扩散与离子注入.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十七章,扩散和,离子注入,1,17.1,引 言,本章主要内容：,扩散工艺和离子注入工艺,扩散和离子注入,工艺的应用,扩散和离子注入,设备,本章知识要点：,掌握掺杂的目的和应用；,掌握扩散和离子注入的原理及其应用；,掌握退火效应和沟道效应,了解离子注入设备。,2,掺杂原因：,本征硅导电能力很差。,在硅中加入一定数量和种类的,杂质,，改变其电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。,17.1,引 言,3,半导体常用杂质,17.1,引 言,4,扩散,:,是将一定数量和一定种类的杂质通过,高温,扩散掺入到硅或其它晶体中，以改变晶体的电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求的过程。,离子注入,:,是在高真空的复杂系统中，产生电离杂质并形成高能量的离子束，入射到硅片靶中进行掺杂的过程。,Oxide,Oxide,P Silicon substrate,Diffused,region,N,Dopant gas,束扫描,Mask,Mask,Silicon substrate,x,j,离子注入机,17.1,引 言,5,掺杂方式,扩散：,掺杂总量及浓度分布受,扩散时间,和,温度影响,；形成,特征尺寸较大,；扩散温度较高，需,氧化物或氮化物,作为,掩膜,。,离子注入,：杂质总量及浓度分布受,注入剂量,、,能量,和,推结时间,及,温度,决定。适于,小特征尺寸,的芯片。注入,温度较低,，常用,光刻胶,作为,掩膜,。,17.1,引 言,6,具有掺杂区的,CMOS,结构,17.1,引 言,7,17.1,引 言,8,亚微米,CMOS IC,制造厂典型的硅片流程模型,测试,/,拣选,t,注入,扩散,刻蚀,抛光,光刻,完成的硅片,无图形的硅片,硅片起始,薄膜,硅片制造前端,17.1,引 言,9,17.2,扩散,10,扩散原理,固溶度,扩散机构,扩散方式,扩散工艺,扩散效应,17.2,扩 散,11,17.2.1,扩散原理,扩散：,粒子从浓度较高的地方向着浓度较低的地方移动，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀；,浓度的差别越大，扩散越快；,温度越高，扩散也越快,。,目的：,在硅中加入一定数量和种类的杂质，改变其电学性质,。,扩散方式,：,气态；液态；固态,12,1100,硅中的固溶度,固溶度：,在一定温度下，衬底能够吸收杂质浓度的上限,。,17.2.2,固溶度,13,在间隙位置被转移的硅原子,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,c),机械的间隙转移,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,a),硅晶格结构,b),替位扩散,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Vacancy,Dopant,d),间隙扩散,Si,Si,Si,Si,Si,SiSi,Si,Si,间隙式杂质,(,杂质原子半径较小,),17.2.3,杂质扩散机构,14,杂质原子在半导体中扩散的方式有两种：,间隙式扩散：间隙式杂质原子在晶格的间隙位置间运动。,替位式扩散：替位式杂质原子依靠周围空的格点（即空位）来进行扩散。,如对硅而言，,Au,、,Ag,、,Cu,、,Fe,、,Ni,等半径较小的杂质原子按间隙式扩散；,P,、,As,、,Sb,、,B,、,Al,、,Ga,、,In,等半径较大的杂质原子按替位式扩散。,17.2.3,杂质扩散机构,15,间隙式扩散：,必须要越过一个高度为,E,i,为,0.61.2eV,的势垒,越过势垒的几率：,扩散系数：,17.2.3,杂质扩散机构,16,替位式扩散：,只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位（势垒高度,E,v,），同时还需大于势垒高度,E,s,的能量，替位杂质才能运动到近邻空位上。