投影射程XP: 总射程R在离子入射方向 (垂直靶片)的投影长度 ,即离子注入的有效深度。 3.平均投影射程RP: 投影射程XP的平均值,具 有统计分布规律-几率分 布函数。
4.1 核碰撞和电子碰撞
4.1.1 核阻挡本领Sn(E) Sn(E)=(dE/dx)n (dE/dx)n --核阻挡能量 损失率.
半导体制造工艺之离子注入原理

半导体制造工艺之离子注入原理引言离子注入是半导体制造工艺中的一种重要方法,广泛应用于半导体器件的加工和制造过程中。
离子注入工艺通过将高能离子注入到半导体晶体中,改变材料的物理和化学性质,实现半导体器件的特定功能和性能。
本文将详细介绍离子注入的原理以及其在半导体制造中的应用。
离子注入原理离子注入是利用离子束对半导体材料进行信息改变的过程,其原理基于以下几个关键步骤:1.离子源生成:离子注入过程首先需要一个稳定的离子源。
常见的离子源包括离子源装置和离子源材料。
离子源装置通过电离气体产生离子束,而离子源材料通常是一种固体材料,通过加热或溶解的方式释放离子。
2.离子加速:生成的离子束经过电场加速,增加其能量和速度。
加速电场的大小决定了离子注入的能量和深度。
3.汇聚和对准:离子束通过极板或磁场对准系统,确保离子束准确地注入到半导体材料的目标区域。
4.离子注入:离子束与半导体材料进行相互作用,离子穿过材料表面,在材料内部形成注入层。
离子注入的能量和剂量可以控制和调节,影响着半导体的特性和性能。
5.后续处理:注入完成后,需要进行一系列的后续处理步骤,如退火、清洗等,以恢复和优化器件的电学性能。
离子注入的应用离子注入在半导体制造中有着广泛的应用,主要体现在以下几个方面:1.掺杂:离子注入可在半导体材料中引入杂质原子,从而改变材料的电学性质。
通过控制离子注入的能量和剂量,可以实现器件中的PN结、N型、P型等区域。
2.改变表面特性:离子注入还可用于改变半导体材料表面的化学和物理特性。
例如,在CMOS制造中,通过离子注入改变材料表面的电导率,形成NMOS、PMOS等区域。
3.改善电子迁移率:离子注入还可用于改善半导体器件中电子的迁移率,提高器件的性能。
通过注入低能量离子,形成浅表层,可以减少晶格缺陷,提高电子的迁移率。
4.修复损伤:半导体材料在制造过程中往往会受到损伤,如晶格位错、空位等。
离子注入可用于修复这些损伤,提高材料的完整性和性能。
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第4章IC工艺之离子注入
Annealing of Silicon Crystal
•Ion Beam
•Repaired Si lattice structure and activated dopant-silicon bonds
•a) Damaged Si lattice during implant
– 离子注入技术的优缺点 – 剂量和射程在注入工艺中的重要性 – 离子注入系统的主要子系统 –
第4章IC工艺之离子注入
CMOS Structure with Doped Regions
•p-channel Transistor
•N
•O
•M
•K
•p+
•L •LI oxide
•n-channel Transistor
– 能量损失: 散射路径R,靶材料密度,阻止本领S
第4章IC工艺之离子注入
– 能量损失
第4章IC工艺之离子注入
– 注入离子的分布N(x)(无电子散射) 注入剂量0(atom/cm-2),射程:Rp 标准偏差Rp
•Sampling slit in disk
•Scanning disk with wafers
•Dopant ions •Beam scan
•Low energy •Low dose •Fast scan speed
•Ion implanter
•High energy •High dose •Slow scan speed
•Beam scan
•Mask •xj
•Mask
•Silicon substrate
•Suppressor aperture
•Faraday cup
•Ion beam
•Current integrator
•Scanning direction
第4章IC工艺之离子注入
– 对于无定型材料, – 有:
为高斯分布
– 97页 图4.8
第4章IC工艺之离子注入
– 平均射程
第4章IC工艺之离子注入
•I
•J
•n+
•n+ •STI
•p– •p+
•p– •p+
•STI
•n •n+ •n++
•F
•n-well
•E
•C
•n– •n+
•n– •n+
•STI
•p+
•p
• •p++
•B •p– epitaxial layer
•A •p+ silicon substrate
第4章IC工艺之离子注入
第4章IC工艺之离子注入
第4章IC工艺之离子注入
•Page 107
第4章IC工艺之离子注入
第4章IC工艺之离子注入
– 多能量、多剂量注入
第4章IC工艺之离子注入
– 4.1.2. 设备
第4章IC工艺之离子注入
Analyzing Magnet
•Ion source •Extractio n assembly
•沟道峰
第4章IC工艺之离子注入
– 沟道效应的消除(临界角)
第4章IC工艺之离子注入
– 4. 2. 2.卢瑟福背散射RBS-C 作用?。。。
第4章IC工艺之离子注入
– 4.3. 注入离子的激活与辐照损伤的消除
P.103~112 1)注入离子未处于替位位置 2)晶格原子被撞离格点
Ea为原子的位移阈能 •大剂量——非晶化 •临界剂量(P。111) •与什么因素有关? •如何则量?
第4章IC工艺之离子注入
2020/11/26
第4章IC工艺之离子注入
问题的提出: – 短沟道的形成? – GaAs等化合物半导体?(低温掺杂) – 低表面浓度? – 浅结? – 纵向均匀分布或可控分布? – 大面积均匀掺杂? – 高纯或多离子掺杂?
第4章IC工艺之离子注入
要求掌握: – 基本工艺流程(原理和工艺控制参数) – 选择性掺杂的掩蔽膜(Mask) – 质量控制和检测 – 后退火工艺的目的与方法 – 沟道效应 – 在器件工艺中的各种主要应用
•Analyzing magnet
•Ion beam
•Lighter ions
•Neutrals
•Heavy ions
•Graphite
•Figure 17.14
•
第4章IC工艺之离子注入
第4章IC工艺之离子注入
4.2. 沟道效应和卢瑟福背散射 6. 2. 1.沟道效应(page 101)
第4章IC工艺之离子注入
• a) Low dopant concentration (n–, p–) and shallow junction (xj)
•Mask •xj
•Mask
•Silicon substrate
• b) High dopant concentration (n+, p+)第an4d章dICe工ep艺j之un离c子tio注n入(xj)
•Photo
•Etch
•Photoresist mask •Implant
•Hard mask (oxide or nitride)
第4章IC工艺之离子注入
4.1. 离子注入原理
4.1.1. 物理原理(P.90-98) 通过改变高能离子的能量,控制注入离子在靶材
料中的位置。
•Ion implanter
•Energetic dopant ion
•Silicon crystal lattice
•Si •Si •Si •X-rays
•Si •Si •Si •Atomic collision
•Si •Si •Displaced Si atom
•Si •Si •Si •Si
•Figure 17.9
•
第4章IC工艺之离子注入
第4章IC工艺之离子注入
– 重离子在材料中与靶原子的碰撞是“弹性” 库仑散射
第4章IC工艺之离子注入
– 级联散射
第4章IC工艺之离子注入
Energy Loss of an Implanted Dopant Atom
•Electronic collision •Si •Si •Si •Si •Si •Si •Si •Si •Si •Si •Si •Si
第4章IC工艺之离子注入
Ion Implant in Process Flow
•Wafer fabrication (front-end)
•Wafer start
•Thin Films
•Polish
•Unpatterned wafer
•Completed wafer
•Test/Sort
•Diffusion •Anneal after implant