半导体工艺离子注入.pptx

半导体工艺半导体工艺电电电电 技技技技081081离子注入离子注入1、离子注入、离子注入2、离子束的性质、离子束的性质3、离子束加工方式、离子束加工方式4、离子注入系统、离子注入系统5、离子注入的特点、离子注入的特点6、沟道效应及避免方法、沟道效应及避免方法7、离子与衬底原子的相互作用、离子与衬底原子的相互作用8、注入损伤、注入损伤9、退火、退火10、离子注入的、离子注入的 优缺点优缺点主要内容：主要内容：离子注入出现：离子注入出现：随着集成电路集成度的提高，对器随着集成电路集成度的提高，对器件源漏结深的要求，且传统的扩散已无法精确控制杂件源漏结深的要求，且传统的扩散已无法精确控制杂质的分布形式及浓度了。质的分布形式及浓度了。离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做这个现象叫做溅射溅射；当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹回来，当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射散射；离子束射到固体材料以后，离子束与材料中的原子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，这一现象就叫做表面成分、结构和性能发生变化，这一现象就叫做离离子注入。子注入。1、离子注入：、离子注入：2、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，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，能在高压下加速而获得很高能被电场或磁场偏转，能在高压下加速而获得很高的动能。的动能。离子束的用途：离子束的用途：掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、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，注入掺杂 4、离子注入系统：、离子注入系统：离子源离子源离子源离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有体有 BF3、AsH3 和和 PH3 等。等。质质质质量量量量分分分分析析析析器器器器：不不同同离离子子具具有有不不同同的的电电荷荷质质量量比比，因因而而在在分分析析器器磁磁场场中中偏偏转转的的角角度度不不同同，由由此此可可分分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。离出所需的杂质离子，且离子束很纯。加加加加速速速速器器器器：为为高高压压静静电电场场，用用来来对对离离子子束束加加速速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。中中中中性性性性束束束束偏偏偏偏移移移移器器器器：利利用用偏偏移移电电极极和和偏偏移移角角度度分分离中性原子。离中性原子。聚焦系统：聚焦系统：聚焦系统：聚焦系统：用来将加速后的离子聚集成直径为数用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。毫米的离子束。偏转扫描系统：偏转扫描系统：偏转扫描系统：偏转扫描系统：用来实现离子束用来实现离子束 x x、y y 方向的一方向的一定面积内进行扫描。定面积内进行扫描。工作室：工作室：工作室：工作室：放置样品的地方，其位置可调。放置样品的地方，其位置可调。离子注入系统离子注入系统5 5、离子注入的特点：、离子注入的特点：特点：特点：可以独立控制杂质分布（离子能量）和杂质浓度可以独立控制杂质分布（离子能量）和杂质浓度（离子流密度和注入时间）（离子流密度和注入时间）各向异性掺杂各向异性掺杂 容易获得高浓度掺杂容易获得高浓度掺杂 （特别是：重杂质原子，如（特别是：重杂质原子，如P P和和AsAs等）。等）。离子注入与扩散的比较：离子注入与扩散的比较：扩散扩散离子注入离子注入高温，硬掩膜高温，硬掩膜9001200 低温，光刻胶掩膜低温，光刻胶掩膜室温或低于室温或低于400各向同性各向同性各向异性各向异性不能独立控制结深和浓不能独立控制结深和浓度度可以独立控制结深和可以独立控制结深和浓度浓度6、沟道效、沟道效应及避免方法：及避免方法：对单晶材料的晶材料的轴沟道和面沟道沟道和面沟道(基材晶向基材晶向)，由于，由于散射截面小，注入离子可以散射截面小，注入离子可以获得很深的穿透深度，称得很深的穿透深度，称为沟道效沟道效应。为了尽可能避免沟道效了尽可能避免沟道效应，离子束，离子束在注入硅片在注入硅片时必必须偏离沟道方向偏离沟道方向约7。通常，。通常，这种偏种偏转是用是用倾斜硅片来斜硅片来实现。离子束离子束（100）Si 除了除了转动靶片，靶片，还可以可以用事先生用事先生长氧化氧化层或用或用Si、F等离子等离子预非晶化的方法来消除沟道效非晶化的方法来消除沟道效应。对大直大直径径Si片，片，还用增大用增大倾斜角的方法来保斜角的方法来保证中心和中心和边缘都都能能满足大于足大于临界角。界角。7、离子与、离子与衬底原子的相互作用：底原子的相互作用：注入离子与注入离子与衬底原子的相互作用，决定了注入离底原子的相互作用，决定了注入离子的分布、子的分布、衬底的底的损伤。注入离子与靶原子的相互作用，主要有离子与注入离子与靶原子的相互作用，主要有离子与电子的相互作用，称子的相互作用，称为电子阻止。和离子与核的相互作子阻止。和离子与核的相互作用，称用，称为核阻止。核阻止主要表核阻止。核阻止主要表现为库仑散射。散射。在同在同样能量下，靶原子能量下，靶原子质量越大，核阻止越大，靶量越大，核阻止越大，靶原子原子质量越小量越小电子阻止越大子阻止越大。