,越过势垒的几率：,扩散系数：,由于（,E,v+,E,s,）比,E,i,大（其差值远大于,kT,），因而,替位杂质扩散远比间隙杂质的扩散慢,17.2.3,杂质扩散机构,17,17.2.3,杂质扩散机构,扩散系数与温度有关,D,0,：,扩散率,E,：扩散工艺激活能,k,0,：,玻耳兹曼常数,T,：绝对温度。,18,扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度,保持不变,表面杂质浓度由,该杂质在此温度下的,固溶度,决定：,边界条件,1,：,N,(0,t)=,N,s,假定杂质在硅片内扩散的深度远小于硅片的厚度：,边界条件,2,：,N,(,t)=0,在扩散开始时，硅片内没有杂质扩进，初始条件为：,N,(x,0)=,0 x 0,一、恒定表面浓度的扩散,17.2.4,杂质扩散方式,19,x,是由表面算起的垂直距离,(cm),，,t,代表扩散时间,(s),恒定表面源扩散，杂质为余误差分布,17.2.4,杂质扩散方式,20,在一定扩散温度下，表面杂质浓度,N,s为由扩散温度下的,固溶度,决定。,扩散时间越长，扩散温度越高，扩散进硅片内的杂质数量,就越多。对单位面积的半导体而言，在,t 时间内扩散到体内的杂质总量可求出：,恒定表面源扩散的主要特点,扩散时间越长，温度越高，扩散深度越大。结深的位置由,N,(x,j,t)=,N,B,和,上面公式可得：,17.2.4,杂质扩散方式,21,扩散开始时，半导体表面,杂质源总量一定,，此种扩散称为有限源扩散。,假定扩散开始时硅表面单位面积的杂质总量为Q，且均匀地在一极薄的一层内（厚度h）,，杂质在硅片内要扩散的深度远大于,h。,初始条件和边界条件为：,N,(,x,0,),=0，x h,N,(,x,0,),=Ns=Q/h，0 x h,N(,t)=0,二、有限源扩散,:,17.2.4,杂质扩散方式,22,有限源扩散，杂质分布为高斯分布,17.2.4,杂质扩散方式,23,扩散时间越长，杂质扩散越深，表面浓度越低；扩散温度越高，杂质扩散得也越深，表面浓度下降得越多；,在整个扩散过程中，杂质总量Q,保持不变,。,表面杂质浓度可控，任何,t,时刻的表面浓度为：,因此有限源扩散的杂质分布也可表示为：,有限源扩散,的主要特点,:,17.2.4,杂质扩散方式,24,结深为：,表面浓度,N,s,与扩散深度成反比，扩散越深，则表面浓度越低；,N,B,越大，结深将越浅。,17.2.4,杂质扩散方式,25,为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求，实际生产中常采用两步扩散工艺：,第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表面源扩散方式，其分布为余误差函数，目的在于控制扩散杂质总量；,第二步称为主扩散或再分布，将表面已沉积杂质的硅片在较高温度下扩散，以控制扩散深度和表面浓度。,激活：,杂质原子与衬底原子形成共价键，成为替位式杂质,。,17.2.4,杂质扩散方式,在引入扩散源后作推进扩散时，常常会在硅片上表面有一氧化层或其它覆盖层保护硅片，使硅片中的杂质不会挥发到大气中去。,26,17.2.6,扩散工艺,液态源扩散系统,固态源扩散系统,气态源扩散系统,磷烷,(PH,4,),、砷烷,(AsH,3,),、氢化锑,(SbH,3,),、乙硼烷,(H,2,B,6,),等,(,剧毒气体,),三氯氧磷,(POCl3),、,硼酸三甲脂,B(CH3)O3,（,B2O3,，,P2O5,，,BN,等）,27磷的液态源扩散,三氯氧磷（,POCl,3,）是普遍选用的液态源，无色透明液体，有毒，在室温下具有较高的蒸气压。磷的液态源扩散做为预扩散，其化学反应式：,POCl,3,PCl,5,P,2,O,5,PCl,5,O,2,P,2,O,5,Cl,2,POCl,3,O,2,P,2,O,5,Cl,2,P,2,O,5,Si P,SiO,2,17.2.6,扩散工艺,28,硼的涂源扩散,B2O3,乳胶源是普遍选用的扩散源，该源无毒。