第四章离子注入讲课.ppt

第四章 离子注入 离子注入技术是20世纪60年代开始发展起来的掺杂工艺,它在很多方面都优于扩散工艺.由于采用了离子注入技术,推动集成电路的发展,从而使集成电路进入了超大规模. 扩散是一个化学过程,离子注入是一个物理过程. 所谓离子注入技术，就是将需要作为掺杂剂的元素原子离化，转变为离子，并将其加速到一定能量（50--500keV）后，注入到晶片表面，以改变晶片表面的物理和化学性质。 离子注入就象用枪将子弹打入墙中一样．子弹从枪中获取是量的动量，射入到墙体内停下．离子注入过程中发生相同的情形，替代子弹的是离子，掺杂原子被离化、分离、加速形成离子束流，注入衬底Si片中，进入表面并在表面以下停下。 离子注入机 源：采用气态源、固态源，大部分氟化物PF5,AsF5,BF3 离子注入有别于扩散工艺的特点表现在以下几个方面： 1、可以用质量分析系统获得单一能量的高纯杂质原子束，没有沾污。因此，一台注入机可用于多种杂质。此外，注入过程是在真空下即在本身是清洁的气氛中进行的。 2、注入的剂量可在很宽的范围（1011－1017离子/cm2）内变化,且在此范围内精度可控制到±1％。与此相反,在扩散系统中,高浓度时杂质浓度的精度最多控制到5－10％,低浓度时比这更差。 3、离子注入时，衬底一般是保持在室温或温度不高（≤400℃），因此，可用各种掩模（如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶）进行选择掺杂。在制备不能采用扩散工艺的器件时，这为独特的自对准掩模技术的设计提供了很大的自由度。 4、离子束的穿透深度随离子能量的增大而增大，因此，控制同一种或不同种的杂质进行多次注入时的能量和剂量，可以在很大的范围内得到不同的掺杂剂浓度分布截面。用这种方法比较容易获得超陡的和倒置的掺杂截面。 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质浓度可以不受固溶度的限制。 6、离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所引起的热缺陷。 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器件特征尺寸缩小。 8、离子注入是通过硅表面的薄膜入射到硅中，该膜起到了保护作用，防止污染。 9、容易实现化合物半导体材料的掺杂。 缺点 会在晶体中引入晶格损伤 产率低 设备复杂，投资大 基本概念 靶：被掺杂的材料称为靶 散射离子：一束离子轰击靶时，其中一部分离子在靶表面就被反射了，不能进入的离子称散射离子。 注入离子：进入靶内的离子称注入离子 4.1 核碰撞和电子碰撞 离子注入不仅要考虑注入离子与靶内自由电子和束缚电子的相互作用，而且与靶内原子核的相互作用也必须考虑。 1963年，林华德、沙夫、希奥特，首先确立了注入离子在靶内的能量损失分为两个过程：核碰撞和电子碰撞，总能量的损失为它们的总和。 核碰撞：指注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。由于入射离子与靶原子的质量一般为同一数量级，因此每次碰撞后，注入离子发生大角度的散射，并失去一定的能量，如果靶原子获得的能量大于束缚能，就会离开晶格位置，进入晶格间隙，留下空位，形成缺陷. 本章结束 出现沟道效应，则很难控制注入离子的浓度分布，会使分布产生一个很长的拖尾。 离子束从111轴偏斜7°入射 沟道效应与离子注入方向的关系 入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟道效应，只有当入射离子的入射角小于某一角度时才会发生，这个角称为临界角 110 111 100 倾斜旋转硅片后的无序方向 沟道效应与单晶靶取向的关系 硅的110 方向沟道开口约1.8 ?， 100 方向沟道开口 约11.22 ?， 111方向沟道开口介于两者之间。因此，沟道效应 依110 、 111、 100 顺序减弱。 实践表明，沟道效应与多种因素有关，包括： 单晶靶的取向 离子的注入方向 离子的注入能量 注入时的靶温 注入剂量 a. 在晶体上覆盖一层非晶体的表面层：常用非晶覆盖材料是一 层薄氧化层。使离子束方向随机化，离子以不同角度进入晶片； b. 将晶片晶向偏转：大部分注入系统将硅片倾斜7°，并从平边 扭转22°； c. 在晶片表面制作一个损伤层：在晶片表面注入大量硅或锗可 以损伤晶片表面，在晶片表面产生一个随机层。 将沟道效应降低到最小： 浅结的形成 随着集成度提高，微电子器件的特征尺寸越来越小，浅结工艺 成为目前人们最关心的工艺之一。 以用硼形成浅的p+结为例，浅结形成有三个方面的困难： a. 硼质量较轻，注入的投影射程深 解决方法：采用BF2作为注入物质，进入靶内的分子在碰