集成电路工艺之离子注入

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1、Chap4离子注入核碰撞和电子碰撞注入离子在无定形靶中的分布注入损伤热退火离子注入离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程，注入能量介于1KeV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm～10um。离子剂量变动范围，从用于阈值电压调整的1012/cm2到形成绝缘埋层的1018/cm2。相对于扩散，它能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。离子注入已成为VLSI制程上最主要的掺杂技术。一般CMOS制程，大约需要6~12个或更多的离子注入步骤。离子注入应用隔离工序中防止寄生沟道用的沟

2、道截断调整阈值电压用的沟道掺杂CMOS阱的形成浅结的制备在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为一种主流技术。使带电粒子偏转，分出中性粒子流中性束路径类似电视机，让束流上下来回的对圆片扫描离子注入系统的原理示意图离子源是产生离子的部件。将被注入物质的气体注入离子源，在其中被电离形成正离子，经吸极吸出，由初聚焦系统，聚成离子束，射向磁分析器。吸极是一种直接引出离子束的方法，即用一负电压（几伏到几十千伏）把正离子吸出来。产生离子的方法有很多，目前常用的利用气体放电产生等离子体。离子注入系统原理-离子源从

3、离子源吸出的离子束中，包括多种离子。如对BCl3气体源，一般包括H+、B+、Cl+、O+、C+等。在磁分析器中，利用不同荷质比的离子在磁场中的运动轨迹不同，可以将离子分离，并选出所需要的一种杂质离子。被选离子通过可变狭缝，进入加速管。离子注入系统原理-磁分析器离子源通过加热分解气体源如BF3或AsH3成为带正电离子（B＋或As＋）。加上约40KeV左右的负电压，引导这些带正电离子移出离子源腔体并进入磁分析器。选择磁分析器的磁场，使只有质量/电荷比符合要求的离子得以穿过而不被过滤掉。被选出来的离子接着进

4、入加速管，在管内它们被电场加速到高能状态。离子注入系统原理被掺杂的材料称为靶。由加速管出来的离子先由静电聚焦透镜进行聚焦，再进行x、y两个方向的扫描，然后通过偏转系统注入到靶上。扫描目的：把离子均匀注入到靶上。偏转目的：使束流传输过程中产生的中性离子不能到达靶上。注入机内的压力维持低于10－4Pa以下，以使气体分子散射降至最低。离子注入系统原理离子注入的优缺点优点：注入的离子纯度高可以精确控制掺杂原子数目，同一平面的掺杂均匀性得到保证，电学性能得到保证。温度低：小于400℃。低温注入，避免高温扩散所引

5、起的热缺陷；扩散掩膜能够有更多的选择掺杂深度和掺杂浓度可控，得到不同的杂质分布形式非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制横向扩散效应比热扩散小得多离子通过硅表面的薄膜注入，防止污染。可以对化合物半导体进行掺杂离子注入的优缺点缺点：产生的晶格损伤不易消除很难进行很深或很浅的结的注入高剂量注入时产率低设备价格昂贵（约200万美金）4.1核碰撞和电子碰撞高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道

6、路，最后在靶中某一点停止下来核碰撞和电子碰撞注入离子在靶内能量损失方式核碰撞(注入离子与靶内原子核间的碰撞）质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离开原来所在晶格位置，进入晶格间隙，并留下一个空位，形成缺陷。核碰撞和电子碰撞注入离子在靶内能量损失方式电子碰撞(注入离子与靶原子周围电子云的碰撞）能瞬时形成电子-空穴对两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，散射角度也小，虽然经过多次散射，注入离子运动方向基本

7、不变。电子则被激发至更高的能级（激发）或脱离原子（电离）。核碰撞和电子碰撞核阻止本领说明注入离子在靶内能量损失的具体情况，一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻止本领定义为：电子阻止本领定义为：核碰撞和电子碰撞在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为：注入离子在靶内运动的总路程低能量时，核阻止本领随能量的增加而线性增加，Sn(E)会在某一中等能量时达到最大值。高能量时，由于高速粒子没有足够的时间和靶原子进行有效的能量交换，所以Sn(E)变小。核阻止本领电子阻止本领电

8、子阻止本领同注入离子的速度成正比，即与注入离子能量的平方根成正比。V为注入离子速度，Ke与注入离子和靶的原子序数、质量有微弱关系，粗略估计时，可近似为常数核碰撞和电子碰撞不同能区的能量损失形式低能区：以核碰撞为主中能区：核碰撞、电子碰撞持平高能区：以电子碰撞为主4.2注入离子在无定形靶中的分布一个离子在停止前所经过的总路程，称为射程RR在入射轴方向上的投影称为投影射程XpR在垂直入射方向的投影称为射程横向分量Xt平均投影射程Rp：所有入射离子的投影射程的