离子注入低温掺杂.pptx
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1、1第五章第五章 离子注入低温掺杂离子注入低温掺杂离子注入离子注入(Ion Implantation)2什么是离子注入什么是离子注入离化后的原子在强电场的加速作用下,注射进入靶材料的表层,离化后的原子在强电场的加速作用下,注射进入靶材料的表层,以改变这种材料表层的物理或化学性质以改变这种材料表层的物理或化学性质离子注入的基本过程离子注入的基本过程v将某种元素的原子或携带该将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电元素的分子经离化变成带电的离子的离子v在强电场中加速,获得较高在强电场中加速,获得较高的动能后,射入材料表层的动能后,射入材料表层(靶)(靶)v以改变这种材料表层的物理以改变这种材
2、料表层的物理或化学性质或化学性质5.1什么是离子注入什么是离子注入3离子注入技术优点离子注入技术优点n离子注入技术离子注入技术主要有以下几方面的主要有以下几方面的优点优点:(1)注入的离子是通过质量分析器选取出来的,被选取的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,从而离子纯度高,能量单一,从而保证了掺杂纯度不受杂质源保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响纯度的影响即掺杂纯度高即掺杂纯度高。(2)注入剂量在注入剂量在1011一一1017离子离子cm2的较宽范围内,同一的较宽范围内,同一平面内的平面内的杂质均匀度可保证在杂质均匀度可保证在11的精度的精度。大面积均大面积均匀
3、掺杂匀掺杂(3)离子注入离子注入温度低温度低,衬底一般是保持在室温或低于,衬底一般是保持在室温或低于400。因此,像。因此,像二氧化硅、氮化硅、光刻胶二氧化硅、氮化硅、光刻胶,铝等都可以用来铝等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜作为选择掺杂的掩蔽膜。对器件制造中的对器件制造中的自对准掩蔽技术自对准掩蔽技术给予更大的灵活性给予更大的灵活性,这是热扩散方法根本做不到的。,这是热扩散方法根本做不到的。4离子注入技术优点离子注入技术优点(4)离子注入深度离子注入深度是随离子能量的增加而增加。是随离子能量的增加而增加。可精确控制掺杂浓度和深度可精确控制掺杂浓度和深度(5)根据需要可从几十种元素中挑选合适的根
4、据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或型或P型型杂质进行掺杂。杂质进行掺杂。能容易地掺入多种杂质能容易地掺入多种杂质(6)离子注入时的衬底离子注入时的衬底温度较低(小于温度较低(小于600 600),这,这样就可以样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷避免高温扩散所引起的热缺陷。同时同时横向效横向效应比热扩散小得多。应比热扩散小得多。(7 7)表面浓度不受固溶度限制,表面浓度不受固溶度限制,可做到浅结低浓度可做到浅结低浓度或或深结高浓度深结高浓度。5离子注入技术缺点离子注入技术缺点n会产生缺陷,甚至非晶化,必须经高温退火加会产生缺陷,甚至非晶化,必须经高温退火加以改进以改进n设备相对复杂、相对昂贵
5、(尤其是超低能量离设备相对复杂、相对昂贵(尤其是超低能量离子注入机)子注入机)n有不安全因素,如高压、有毒气体有不安全因素,如高压、有毒气体6基个概念:基个概念:n(1)靶靶:被掺杂的材料。:被掺杂的材料。n(2)一束离子轰击靶时,其中一部分离子)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,称这部分在靶面就被反射,不能进入靶内,称这部分离子为离子为散射离子散射离子,进入靶内的离子成为,进入靶内的离子成为注入注入离子离子。7 离子注入掺杂离子注入掺杂分为 两个步骤两个步骤:-离子注入离子注入 -退火再分布退火再分布。8离子注入离子注入 在在离子注入离子注入中,中,电离的杂质离子
6、经静电场加速电离的杂质离子经静电场加速打到晶圆表面。在掺杂窗口处,杂质离子被注入裸打到晶圆表面。在掺杂窗口处,杂质离子被注入裸露的半导体本体露的半导体本体,在其它部位杂质离子则被半导体在其它部位杂质离子则被半导体上面的保护层屏蔽。上面的保护层屏蔽。通过通过测量离子电流测量离子电流可严格可严格控制剂量。控制剂量。通过通过控制静电场控制静电场可以可以控制杂质控制杂质离子的离子的穿透深度穿透深度。9退火处理退火处理 通常,通常,离子注入的深度较浅且浓度较大,离子注入的深度较浅且浓度较大,必须使它们重新分布必须使它们重新分布。同时同时由于高能粒子的撞由于高能粒子的撞击,导致硅结构的击,导致硅结构的晶格
