《离子注入》PPT课件

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1、集成电路制造技术第四章离子注入西安电子科技大学微电子学院戴显英2013年9月本章主要内容离子注入特点离子注入设备原理离子注入机理离子注入分布离子注入损失注入退火离子注入与热扩散对比4.1离子注入特点定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。特点:①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,<400℃。（避免了高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜。）②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在±1％（高浓度扩散5％－10％）；能精确控制浓度分布及结深，特别适合制作高浓度、浅结、

2、突变型分布。4.1离子注入特点③无污染:注入离子纯度高，能量单一。（质量分析器；背景真空度高）④横向扩散小：有利于器件特征尺寸的缩小。⑤不受固溶度限制:原则上各种元素均可掺杂。⑥注入深度随离子能量的增加而增加。（诸多优点，使离子注入成为IC工艺的主要掺杂技术）缺点：①损伤(缺陷)较多:必须退火。②成本高4.2离子注入设备原理离子注入设备结构①离子源；②质量分析器；③加速器；④偏束板；⑤扫描器；⑥靶室离子注入系统的原理示意图1.离子源作用：产生注入用的离子。原理：杂质原子高能电子轰击（电子放电）注入离子类型：高频，电子振荡，溅射2.磁分析器（质量分析器）作用：将所需离子分选出

3、来。原理：带电离子在磁场中受洛伦磁力作用，运动轨迹发生弯曲。4.2离子注入设备原理3.加速器作用：使离子获得所需的能量。原理：利用强电场，使离子获得更大的速度。4.偏束板作用：使中性原子束因直线前进不能达到靶室。原理：用一静电偏转板使离子束偏转5º--8º作用再进入靶室。4.2离子注入设备原理⑤扫描器作用：使离子在整个靶片上均匀注入。方式：①靶片静止，离子束在X,Y方向作电扫描。②粒子束在Y方向作电扫描，靶片在X方向作机械运动。③粒子束静止，靶片在X,Y方向作机械运动。⑥靶室（工作室）：高温靶（800℃），低温靶（液氮温度），冷却靶（小于120℃）。4.2离子注入设备原理靶

4、：被掺杂的材料。有晶体靶：Si片；无定形靶：SiO2、Si3N4、光刻胶等。无定形靶：可精确控制注入深度。能量损失机制核阻挡–与晶格原子的原子核碰撞–大角度散射（离子与靶原子质量同数量级）–可能引起晶格损伤（间隙原子和空位）电子阻挡–与晶格原子的自由电子及束缚电子碰撞–注入离子路径基本不变–能量损失很少–晶格损伤可以忽略典型的注入能量：5-500keV4.3离子注入机理-核阻挡与电子阻挡4.3.1核阻挡本领Sn(E)（能量为E的注入离子）Sn(E)=(dE/dx)n(dE/dx)n--核阻挡能量损失率.4.3离子注入机理-核碰撞与电子碰撞①注入离子与靶原子的相互作用库仑力F

5、(r)=q2Z1Z2/r2势能V(r)=q2Z1Z2/rZ1、Z2--核电荷数；r—距离。②考虑电子的屏蔽作用势能V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a)f(r/a)--屏蔽函数；a--屏蔽参数；最简单（一级近似）：f(r/a)=a/r，则Sn=Sn0=常数（图4.2，虚线）；更精确：托马斯-费米屏蔽函数（图4.2，实线）。4.3离子注入机理-核碰撞与电子碰撞4.3.2电子阻挡本领LSS模型：电子是自由电子气，类似黏滞气体。Se(E)=(dE/dx)e=CV=ke(E)1/2(dE/dx)e--电子阻挡能量损失率；V-注入离子速度；C-常数；ke-与Z1、Z2、M1、M2

6、有关的常数：{对非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1；对非晶AsGa：ke≈3x103(eV)1/2μm-1；}4.3离子注入机理-核碰撞与电子碰撞注入离子的阻挡本领与注入能量关系4.3.3射程粗略估计LSS模型：引入简化的无量纲的能量参数ε和射程参数ρ，即ρ=(RNM1M24πa2)/(M1+M2)2ε=E0aM2/[Z1Z2q2(M1+M2)]N-单位体积的原子数；以dε/dρ–ε1/2作图，得图4.54.3离子注入机理-核碰撞与电子碰撞注入离子能量与阻挡本领①高能区：电子阻挡占主要，核阻挡可忽略。②中能区：核阻挡占与电子阻挡相当；③低能区：核阻挡占主要，电

7、子阻挡可忽略；4.3离子注入机理-核碰撞与电子碰撞4.3离子注入机理-核碰撞与电子碰撞临界能量（交叉能量）Ene(Ec):Sn(E)=Se(E)处的能量①Ene随注入离子原子量的增加而增大。②轻离子，B:Ene≈15keV，重离子，P:Ene≈150keV。射程R的粗略估算①注入离子初始能量E0>>Ene：Se(E)为主，则R≈k1E01/2k1=2/ke{对非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1；对非晶AsGa：ke≈3x103(eV)1/2μm-1；}②注入离子初始能量E0<