通过旋转涂敷到硅片上，经过烘培除去有机溶剂然后进入高温炉进行预扩散。其化学反应式：,B,2,O,3,Si B,SiO,2,17.2.6,扩散工艺,29,方块电阻,(Rs:,单位为,/),和结深是扩散的重要工艺参数，两个参数已知则扩散分布曲线也可确定下来。,结深测量,:,磨角染色法,HF,与,0,1,HNO3,的混合液，使,p,区的显示的颜色比,n,区深,方块电阻,(Rs:,单位为,/,):,17.2.6,扩散工艺,V,I,t,S S S,1,4,3,2,30,17.2.7,横向扩散,原子扩散进入硅片，向各个方向运动：硅的,内部,、,横向,和重新,离开,硅片。,杂质原子沿硅片表面方向迁移，发生,横向扩散,。热扩散中的横向扩散通常是纵向结深的,75%,一,85,。,横向扩散导致沟道长度的减小，影响器件的集成度和性能。,31,硼、磷杂质在,SiO,2,Si,界面的分凝效应,在硼、磷杂质的再扩散中，总是要生长一定厚度的,SiO,2,，杂质在,SiO,2,Si,界面发生分凝效应，使杂质在,SiO,2,和,Si,中重新分布，其结果造成在硅中的硼杂质总量比磷损失的多，其现象俗称,SiO,2,吸硼排磷。,17.2.7,扩散效应,32,17.2.8,扩散常用杂质源,33,17.3,离子注入,34,a),低掺杂浓度,(n,p,),浅结,(x,j,),Mask,Mask,Silicon substrate,x,j,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,(n,+,p,+,),和深结,(x,j,),束扫描,高能,大剂量,慢速扫描,Mask,Mask,Silicon substrate,x,j,离子注入机,离子注入：,一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学性能的方法。它是一个,物理过程，,即,不发生化学反应,。,17.3,离子注入,35,离子源,分析磁体,加速管,离子束,等离子体,工艺腔,吸出组件,扫描盘,离子注入机示意图,17.3,离子注入,离子注入的基本过程,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,在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶,）,36,17.3.1,离子注入特点,离子注入的优点：,精确地控制掺杂浓度和掺杂深度,可以获得任意的杂质浓度分布,杂质浓度均匀性、重复性很好,掺杂温度低,沾污少,无固溶度极限,37,离子注入的缺点：,1.,高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤,2.,注入设备复杂昂贵,17.3.1,离子注入特点,38,剂量：,剂量是单位面积硅片表面注入的离子数，单位是原子每平方厘米。,Q,：剂量，原子数,/cm,2,；,I,：束流，库伦,/,秒；,n,：每个离子的电荷数；,A,：注入面积；,t,：时间。,离子注入是硅片制造的重要技术，主要原因之一是它能够,重复,向硅片中,注入相同剂量的杂质,。,17.3.2,离子注入参数,39,注入能量,:,离子注入的能量用电子电荷与电势差的乘积来表示。单位：千电子伏特,KeV,带有一个正电荷的离子在电势差为,100KV,的电场运动，它的能量为,100KeV,17.3.2,离子注入参数,40,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,X-rays,电子碰撞,原子碰撞,被移动的硅原子,携能杂质原子,硅晶格,主要能量损失机制是,电子阻止,和,核阻止,；,电子阻止是,杂质原子,与靶材料的,电子,发生碰撞；,核阻止是,杂质原子,与,硅原子,发生碰撞，造成硅原子的移位。