§4离子注入工艺幻灯片.ppt

1 第四章 离子注入工艺 离子注入的特点是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺杂种类广泛，并且易于自动化。由于采用了离子注入技术，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展，从而使集成电路的生产进入了大规模及ULSI时代。 一．离子注入工艺设备结构 二、离子注入工艺的特点 (1)注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。另外，注入过程是在清洁、干燥的真空条件下进行的，各种污染降到最低水平。 (2）可以精确控制注入到硅中的掺杂原子数目。 （3）衬底温度低，一般保持在室温，因此，像二氧化硅、氮化硅、铝何光刻胶等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。 （4）离子注入深度是随离子能量的增加而增加，因此掺杂深度可以通过控制离子束能量高低来实现。另外，在注入过程中可精确控制电荷量，从而可精确控制掺杂浓度。 - （5）离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底材料中的固溶度限制，原则上对各种元素均可掺杂。 （6）离子注入时的衬底温度低，这样就可以避免了高温扩散所引起的热缺陷。 （7）由于注入的直进性，注入杂质是按掩膜的图形近于垂直入射，因此横向效应比热扩散小的多，有利于器件特征尺寸的缩小。 （8）离子往往是通过硅表面上的薄膜注入到硅中，因此硅表面上的薄膜起到了保护膜作用 （9）化合物半导体是两种或多种元素按 一定组分构成的，这种材料经高温处理时，组分可能发生变化。采用离子注入技术，基本不存在上述问题，因此容易实现对化合物半导体的掺杂 基个概念： （1）靶：被掺杂的材料。 （2）一束离子轰击靶时，其中一部分离子在靶面就被反射，不能进入靶内，称这部分离子为散射离子，进入靶内的离子成为注入离子。 （3）非晶靶成为无定形靶，本章所涉及道德靶材料，都是按无定形来考虑。 三、离子注入原理 “离子” 是一种经离化的原子和分子，也称“等离子体”，它带有一定量的电荷。“等离子发生器”已广泛应用到CVD、金属镀膜、干法刻蚀、光刻胶的去除等工艺中，而在离子注入的设备中，它被用来制造工艺所要注入的离子。因为离子带电荷，可以用加速场进行加速，并且借助于磁场来改变离子的运动方向。当经加速后的离子碰撞一个固体靶面之后，离子与靶面的原子将经历各种不同的交互作用，如果离子“够重”，则大多数离子将进入固体里面去。反之，许多离子将被靶面发射。 当具有高能量的离子注入到固体靶面以后，这些高能粒子将与固体靶面的原子与电子进行多次碰撞，这些碰撞将逐步削弱粒子的能量，最后由于能量消失而停止运动，新城形成一定的杂质分布。 同时，注入离子和晶格原子相互作用，那些吸收了离子能量的电子，可能激发或从原子之内游离，形成二次电子。 离子在硅体内的注入深度和分布状态与射入时所加的电场强度、离子剂量、衬底 晶向等有关。通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下，注入的深度将随电场的强度增加而增加。实践表明，用离子注入方法在硅片内部形成杂质分布与扩散是完全不同的。扩散法得到的杂质分布近似为余误差函数和高斯函数分布，而用离子注入法形成的分布，其浓度最大值不在硅片表面，而是在深入硅体一定距离。这段距离大小与注入粒子能量、离子类型等有关。 在一般情况下，杂质浓度最大值在距离表面0.1um处，其分布有一点像高斯分布，是由于杂质被电场加速注入到硅片内后，受到硅原子的阻挡，使其动能完全消失，停留在原位。但由于杂质离子具有的能量是不均匀的，也就是使杂质离子的能量有大有小，这样就形成了按一定的曲线分布，能量大和能量小的都是少数，而能量近似相等的居多数。当然注入后，能量最大的注入深，能量小的注入浅。 离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系。如果注入的离子沿规则排列的晶格方向进入硅中，离子可能要走很长一段路途才碰到硅原子，因此，进入深度就大，使杂质分布出现两个峰值，这种现象称为“沟道效应”。向100， 110晶向注入时，往往会发生这种沟道效应，而111再偏离一定角度，情况就好得多。 离子注入时，由于受到高能量杂质离子的轰击，硅片内许多晶格被破坏而出现晶格缺陷，严重时会出现非晶层。这种缺陷一定要经过退火处理来消除，所以退火工艺在离子注入工艺中是必不可少的。 与扩散一样，离子注入也需要掩蔽，其掩蔽物可以是二氧化硅、氮化硅、AL2O3及AL都行，且掩蔽膜厚度随电场强度和杂质剂量的增加而加厚。 §4.1核碰撞和电子碰撞 LSS理论:注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程(1)核碰撞，（2）电子碰