集成电路工艺原理

集成电路工艺原理第七章离子注入原理 ( 上 ) 1/35

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集成电路工艺原理

仇志军

[email protected]邯郸校区物理楼 435 室


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大纲第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章薄膜淀积第九章刻蚀第十章后端工艺与集成第十一章未来趋势与挑战


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有关扩散方面的主要内容费克第二定律的运用和特殊解特征扩散长度的物理含义非本征扩散常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用常用扩散掺杂方法常用扩散掺杂层的质量测量

Distribution according to error function

Dt

xCtxC s

2erfc,

Dt

x

Dt

QtxC T

4exp,

2

Distribution accordingto Gaussian function


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实际工艺中二步扩散

第一步为恒定表面浓度的扩散（ Pre-deposition ）（称为预沉积或预扩散）控制掺入的杂质总量

11

12tD

CQ

第二步为有限源的扩散（ Drive-in ），往往同时氧化（称为主扩散或再分布）控制扩散深度和表面浓度

22

111

22

2

2

tD

tDC

tD

QC


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什么是离子注入离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质

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）

以改变这种材料表层的物理或化学性质


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离子注入特点可通过精确控制掺杂剂量（ 1011-1018 cm-2 ）和能量（ 1-400 keV ）来

达到各种杂质浓度分布与注入浓度平面上杂质掺杂分布非常均匀（ 1% variation across an 8’’ wafer ）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注入元素可以非常纯，杂质单一性可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由

度大离子注入属于低温过程（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横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小• 会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进• 设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机）• 有不安全因素，如高压、有毒气体


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磁分析器

离子源

加速管

聚焦扫描系统

靶

r dtq

IA

Q 1

BF3： B++ ， B+ ， BF2+ ，

F+, BF+ ， BF++

B10

B11


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a) 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（ 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源分子或原子，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，射向磁分析器

气体源： BF3 ， AsH3 ， PH3 ， Ar ， GeH4 ， O2 ， N2 ， ...离子源： B ， As ， Ga ， Ge ， Sb ， P ， ...


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离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。


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注入离子如何在体内静止？

LSS 理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究

• 1963年， Lindhard, Scharff and Schiott首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称 LSS 理论。

• 该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程

(1) 核阻止（ nuclear stopping ） (2) 电子阻止（ electronic stopping ）

• 总能量损失为两者的和


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核阻止本领与电子阻止本领 -LSS 理论阻止本领（ stopping power ）：材料中注入离子的能量损失大小

单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量 (Sn(E), Se

(E) )。

核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。

电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。


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ESESNdx

dEen

-dE/dx：能量随距离损失的平均速率

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 /截面 (eVcm2)

Se(E)：电子阻止本领 /截面（ eVcm2)

N: 靶原子密度～ 51022 cm-3 for Si

e

en

n dx

dE

NES

dx

dE

NES

1,

1

LSS 理论

能量 E 的函数

能量为 E 的入射粒子在密度为 N 的靶内走过 x距离后损失的能量


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核阻止本领注入离子与靶内原子核之间两体碰撞两粒子之间的相互作用力是电荷作用

摘自 J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295

核阻止能力的一阶近似为：例如：磷离子 Z1 = 15, m1 = 31 注入硅 Z2 = 14, m2 = 28,计算可得：Sn ~ 550 keV-m2

m—— 质量， Z—— 原子序数下标 1—— 离子，下标 2—— 靶

2

21

1

322

321

2115 cmeV108.2mm

m

ZZ

ZZESn

对心碰撞，最大能量转移：

E)m(m

mmETrans 2

21

214


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电子阻止本领

把固体中的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正比。

非局部电子阻

止局部电子阻

止

22/1152/1 cmeV102.0, kkECvES ione

不改变入射离子运动方向电荷 / 动量交换导致入射离子运动方向的改变（ <核间作用）


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总阻止本领（ Total stopping power ）

核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）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


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离子 E2

B 17 keVP 150 keVAs, Sb >500 keV

n

n

n

e


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表面处晶格损伤较小射程终点（ EO

R ）处晶格损伤大


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R：射程（ range ）离子在靶内的总路线长度 Rp：投影射程（ project

ed range ） R 在入射方向上的投影

Rp：标准偏差（ Straggling ），投影射程的平均偏差R：横向标准偏差（ Traverse straggling ） , 垂直于入射方向平面上的标准偏差。

射程分布：平均投影射程 Rp ，标准偏差 Rp ，横向标准偏差 R

非晶靶中注入离子的浓度分布


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0

00

1E

en

R

p ESES

dE

NdxR

p

投影射程 Rp:

Rp

Rp

RRp

Rp

R

Rp

Rp

R


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注入离子的浓度分布在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式

2

2

1exp

p

pP R

RxCxC 200 keV 注入

元素原子质量Sb 122As 74P 31B 11

Cp


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ppCRdxxCQ

2

Q：为离子注入剂量（ Dose ） , 单位为 ions/cm2 ，可以从测量积分束流得到

2

2exp

2)(

p

p

p R

Rx

R

QxC

ppP R

Q

R

QC

4.0

2

由，可以得到：


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Q 可以精确控制

dtq

IA

Q 1

A 为注入面积， I 为硅片背面搜集到的束流（ Farady Cup ）， t 为积分时间，q 为离子所带的电荷。

例如：当 A＝ 20×20 cm2 ， I＝ 0.1 A 时，

satoms/cm1056.1 29AqI

tQ

而对于一般 NMOS 的 VT调节的剂量为： B ＋ 1-5×1012 cm-2

注入时间为 ~30 分钟对比一下：如果采用预淀积扩散（ 1000 C ），表面浓度为固溶度 1020 cm-3 时，D～ 10-14 cm2/s 每秒剂量达 1013/cm2

I＝ 0.01 A～mA

DtC

Q s

2


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常用注入离子在不同注入能量下的特性

平均投影射程 Rp

标准偏差 Rp


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已知注入离子的能量和剂量，估算注入离子在靶中的浓度和结深问题： 140 keV 的 B+ 离子注入到直径为 150 mm 的硅靶中。注入剂量 Q=5×10 14/cm2 （衬底浓度 2×1016 /cm3 ） 1) 试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、峰值浓度、结深 2) 如注入时间为 1 分钟，估算所需束流。


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【解】 1) 从查图或查表得 Rp=4289 Å=0.43 m RpÅm 峰值浓度 Cp=0.4Q/Rp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019 cm-3

衬底浓度 CB＝ 2×1016 cm-3

xj=0.734 m

2) 注入的总离子数 Q＝掺杂剂量 × 硅片面积＝ 5×1014×[(15/2)2]=8.8×1016 离子数 I＝ qQ/t ＝ [(1.6×10 － 19C)(8.8×1016)]/60 sec=0.23 mA

2

21exp

p

pjpBj R

RxCCxC


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注入离子的真实分布

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（背散射），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。


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横向效应

横向效应指的是注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况

横向效应影响MOS 晶体管的有效沟道长度。

2

2

1exp

2

)(),(

R

y

R

xCyxC

R （μm

）


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35 keV As 注入 120 keV As 注入


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注入掩蔽层——掩蔽层应该多厚？

B

mPm C

R

RxCxC

P

P

2*

2**

2exp)(*

如果要求掩膜层能完全阻挡离子

xm 为恰好能够完全阻挡离子的掩膜厚度Rp

* 为离子在掩蔽层中的平均射程， Rp

* 为离子在掩蔽层中的射程标准偏差


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***

** ln2 PPB

PPPm RmR

C

CRRx

解出所需的掩膜层厚度：

穿过掩膜层的剂量：

*

*2

*

*

* 2erfc

22

1exp

2 p

Pm

x p

P

p

PR

RxQdx

R

Rx

R

QQ

m

余误差函数


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离子注入退火后的杂质分布

Dt

x

Dt

QtxC

4exp

2,

2

2

2exp

2 p

p

p R

Rx

R

QxC

00

2

2

)(tD

Rp

DtR

Rx

DtR

QtxC

P

P

P22

exp22

,2

2

2

Dt D0t0＋ Dt

一个高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其标准偏差和峰值浓度发生改变。


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典型离子注入参数离子： P ， As ， Sb ， B ， In ， O

剂量： 1011~1018 cm-2

能量： 1– 400 keV

可重复性和均匀性 : ±1%

温度：室温流量： 1012-1014 cm-2s-1


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本节课主要内容

LSS 理论？阻止能力的含义？

离子注入的杂质分布？退火后？

离子注入的主要特点？

掩蔽膜的厚度？

精确控制掺杂，浅结、浅掺杂，纯度高，低温，多种掩模，…

非晶靶。能量损失为两个彼此独立的过程 (1) 核阻止与(2) 电子阻止之和。能量为 E的入射粒子在密度为 N 的靶内走过 x距离后损失的能量。

掩膜层能完全阻挡离子的条件： Bm CxC *

2

2

1exp

p

pp R

RxCxC

pP R

QC

4.0

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