,17.3.2,离子注入参数,41,17.3.2,离子注入参数,核阻止本领在低能量下起主要作用,电子阻止本领在高能量下起主要作用,核阻止和电子阻止相等的能量,注入离子在靶内分布理论，简称,LSS,理论,42,射程,R:,指的是离子注入过程中，离子穿入硅片所走过的总距离。,投影射程,R,pi,:,射程在入射方向上的投影。投影射程也是停止点与靶表面直距的垂离。决定于离子质量和能量、靶的质量和离子束相对于硅片晶体结构的方向。,平均投影射程,R,P,:,投影射程的平均标准偏差,R,p,：,表示注入杂质在,R,P,附近的分布,17.3.2,离子注入参数,入射离子束,Silicon substrate,对单个离子停止点,R,pi,D,R,p,杂质分布,43,注入能量增加，投影射程增加，杂质浓度的峰值会因偏差的增加而降低。,投影射程图能够预测一定注入能量下的投影射程,投影射程图,17.3.2,离子注入参数,44,17.3.3,离子注入浓度分布,为样品表面单位面积注入的离子总数（注入剂量，单位,:cm,-2,),。,R,P,是平均投影射程，离子注入深度的平均值。,注入离子在无定形靶中的浓度分布为高斯分布,:,45,注入离子浓度分布的特点：,(1)最大浓度位置在样品内的平均投影射程处：,(2)注入离子的剂量越大，浓度峰值越高；(3)注入离子的能量,E,（20200 KeV）越大，,R,P,、,R,P,相应越大，浓度峰值越低。(4)在x=,R,P,处的两边，注入离子浓度对称地下降，且下降速度越来越快。,17.3.3,离子注入浓度分布,46,17.3.3,离子注入浓度分布,离子注入结深,Xj,其中,:,N,B,为衬底浓度,47,17.3.3,离子注入浓度分布,真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布,当轻离子硼（,B,）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射,会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。,注入离子的真实分布,48,入射能量,（,KEV,）,注入的离子,20,40,60,80,100,120,140,160,180,B,R,P,662,1302,1903,2465,2994,3496,3974,4432,4872,R,P,283,443,556,641,710,766,813,854,890,P,R,P,253,486,730,891,1238,1497,1757,2019,2279,R,P,119,212,298,380,456,528,595,659,719,As,R,P,159,269,374,478,582,686,791,898,1005,R,P,59,99,136,172,207,241,275,308,341,各种离子在,Si,中的,Rp,和,Rp,值,(),17.3.3,离子注入浓度分布,49,各种离子在,光刻胶,中的,Rp,和,Rp,值,(),入射能量,（,KEV,）,注入的离子,20,40,60,80,100,120,140,160,180,B,R,P,2267,4587,6736,872110569,12305,13947,15511,17007,R,P,475,763,955,1095,1202,1288,1359,1420,1472,P,R,P,866,1654,2474,3320,4182,5053,5927,6803,7675,R,P,198,353,499,636,765,886,999,1104,1203,As,R,P,673,1129,1553,1966,2375,2783,3192,3602,4015,R,P,126,207,286,349,415,480,543,606,667,17.3.3,离子注入浓度分布,50,各种离子在,SiO2,中的,Rp,和,Rp值,(),入射能量,（,KEV,）,注入的离子,20,40,60,80,100,120,140,160,180,B,R,P,622,1283,1921,2528,3140,3653