第四章离子注入.
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1、第四章 离子注入 集成电路工艺原理1 4.1 前言前言 4.2 离子注入系统离子注入系统 4.3 离子注入原理离子注入原理 4.4 离子注入损伤及其退火处理离子注入损伤及其退火处理 4.5 离子注入在集成电路中的应用离子注入在集成电路中的应用第四章 离子注入 集成电路工艺原理2什么是离子注入离子注入v将某种元素的原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以改变这种材料表层的物理或化学性质第四章 离子注入 集成电路工艺原理3q各种杂质浓度分布与注入浓度可通过控制掺杂剂量(1011-1016cm-2)和能量(10-200KeV)来达到q掺杂均匀(1%varia
2、tionacross8wafer)q横向分布大大小于扩散方法q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q注入元素可以非常纯，杂质单一性q可用多种材料作掩膜(如金属、光刻胶、介质.)，可防止沾污，自由度大。q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。第四章 离子注入 集成电路工艺原理4q会产生缺陷，甚至非晶层，必须经高温退火加以改进q产量较小q设备复杂q有不安全因素(如高压、有毒气体)q会引入沾污第四章 离子注入 集成电路工艺原理5 4.1 前言前言 4.2 离子注入系统离子注入系统离子注入系统的组成离子注入系统的组成剂量测量原理剂量测量原理 4.3 离子注入
3、原理离子注入原理 4.4 离子注入损伤及其退火处理离子注入损伤及其退火处理 4.5 离子注入在集成电路中的应用离子注入在集成电路中的应用第四章 离子注入 集成电路工艺原理6 5.2 离子注入系统离子注入系统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。第四章 离子注入 集成电路工艺原理7有两种类型的离子注入系统，图中是先加速，再经过磁分析器。前一种是先经过磁分析器，再加速第四章 离子注入 集成电路工艺原理8l离子源（IonS
4、ource)l磁分析器(Magneticanalyzer)l加速管（Accelerator)l聚焦和扫描系统(FocusandScansystem)l靶室和后台处理系统(TargetAssembly)第四章 离子注入 集成电路工艺原理9a)源源(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（离子源（Ion Source)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，
5、射向磁分析器第四章 离子注入 集成电路工艺原理10Gases: BF3, AsH3, PH3, Ar, GeH4, O2, N2,.Solids: As, Ga, Ge, Sb, P, .离子源(Ionsource)Anionsource.Thehotfilamentprovideselectronsfortheionizationofthesourcegas.Amagneticfieldcausestheelectronstospiral.,lengtheningthepathsandincreasingionizationefficiency.第四章 离子注入 集成电路工艺原理11c)磁分
6、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。第四章 离子注入 集成电路工艺原理12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qvBrMv2V：离子速度，q：离子电荷，M：离子质量B：磁场强度，r：离子圆周运动的半径离子速度和吸出电压(Extractionvoltage,Vext)成正比综合两式，可以得到extVqMBqBMvr21MqVMEvext22第四章 离子注入 集成电路工艺原理13改变分析器的电流将可以选择具有不同质量的离子extVqMBqBMvr21I )
7、r(E2qr ) I(E2qBrE2qM BI,磁场强度和电磁线圈的电流成正比第四章 离子注入 集成电路工艺原理14动画显示extVqMBqBMvr21第四章 离子注入 集成电路工艺原理15d)加速管加速管(Accelerationtube)离子在静电场作用下加速到所需的能量。Out+-highvoltageBeamInBeam inVoltageBeam Out25 keV I+ 300 kV 325 keV25 keV I+ 300 kV ?Ion运动速度：105ms-125+300*2=625KeV用高价离子注入可以增加注入能量，使注入深度增加；但是由于高价离子产生较少，其束流较小第四章
8、 离子注入 集成电路工艺原理16e)聚焦和扫描系统聚焦和扫描系统(deflectionandscanning)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两个方向扫描，然后进入偏转系统，束流被偏转注到靶上。f)靶室和后台处理系统靶室和后台处理系统 (Target Assembly) 包括测量电荷的法拉第杯(Faradayscup)，全自动装片和卸片机构，以及控制电流和总电量的微机。第四章 离子注入 集成电路工艺原理17设质量M，荷电zq(z是离子荷电数，q是电子电荷量)和能量E的离子束，通过扫描和光圈限定面积A，定义剂量D与积分电荷量Q(库仑)的关系：(7-4)Dose
9、=#ionscm2ItAreazq+Ions-VoltageWaferSecondaryElectronsIQCurrentMeterIntegratordtzqIA1zqAQD Faradaycup第四章 离子注入 集成电路工艺原理18Example: 100 A beam of As swept over 10 cm x 10 cm (100 mm wafer) for 100 sec-192100cm1.610coul/charge100Ax100secDose=6.2x10/cm214若增加离子注入剂量，可以采用什么方法？典型的束流是1微安到几十毫安问注入剂量为多少？问注入剂量为多少？
10、长时间注入和高束流长时间注入和高束流第四章 离子注入 集成电路工艺原理19剂量和浓度的关系剂量和浓度的关系注入离子的平均密度注入离子的平均密度 剂量剂量/深度深度 （DOSE/DEPTH）(CONCENTRATION)在上面的例子中，如果所有的离子在在上面的例子中，如果所有的离子在1 m深度范围内深度范围内DENSITY = 6.2 x 1014 /cm2 1 m = 6.2 x 1018 /cm3典型的剂量范围在典型的剂量范围在1011 /cm2 - 1015 /cm2 (FOR DOPING) 典型的注入离子的平均密度范围在典型的注入离子的平均密度范围在1013 /cm3 - 1021 /
11、cm3 (FOR DOPING)第四章 离子注入 集成电路工艺原理20离子：P,As,Sb,B,In,O剂量：1011cm-21016cm-2能量：5KeV400KeV可重复性和均匀性:1%温度：室温第四章 离子注入 集成电路工艺原理21 4.1 前言前言 4.2 离子注入系统离子注入系统 4.3 离子注入原理离子注入原理 4.4 离子注入损伤及其退火处理离子注入损伤及其退火处理 4.5 离子注入在集成电路中的应用离子注入在集成电路中的应用第四章 离子注入 集成电路工艺原理22本节主要研究注入离子在靶片上的本节主要研究注入离子在靶片上的分布及影响分布的各种因素分布及影响分布的各种因素第四章 离
