微電子工藝學第五章離子注入IonImplantation離子注入定義定義：將摻雜劑通過離子注入機的離化、加速和質量分析，形成一束由所需雜質離子組成的高能離子流，打入半導體晶片內部，并通過逐點掃描完成對整塊晶片的注入。 離子注入的設想始于20世紀50年代，于70年代進入實用階段。離子注入實現(xiàn)MOSFET的源、漏、柵摻雜擴散摻雜各向同性，所以會有橫向擴散，而離子注入是各向異性，橫向擴散很小；擴散摻雜需要“硬”掩蔽膜，因為需要高溫熱處理；而離子注入則可用“軟”掩蔽膜，因為離子注入過程中不需要高溫熱處理。離子注入的優(yōu)缺點 與熱擴散相比，有如下優(yōu)點：1、工藝過程無污染；2、能獲得不受固溶度限制的高濃度摻雜；3、摻雜可控；4、低溫工藝；5、掩蔽膜多樣化；6、橫向效應小。 缺點：1、離子對晶格有損傷；2、產率低；3、設備昂貴。離子注入系統(tǒng)離子源質量分析加速器偏束器掃描器電透鏡靶架終端分析問題離子源怎樣產生？（離子產生和萃取）怎樣得到所需要的離子？（質量分析）怎樣控制離子束的方向、能量和束徑？（離子控制）怎樣檢測離子束？（離子檢測）離子源系統(tǒng)（離子是怎樣產生的？）離子源系統(tǒng)有熱電子離子源、射頻離子源、微波離子源等，其目的就是產生離子，對于熱電子離子源來說，其過程如下：放電腔內的燈絲發(fā)射熱電子；電子與氣態(tài)雜質源分子碰撞，雜質源分子分解并離子化；雜質離子被萃取和減速之后通過一個狹縫離開源室，形成離子束；熱電子離子源射頻離子源微波離子源硅工藝中常用的氣體有：BF3，AsH3和PH3，而GaAs工藝中常用的氣體是SiH4和H2。電子從燈絲被發(fā)射出來朝陰極運動，碰撞氣體分子使之分解，例如：BF3可分解為B、B＋、BF2＋、F＋等。為了提高分解效率，在電子流區(qū)域加一磁場，使電子作螺旋運動，增加碰撞機率。萃取電極加上極高的負電壓把正離子拉出來。減速電極與萃取電極之間有一定電位差，目的是為了把萃取出來的離子減速，提高控制性。離子萃取把雜質離子從離子腔里面拉出來；其結構主要包括：萃取電極和減速電極。通過質量分析，篩選出所需要的雜質離子，如B＋質量分析系統(tǒng)－離子選擇質量分析的原理其中：離子質量M，磁場強度B，牽引電壓Vext，離子速度v。通過加一偏場，使離子束中的中性原子分離出來，否則會在靶中心產生過量摻雜。偏束器－分離中性原子和離子束掃描系統(tǒng)離子束的掃描可以通過兩方面實現(xiàn)：一是通過掃描電極實現(xiàn)離子束的掃描；二是通過靶的運動實現(xiàn)離子束的掃描。要注意靶的散熱問題，采用水冷裝置。要注意光刻膠掩膜的分解問題，增大光刻膠的厚度。中和系統(tǒng)電子流系統(tǒng)的目的是為了中和靶表面的正電荷，使靶不會充電，否則會造成靶內摻雜不均勻，靶放電損傷等問題。襯底充電會造成雜質分布不均勻；會造成柵氧化層擊穿。柵二氧化硅的介電強度約為10MV/cm，那么對應100?的SiO2層擊穿電壓為：10V，因此需要對襯底進行離子中和。終端分析探測離子束能量；探測離子束大小；探測離子流大小；工藝中需要注意的問題元素污染；塵埃污染；遮擋問題。元素污染所謂元素污染是指離子束中含有其它雜質。因為雜質離子的選擇是靠m/q，所以只要m/q相同的雜質離子就不能被分離出來。例如：Mo2+與BF2+就難以分離，因為它們具有相近的m/q（49）。因此，普通鋼不能用作離子腔，因為含有較多的雜質。通常使用石墨或鉭離子腔。塵埃污染塵埃顆粒會擋住離子束的注入，尤其是在低能離子注入的情況下。遮擋問題襯底表面凹凸不平，導致某些地方無法被注入。解決辦法：旋轉靶片，從不同角度注入。在離子注入系統(tǒng)中，采用質量分析器來選擇所需的離子。假設牽引電壓是30KV，分析器半徑為30cm，計算選擇硅離子(質量為28)所需要的磁場。并解釋為什么當離子源室真空漏氣的時候，注入分布中會有N2存在？離子注入的過程從離子注入機中出來的高能離子投射到靶的表面，絕大部分離子會進入靶內。進入靶內的離子不斷遭受靶原子的阻擋作用而逐步損失能量，最終能量耗盡，停止在靶內某處。注入離子在靶中的阻擋機制核阻擋機制－與晶格原子核相碰撞；－散射嚴重；－對晶格造成較大的破壞；電子阻擋機制－與晶格里的電子云相碰撞；－入射路線幾乎不會改變，能量損失小；－對晶格幾乎不會產生破壞。由于電子阻擋，離子在單位長度上損失的能量用Se表示：Se=dEe/dx；由于核阻擋，離子在單位長度上損失的能量用Sn表示：Sn=dEn/dx