,4179,4685,5172,R,P,252,418,540,634,710,774,827,874,914,P,R,P,199,388,586,792,1002,1215,1429,1644,1859,R,P,84,152,216,276,333,387,437,485,529,As,R,P,127,217,303,388,473,559,646,734,823,R,P,43,72,99,125,151,176201,226,251,17.3.3,离子注入浓度分布,51,各种离子在,Si3N4,中的,Rp,和,Rp,值,(),入射能量,（,KEV,）,注入的离子,20,40,60,80,100,120,140,160,180,B,R,P,480,990,1482,1950,2396,2820,3226,3617,3994,R,P,196,326,422,496,555,605,647,684,716,P,R,P,154,300,453,612,774,939,1105,1271,1437,R,P,65,118,168,215,259,301,340,377,411,As,R,P,99,169,235,301,367,433,500,586,637,R,P,33,56,77,97,118,137,157,176,195,17.3.3,离子注入浓度分布,52,轻离子冲击,重离子冲击,轻离子和重离子引起的损伤,轻离子注入损伤密度小，但区域较大；,重离子注入损伤密度大，但区域很小。,17.3.4,离子注入效应,53,硅单晶的退火,a),注入过程中损伤的硅晶格,离子束,修复硅晶格结构并激活杂质一硅键,b),退火后的硅晶格,高温退火,：,激活杂质,(950),，修复晶格损伤,(500),。,退火方法：,高温炉退火,：,800-1000,度退火,30,分钟，导致杂质的再扩散,快速热退火,：,1000下短暂时间退火，减小瞬时增强扩散。,17.3.4,离子注入效应,54,沿,轴的硅晶格视图,沟道效应,：离子沿某些方向渗入的速度比其它方向大，使离子峰值在,Si,片更深处或呈现双峰值的杂质分布。,Si,的,晶向为开沟方向，是注入最深的方向,17.3.4,离子注入效应,55,控制沟道效应的方法：,注入时，倾斜硅片；掩蔽氧化层；,硅预非晶化；使用质量较大的原子。,有、无沟道效应时的杂质浓度分布,17.3.4,离子注入效应,56,倾斜硅片,（,100,）硅片：偏离垂直方向,7,度；,晶向：旋转硅片,15,到,35,度；,超,浅结低能注入：倾斜硅片几乎不起什么作用。,17.3.4,离子注入效应,57,控制沟道效应的方法,1.,倾斜硅片：常用方法,2.,缓冲氧化层：离子通过氧化层后，方向随机。,3.,硅预非晶化：增加,Si,+,注入，低能量（,1KEV,）浅注入应用非常有效,4.,使用质量较大的原子,17.3.4,离子注入效应,58,17.4,离子注入的应用,59,17.4,离子注入的应用,深埋层,倒掺杂阱,穿通阻挡层,阈值电压调整,轻掺杂漏极,(LDD),源,/,漏 注入,多晶硅栅,沟槽电容,超浅结,绝缘体上硅,(SOI),60,17.4.1,深埋层,深埋层：,用高能离子注入,(,大于,200keV),实现。,三阱结构,有一个埋层在掺杂阱下面的注入阱，改进器件性能和封装密度。,应用埋层的一个重要原因是控制,CMOS,电路的闩锁效应。,61,倒掺杂阱,：注入杂质浓度峰值在硅片表面下一定深度处，改进晶体管抵抗闩锁效应和穿通的能力,17.4.2,倒掺杂阱,62,穿通,：漏耗尽区向轻掺杂沟道区扩展，与源耗尽区连通的现象。防穿通注入的杂质位于临近源漏区的有源沟道下。,17.4.3,穿通阻挡层,63,阈值调整,：在沟道区硅层下注入杂质，调整到所需浓度。,17.4.4,阈值电压调整,64,17.5.5 LDD,注入,LDD,：,LDD,注入在沟道边缘的界面区域产生复杂的横向和纵向杂质剖面。减小了结和沟道区间的电场，把结中的最大电场位置与沟道中的最大电流路径分离，以防止产生热载流子。,65,17.5.6,源漏注入,S/D,注入,：,形成重掺杂区,。