8、注入、注入损伤：离子注入离子注入衬底底单晶与晶与衬底原子作底原子作级联碰撞，碰撞，产生大量的位移原子，注入生大量的位移原子，注入时产生的空位、填隙原子生的空位、填隙原子等缺陷称等缺陷称为一次缺陷。在一次缺陷。在剂量达到一定数量达到一定数值后，后，衬底底单晶非晶化，形成无定型晶非晶化，形成无定型结构。使构。使衬底完全非晶底完全非晶化的注入化的注入剂量称量称为阈值剂量。量。不同不同衬底和不同的注入离子，在不同的能量、底和不同的注入离子，在不同的能量、剂量率和不同温度下有不同的非晶量率和不同温度下有不同的非晶剂量。量。轻原子的原子的大、重原子的小；能量低大，能量高小；大、重原子的小；能量低大，能量高小；衬底温度底温度低大，低大，衬底温度高小。当底温度高小。当衬底温度高于固相外延温底温度高于固相外延温度度时，可以一直保持，可以一直保持单晶。晶。注入离子将能量注入离子将能量转移移给晶格原子晶格原子 产生自由原子（生自由原子（间隙原子空位缺陷隙原子空位缺陷对）自由原子与其它晶格原子碰撞自由原子与其它晶格原子碰撞 使更多的晶格原子成使更多的晶格原子成为自由原子自由原子 直到所有自由原子均停止下来，直到所有自由原子均停止下来，损伤才停止才停止一个高能离子可以引起数千个晶格原子位移一个高能离子可以引起数千个晶格原子位移9、退火：、退火：退火：退火：将完成离子注入的硅片在一定的温度下，将完成离子注入的硅片在一定的温度下，经过适当的适当的热处理，理，则硅片上的硅片上的损伤就可能得到消除，就可能得到消除，少数少数载流子寿命以及迁移率也会不同程度的得到恢复，流子寿命以及迁移率也会不同程度的得到恢复，杂质也得到一定比例的也得到一定比例的电激活。激活。退火目的：退火目的：离子注入离子注入过程中造成晶格程中造成晶格损伤，导致致散射中心增加，散射中心增加，载流子迁移率下降，缺陷中心的增加，流子迁移率下降，缺陷中心的增加，载流子的寿命减少，漏流子的寿命减少，漏电流增大，同流增大，同时由于注入的离由于注入的离子大多存在于子大多存在于间隙中起不到施主或受主的作用。隙中起不到施主或受主的作用。硅硅单晶退火：晶退火：修复硅晶格结构并激活杂修复硅晶格结构并激活杂质质硅键硅键b)退火后的硅晶格退火后的硅晶格a)注入过程中损伤的硅晶格注入过程中损伤的硅晶格离子束离子束 热退火特性：退火特性：将欲退火的硅片置于真空或高将欲退火的硅片置于真空或高纯气体气体的保的保护下，加下，加热到某一温度到某一温度进行行热处理，由于理，由于热退火退火处于于较高的温度，原子的振高的温度，原子的振动能能较大，大，导致原子的移致原子的移动能加能加强，可使复，可使复杂的缺陷分解点缺陷，当它的缺陷分解点缺陷，当它们相互相互靠近靠近时就可能复合而使缺陷消失。就可能复合而使缺陷消失。缺点：缺点：缺陷不能完全消除，而且容易缺陷不能完全消除，而且容易产生二次缺陷，生二次缺陷，杂质电激活率不高，容易增加表面激活率不高，容易增加表面污染，高温容易染，高温容易导致致杂质再分布，破坏了离子注入的再分布，破坏了离子注入的优点。点。优点：通点：通过降低退火温度，降低退火温度，缩短退火短退火时间脉冲激光退火脉冲激光退火 ：特点：退火区域受特点：退火区域受热时间短，因而短，因而损伤区区杂质几乎几乎不不扩散，可以通散，可以通过改改变激光的波激光的波长和能量密度，可在和能量密度，可在深度上和表面上深度上和表面上进行不同的退火行不同的退火处理。从而可在同一理。从而可在同一硅片上制造硅片上制造处不同不同结深和不同深和不同击穿穿电压的器件。的器件。快速退火：快速退火：10、离子注入的、离子注入的 优缺点：优缺点：1、可控性好，离子注入能精确控制掺杂的浓度分布、可控性好，离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；和掺杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；2、注入温度低，一般不超过、注入温度低，一般不超过 400，退火温度也在，退火温度也在 650 左右，避免了高温过程带来的不利影响，如结左右，避免了高温过程带来的不利影响，如结的推移、热缺陷、硅片的变形等；的推移、热缺陷、硅片的变形等；3、工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底、工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底中，也可以采用多种材料作掩蔽膜，如中，也可以采用多种材料作掩蔽膜，如 SiO2、金属膜、金属膜或光刻胶等；或光刻胶等；4、可以获得任意的掺杂浓度分布；、可以获得任意的掺杂浓度分布；优点：优点：5、结面比较平坦；、结面比较平坦；6、均匀性和重复性好；、均匀性和重复性好；7、可以用、可以用电的方法来控制离子束，因而易于的方法来控制离子束，因而易于实现自自动控制，同控制，同时也易于也易于实现无掩模的聚焦离子束技无掩模的聚焦离子束技术；8、扩大了大了杂质的的选择范范围；9、横向、横向扩展小，有利于提高集成展小，有利于提高集成电路的集成度、提高路的集成度、提高器件和集成器件和集成电路的工作路的工作频率；率；10、离子注入中通、离子注入中通过质量分析器量分析器选出出单一的一的杂质离子，离子，保保证了了掺杂的的纯度。度。缺点：缺点：1、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷；、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷；2、离子注入难以获得很深的结深；、离子注入难以获得很深的结深；3、离子注入的生产效率比扩散工艺低；、离子注入的生产效率比扩散工艺低；4、离子注入系统复杂昂贵。、离子注入系统复杂昂贵。ENDTHANK YOU!