；那么總能量損失S則可表示為：S＝Se+Sn而Se和Sn可以分別由LSS理論計算出來。其中ke是與離子與靶物質有關的比例常數。可以看出：電子阻擋隨能量增大而增大。其中Z1、Z2和M1、M2分別是離子和靶原子的原子序數和質量。可以看出，核阻擋和能量關系不大。能量損失與離子能量的關系由左圖可以看到：低能范圍內，核阻擋為主，離子越重，能量損失就越大；高能范圍內，電子阻擋為主，具體能量損失與入射離子的外層電子結構有關，也與離子速度有關，入射離子速度越大，電子阻擋的能量損失越大。離子注入深度離子注入靶中，其射程是一條十分曲折的路徑；但在微電子工藝中，所關注的是射程在靶片法線方向上的投影長度，叫投影射程Rp；△Rp則是投影射程的標準偏差，反應了射程的分散寬度，也就是離子主要分布在Rp±△Rp范圍內。離子越小，能量越大，射程越遠；靶原子量越大，射程越短。硅中常用雜質的投影射程和標準偏差與能量關系注入離子的濃度分布（可用高斯分布來進行模擬）例如可用：標準高斯分布；半高斯分布，但對硼是用皮爾遜（Pearson-Ⅳ）分布。其方法是先假定一個幾率分布函數，然后通過實驗結果確定函數中的某些參數。這是一種工程方法。在無定形靶中，雜質的濃度分布可以由高斯函數給出：假設向直徑200mm的硅晶片注入能量為100KeV的硼離子，注入劑量為5×1014離子數/cm2。求峰值濃度。如果注入在1分鐘內完成，求離子束電流。峰值濃度在哪里？離子束電流＝q×離子總數/時間溝道效應：當注入離子方向平行于主晶軸的時候，會出現(xiàn)溝道效應，溝道內核阻作用很小，電子云密度低，因此離子會沿溝道先進很長距離。減弱溝道效應的措施：－提高樣品溫度；－注入方向偏離主晶軸7°－10°；－靶表面淀積非晶層；－預注入，破壞靶表面晶格結構；問題：為什么不采用溝道效應來進行深摻雜？因為離子束很難做與晶軸嚴格平行，所以大部分離子開始于核碰撞，只是小部分離子會沿溝道運動。30KeV，1012cm-2的B11注入到硅中，假設是高斯分布

(a)注入分布峰值的深度是多少？

(b)峰值濃度是多少？

(c)3000埃深處的濃度是多少？

(d)盡管分布與(a)、(b)的答案相符，但是發(fā)現(xiàn)測量濃度比(c)預計的濃度大一個量級，試給出解釋(假定測量值是正確的)。注入損傷：注入離子將晶格原子撞離晶格位置，同時部分移位的晶格原子有足夠的能量與其它晶格原子相撞并產生移位，結果產生大量的晶格損傷。重離子注入之后會產生劇烈的核碰撞，并由此引起級聯(lián)碰撞，因損傷區(qū)域要大。相比之下，輕離子在注入初始階段是電子阻擋為主，能量逐漸減少到核碰撞，損傷區(qū)域比較小。注入損傷造成的晶格缺陷包括：點缺陷：空位、間隙原子、替位雜質原子等；復合缺陷：雙空位等高次空位，空位與雜質組成復合缺陷，位錯，層錯等。注入損傷與注入劑量幾乎成正比增加，當劑量達到“臨界劑量”時，注入層由單晶變成非晶結構。注入損傷的修復注入損傷的修復一般采用熱退火方式，典型的退火方式是將注入后的樣品置入真空或保護氣氛中，加熱到適當溫度并保溫一段時間。其作用如下：消除由注入所產生的晶格損傷，恢復少子壽命和載流子遷移率；使注入離子處于正常的晶格位置上，起施主和受主作用。退火機理無定形注入層：是通過固相外延使位移原子重構，雜質離子也在再結晶的過程中運動到晶格位置而具有電活性。非無定形注入層：是通過原子的熱振動和移位來進行的，本質上是通過缺陷的擴散來完成的。無定形注入損傷的退火修復問題：熱退火會不會造成注入離子的再擴散？答案是肯定的，因此為了避免退火造成注入離子的再擴散，要采用快速熱退火，即在很短的時間內使注入層達到很高的溫度，從而達到消除晶格損傷和激活雜質的作用，同時減少注入雜質分布的偏離。離子注入形成淺結隨著微電子器件特征尺寸的減小，必須降低結的深度。形成P+N結比形成N+P更為困難，因為硼的擴散速率較大。硼很輕，因此注入投影射程深。解決的辦法有：降低注入能量；采用分子注入（BF2）。溝道效應。解決辦法有：采用Si、Ge預注入使硅表面非晶化。瞬態(tài)退火效應。注入損傷產生高濃度的自填隙硅原子，這些自填隙硅原子把硼原子擠入間隙位置中，使其快速擴散。解決辦法：降低退火溫度和退火時間。微