7、发生损伤晶格发生损伤。为恢复晶格损伤,为恢复晶格损伤,在离子注入后要进行在离子注入后要进行退火处理。退火处理。在退火的同时,掺入的杂质同在退火的同时,掺入的杂质同时向半导体体内进行时向半导体体内进行再分布再分布。105.2 5.2 离子注入原理离子注入原理 在离子注入的设备中,在离子注入的设备中,用用“等离子体发生器等离子体发生器”来制造工艺所要注入的离子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。借助于磁场来改变离子的运动方向。11n当具有高能量的离子注入到固体靶面以后,这些当具有高能量的离子注
8、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高能粒子将与固体靶面的原子与电子进行多次碰撞,撞,这些碰撞将逐步削弱粒子的能量,最后由于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,形成一定的杂质分布。能量消失而停止运动,形成一定的杂质分布。n离子在硅体内的离子在硅体内的注入深度和分布状态注入深度和分布状态与射入时所与射入时所加的加的电场强度、离子剂量、衬底晶向电场强度、离子剂量、衬底晶向等有关等有关12n通常,在离子剂量和轰击次数一致的前提下,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。注入的深度将随电场的强度增加而增加。n用离子注
9、入法形成的分布,其用离子注入法形成的分布,其浓度最大值浓度最大值不在不在硅片表面,而是在深入硅体一定距离。这段距硅片表面,而是在深入硅体一定距离。这段距离大小与注入粒子能量、离子类型等有关离大小与注入粒子能量、离子类型等有关。13离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应沟道效应(沟道效应(Channelingeffect)当离子沿晶轴方向注入时,大部分离子将沿沟道运当离子沿晶轴方向注入时,大部分离子将沿沟道运动,几乎不会受到原子核的散射,方向基本不变,动,几乎不会受到原子核的散射,方向基本不变,可以走得很远。可以走得很远。离子注入的杂质分布还离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系与衬底晶向有关系。1
10、4沿沿 轴的硅晶格视图轴的硅晶格视图Used with permission from Edgard Torres DesignsFigure 17.28 15110111100倾斜旋转硅片后的无序方向倾斜旋转硅片后的无序方向16沟道效应的存在,将使得对注入离子在深度沟道效应的存在,将使得对注入离子在深度上难以控制,上难以控制,尤其对大规模集成电路制造更尤其对大规模集成电路制造更带来麻烦。如带来麻烦。如MOS器件的结深通常只有器件的结深通常只有0.4um左右,有了这种沟道效应万一注入距左右,有了这种沟道效应万一注入距离超过了预期的深度,就使元器件失效。因离超过了预期的深度,就使元器件失效。因此
11、,此,在离子注入时,要考虑到这种沟道效应在离子注入时,要考虑到这种沟道效应,也就是说要也就是说要抑止这种现象的产生。抑止这种现象的产生。17目前常用的解决方法有三种目前常用的解决方法有三种n(1 1)是将硅片相对注入的离子运动方向倾)是将硅片相对注入的离子运动方向倾斜一个角度,斜一个角度,7 7度左右最佳;度左右最佳;n (2 2)是对硅片表面铺上一层非结晶系的)是对硅片表面铺上一层非结晶系的材料,使入射的注入离子在进入硅片衬底之前,材料,使入射的注入离子在进入硅片衬底之前,在非结晶层里与无固定排列方式的非结晶系原在非结晶层里与无固定排列方式的非结晶系原子产生碰撞而散射,这样可以减弱沟道效应;
12、子产生碰撞而散射,这样可以减弱沟道效应;(表面用表面用SiO2层掩膜层掩膜)减少沟道效应的措施减少沟道效应的措施How can we form ultrashallow junction in todays CMOS devices?18n (3 3)是用)是用Si,Ge,F,ArSi,Ge,F,Ar等离子对硅片表面先进等离子对硅片表面先进行一次离子注入,使表面预非晶化,形成非晶层行一次离子注入,使表面预非晶化,形成非晶层 (Pre-amorphization)(Pre-amorphization)然后进入离子注入。然后进入离子注入。n 这三种方法都是利用增加注入离子与其他原子碰这三种方法都是