,As,注入通常用来形成,nMOS,的源漏区；,B,或,BF,2,注入用来形成,pMOS,的源漏区。,66,17.4.7,多晶硅栅,多晶硅栅掺杂,：,在源漏区,注入时，对多晶硅栅进行掺杂，以减小电阻。,67,n,+,dopant,n,+,p,+,倾斜注入,形成电容器的沟槽,17.4.8,沟槽电容器,沟槽电容器,：在硅中用干法刻蚀沟槽形成。为了获得足够的电容，在电容器侧墙很薄一层中的杂质浓度应达到约,10,19,/cm,3,。,68,180 nm,20 gate oxide,54 nm arsenic implanted layer,Poly gate,17.4.9,超浅结,超浅结,：器件等比例地减小的要求，用大束流低能注入实现。对,0.18,m,工艺，超浅结深约为,54,18nm,；,0.1,m,工艺为,30,10nm,。,69,17.4.10,绝缘层上硅,SIMOX,Silicon Substrate P,+,Silicon Epi Layer P,-,P,-,Well,N,-,Well,N,+,Source,N,+,Drain,P,+,Source,P,+,Drain,Silicon Substrate P,+,Silicon Substrate,P,-,Well,N,-,Well,N,+,Source,N,+,DrainP,+,Source,P,+,Drain,Implanted silicon dioxide,Silicon Substrate P,+,普通的,CMOS,硅片结构,具有,SIMOX,埋氧化层的,CMOS,硅片,70,17.5,离子注入机,71,离子源,分析磁体,加速管,离子束,等离子体,工艺腔,吸出组件,扫描盘,17.5.1,离子注入机结构,72,离子源,引出电极（吸极）和离子分析器,加速管,扫描系统,工艺室,17.5.1,离子注入机结构,73,前板,狭缝,起弧室,灯丝,电子反射器,气体入口,5 V,电子反射器,Anode+100 V,起弧室,气化喷嘴,电炉,气体导入管,DI,冷却水入口,掺杂剂气体入口,17.5.2,离子源,74,吸出组件,源室,涡轮泵,离子源绝缘体,离子源和吸极装配图,起弧室,吸极,吸出组件,离子束,17.5.3,引出电极（吸极）和离子分析器,75,参考端,(PA,电压,),抑制电极,接地电极,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,N,S,N,S,120 V,起弧,吸出组件,离子源,源磁铁,5V,灯丝,To PA,+,离子束,2.5 kV,抑制,60 kV,吸引,吸极系统：收集离子源中产生的所有正离子，形成离子束。,17.5.3,引出电极（吸极）和离子分析器,76,石墨,离子源,分析磁体,离子束,吸出组件,较轻离子,重离子,中性离子,17.5.3,引出电极（吸极）和离子分析器,77,100 M,W,100 M,W,100 M,W,100 M,W,100 M,W,0 kV,+100 kV,+80 kV,+20 kV,+40 kV,+60 kV,+100 kV,离子束,Ion beam,到工艺腔,Electrode,来自分析磁体,17.5.4,加速管,78,邻近吸收,Present applications,Evolving applications,多晶掺杂,源,/,漏,损伤工程,埋层,倒掺杂阱,三阱,V,t,调整,沟道和漏工程,0.1,1,10,100,1000,10,000,10,17,10,11,10,12,10,13,10,14,10,15,10,16,Energy(keV),Dose(atoms/cm,2,),剂量与能量图,17.5.4,加速管,79,Source,原子质量分析磁体,线性加速器,最终能量分析磁体,扫描盘,Wafer,大电流高能离子束,：用于注入掩埋杂质层，如倒掺杂阱和三阱。,减少注入时间，提高产量。