半導體制造技術第十七章(編輯修改稿)
2025-06-20 01:07 本頁面
【文章內容簡介】 ? 離子注入是將摻雜劑通過離子注入機的離化、加速和質量分析，成為一束由所需雜質離子組成的高能離子流而投入半導體晶片（俗稱為靶）內部，并通過逐點掃描完成對晶片的注入。 ? 離子注入的基本過程 1. 將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經離化變成帶電的離子。 2. 在強電場中加速，獲得較高的動能后，射入材料表層（靶）。 3. 改變材料表層的物理或化學性質。 離子注入的優(yōu)點 1. 精確控制摻雜濃度 2. 很好的雜質均勻性 3. 對雜質深度很好控制 4. 產生單一離子束 5. 低溫工藝 6. 注入的離子能穿過薄膜 7. 無固溶度極限 缺點 ? 。高溫退火修復。 ? （比擴散） 注入劑量 能量 ItQe nA? K E nV?離子注入過程是一個非平衡過程，高能離子進入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失能量，最后停下來。停下來的位置是隨機的，大部分不在晶格上，因而沒有電活性。 離子注入劑量 ? 注入劑量是單位面積晶圓表面注入的離子數，可通過下面的公式計算得出 I：束流 單位：庫侖 /秒 （安培） E：電子電荷 1019庫侖 t：注入時間 （秒） n：離子電荷（如 B＋ 等于 1） A：注入面積 單位 cm2 en AItQ ?離子射程 ? 離子射程就是注入時，離子進入晶圓內部后，從表面到停止所經過的路程。入射離子能量越高，射程就會越長。 ? 投影射程是離子注入晶圓內部的深度，它取決于離子的質量、能量、晶圓的質量以及離子入射方向與晶向之間的關系。有的離子射程遠，有的射程近，而有的離子還會發(fā)生橫向移動，綜合所有的離子運動，就產生了投影偏差。 雜質離子的射程和投影射程 Incident ion beam Silicon substrate Stopping point for a single ion Rp DRp dopant distribution Figure 離子注入機的種類 注入系統(tǒng)分類 描述和應用 中 、低 電流 ? 高純離子束，電流 10 mA. ? 束流能量 180 k eV. ? 多數情況下硅片固定，掃描離子束 . ? 穿通注入專用 . 大電流 ? 離子束電流 10 mA ，大注入到達 25 mA. ? 離子束能量小于 120 k eV. ? 大多數情況下離子束固定，硅片掃描 . ? 超淺結源 / 漏注入，超低能束流 (4keV down to 200 e V). 高能 ? 束流能量超過 200 k eV 到幾 MeV. ? 向溝槽或厚氧化層下面注入雜質 . ? 能形成倒摻雜阱和埋層 . 氧注入機 ? 大電流系統(tǒng)，用于 ( SO I) 的氧注入 . Table 核 碰撞和電子碰撞 ? 注入離子如何在晶圓內靜止？ – 1963年， Lindhard, Scharff and Schiott首先確立了注入離子在靶內分布理論，簡稱 LSS理論。 – 該理論認為，注入離子在靶內的能量損失分為兩個彼此獨立的過程。 ? 核碰撞（核阻止 nuclear stopping） ? 電子碰撞（電子阻止 electronic stopping） – 總能量損失為核碰撞與電子碰撞的和。 核碰撞 ——注入離子與靶內原子核間的碰撞 – 兩粒子之間的相互作用力是電荷作用。 – 質量為同一數量級，故碰撞后注入離子會發(fā)生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而獲得能量，如果獲得的能量大于原子束縛能，就會離開原來所在晶格位置，進入晶格間隙，并留下一個空位，形成缺陷。 電子碰撞 ——注入離子與靶內自由電子以及束縛電子間的碰撞，能瞬時地形成電子 空穴對。 – 兩者質量相差極大（ 104量級），碰撞后注入離子的能量損失很小，散射角度也小，即每次碰撞都不會顯著地改變注入離子的動量，又由于散射方向是隨機的，雖然經過多次散射，注入離子運動方向基本不變。 總阻止本領（ Total stopping power） ?核阻止本領在低能量下起主要作用（注入分布的尾端） ?電子阻止本領在高能量下起主要作用 核阻止和電子阻止相等的能量 橫向效應 雜質與硅原子碰撞所產生的散射會造成雜質往橫向注入。橫向效應是指注入離子在垂直入射方向的平面內的分布情況，會影響 MOS管的有效溝道長度。橫向效應與注入離子的種類及入射離子的能量有關。 溝道效應 ? 溝道效應：對晶體靶進行離子注入時，由于晶體排列的特性使得某些角度上有長距離的開口。假如注入離子運動方向與這些隧道般的開口相平行，這些注入的離子將不會與靶原子發(fā)生碰撞而深深地注入襯底之中。 ? 溝道效應導致對注入離子在深度控制上有困難，使離子的注入距離超出預期的深度，使元件的功能受損。 110 111 100 傾斜旋轉硅片后的無序方向 控制溝道效應的方法 ? 傾斜硅片 ? 掩蔽氧化層 ? 硅預非晶化 ? 使用質量較大的原子 離子注入機 Ion source Analyzing mag Acceleration column Ion beam Plasma Process chamber E
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