,17.5.4,加速管,80,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,离子束膨胀剖面,掺杂离子,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,具有空间电荷中和的离子束剖面,二次电子,空间电荷中和正电荷间相互排斥，造成离子束膨胀，导致注入不均匀。,空间电菏中和：二次电子中和正离子的方法。,17.5.4,加速管,81,源,分析磁体,加速管,中性束流陷阱,聚焦阳极,Y-axis,偏转,X-axis,偏转,中性束流路径,Wafer,离子束,接地的收集板,中性束流陷阱,杂质离子与残留气体分子碰撞，获得一个电子，形成中性离子。,中性束流陷阱：利用偏转电极，使离子束发生偏转。中性离子不能偏转，它们将继续直行，撞击到接地的收集板上。,17.5.4,加速管,82,17.5.5,扫描系统,聚束离子束,通过扫描覆盖整个硅片：中等电流的注入机束斑约,1cm,2,，大电流的约为,3cm,2,。,扫描方式,：固定硅片，移动束斑,-,中低电流注入机；,固定束斑，移动硅片,-,大电流注入机。,注入机中的,扫描系统,：,静电扫描；,机械扫描,混合扫描,平行扫描,83,+,离子束,Y-axis,偏转,X-axis,偏转,Wafer,旋转,倾斜,高频,X-axis,偏转,低频,Y-axis,偏转,静电离子束扫描,静电扫描,：在,X-Y,电极上加特定电压，使离子束发生偏转，注入到固定的硅片上。,用电磁场能够获得与静电相同的效果。,17.5.5,扫描系统,84,静电扫描优点,：,硅片固定，降低颗粒沾污,；,电子和中性离子不发生偏转，能够从束流中消除。,静电扫描缺点：,离子束不能垂直轰击硅片，会导致光刻材料的阴影效应，阻碍离子束的注入。,b),正常倾斜的静电扫描,Resist,离子束,a),无倾斜的机械扫描,离子束,Resist,17.5.5,扫描系统,85,机械扫描,扫描外半径,扫描内半径,注入面积,(,计算的,),溢出杯,旋转,离子束,机械扫描,：离子束固定，硅片机械移动。,一般用于,大电流,注入机。,优点,：每次注入一批硅片，有效地平均了离子束能量，减弱了硅片由于吸收离子能量而加热。,缺点,：产生较多的颗粒。,17.5.5,扫描系统,86,混合扫描,：,硅片,放置在轮盘上旋转，并,沿,y,轴方向扫描,。,离子束,在静电,(,或电磁,),的作用下,沿,x,轴方向扫描,。用于,中低电流注入,，每次注入一个硅片。,平行扫描,：静电扫描的离子束与硅片表面不垂直，容易导致阴影效应。平行扫描的,离子束,与硅片表面的角度,小于,0.5,度,，因而能够,减小阴影效应和沟道效应,。平行扫描中，离子束先静电扫描，然后通过一组磁铁，调整它的角度，使其垂直注入硅片表面。,17.5.5,扫描系统,87,硅片充电,：在注入过程中，离子束撞击硅片导致正离子在掩蔽层上的积累。,改变离子束中的,电荷平衡,，使束斑扩大，剂量分布不均匀。,损害表面氧化层,，如栅氧化层导致器件出现可靠性问题。,解决办法,：,电子喷淋,-,向硅片表面喷发低能电子。,等离子喷淋。,17.5.6,控制硅片充电的电子喷淋,88,+,+,+,+,离子束,负偏置孔径,电子枪,二次电子靶,二次电子,正离子与负电子复合,Wafer,17.5.6,控制硅片充电的电子喷淋,89,负偏置孔径,Ion beam,中性化原子,硅片扫描方向,电流,(,剂量,),检测计,等离子电子喷淋腔,氩气入口,电子发射,腔壁,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,S,N,S,N,+,+,+,+,+,+,+,+,Ar,Ar,Ar,等离子体电子喷淋,优点,：不产生高能电子，即只利用了低能电子，有效减少了硅片形成的电荷和损害。,17.5.6,控制硅片充电的电子喷淋,90,VIISion,终端台,工艺腔,终端子系统,源子系统,注入子系统,操作界面,片架真空锁,硅片传送器,扫描盘,监视器,墙,17.5.7,注入工艺腔的硅片传送器,91,带硅片的扫描盘,扫描方向,法拉第杯,抑制栅孔径,电流积分仪,在硅片的取样狭缝,离子束,17.5.8,法拉第杯电流测量,92,17.5.9,离子注入机的种类,93,