13、利用增加注入离子与其他原子碰撞来降低沟道效应。工业上常用前两种方法。撞来降低沟道效应。工业上常用前两种方法。19Photograph courtesy of Varian Semiconductor,VIISion 80 Source/Terminal side5.35.3离子注入设备离子注入设备20离子注入机分类离子注入机分类离子注入机按能量高低分为:离子注入机按能量高低分为:低能离子注入机低能离子注入机中能离子注入机中能离子注入机高能离子注入机高能离子注入机兆能离子注入机兆能离子注入机离子注入机按束流大小分为:离子注入机按束流大小分为:小束流离子注入机小束流离子注入机中束流离子注入机中束流
14、离子注入机强流离子注入机强流离子注入机超强流离子注入机超强流离子注入机21离子注入系统的组成离子注入系统的组成n离子源离子源(IonSource)n磁分析器磁分析器(Magneticanalyzer)n加速管加速管(Accelerator)n聚焦和扫描系统聚焦和扫描系统(FocusandScansystem)n工工 艺艺 腔腔(靶靶 室室 和和 后后 台台 处处 理理 系系 统统 TargetAssembly)22离子源离子源分析磁体分析磁体加速管加速管粒子束粒子束等离子体等离子体工艺腔工艺腔吸出组件吸出组件扫描盘扫描盘从从离子源引出的离子离子源引出的离子经过经过磁分析器选择出需要的离子磁分析
15、器选择出需要的离子,分析后的分析后的离子加速离子加速以提高离子的能量,再经过以提高离子的能量,再经过两维偏转两维偏转扫描器扫描器使离子束均匀的注入到材料表面,用电荷积分仪使离子束均匀的注入到材料表面,用电荷积分仪可精确的测量注入可精确的测量注入离子的数量离子的数量,调节注入离子的能量可,调节注入离子的能量可精确的控制离子的精确的控制离子的注入深度注入深度。23a)离子源)离子源 源源 在半导体应用中,为了操作方便,在半导体应用中,为了操作方便,一般采用气体源,如一般采用气体源,如BF3,BCl3,PH3,ASH3等等 如用固体或液体做源材料,一般先加热,如用固体或液体做源材料,一般先加热,得到
16、它们的蒸汽得到它们的蒸汽,再导入放电区。,再导入放电区。离子注入系统的组成离子注入系统的组成24注入材料形态选择注入材料形态选择材料气态固态硼BF3-磷PH3红磷砷AsH3固态砷,As2O3锑Sb2O325离子源(离子源(IonSource)用来产生离子的装置。用来产生离子的装置。原理是原理是利用灯丝利用灯丝(filament)发出的发出的自由电子自由电子在在电磁场作用下,获得足够的能量后电磁场作用下,获得足够的能量后撞击分子或撞击分子或原子,使它们电离成离子原子,使它们电离成离子,再经吸极吸出,由,再经吸极吸出,由初聚焦系统聚成离子束,射向磁分析器初聚焦系统聚成离子束,射向磁分析器26b)b
17、)质量分析器(磁分析器质量分析器(磁分析器magnet analyzer)magnet analyzer)利用利用不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的不同将离子分离不同将离子分离,选出所需的杂质离子。选出所需的杂质离子。被被选离子束通过可变狭缝,进入加速管。选离子束通过可变狭缝,进入加速管。27分析磁体分析磁体石磨离子源分析磁体粒子束吸出组件较轻离子重离子中性离子28 磁分析器的原理是利用磁场中运动的带电磁分析器的原理是利用磁场中运动的带电粒子所受洛仑兹力的偏转作用。在带电粒粒子所受洛仑兹力的偏转作用。在带电粒子速度垂直于均匀磁场的情况下,洛仑兹力子速度垂直于均
18、匀磁场的情况下,洛仑兹力可用下式表示可用下式表示 这里这里v是离子速度,是离子速度,q是离子电荷,是离子电荷,M是离子质量,是离子质量,B是磁场强度,是磁场强度,r是离子圆周运动的半径是离子圆周运动的半径(7-1)29这里这里Vext是吸极电压。是吸极电压。(7-2)从等式从等式(7-1)和和(7-2)可以得到可以得到(7-3)30c)c)加速管加速管(Acceleration tube)(Acceleration tube)经过质量分析器出来的离子束,还要经过加速运动,经过质量分析器出来的离子束,还要经过加速运动,才能打到硅片内部去。才能打到硅片内部去。离子经过加速电极后,在静电场作用下加速
19、到所需的能量离子经过加速电极后,在静电场作用下加速到所需的能量。31高能注入机的线形加速器高能注入机的线形加速器源原子质量分析磁体线形加速器最终能量分析磁体扫描盘硅片Figure 17.17 32d)聚焦和扫描系统聚焦和扫描系统(deflection and scanning)离子束离开加速管后进入控制区,先由静电聚焦透离子束离开加速管后进入控制区,先由静电聚焦透镜使其聚焦。再进行镜使其聚焦。再进行x-y两个方向扫描,然后进入偏两个方向扫描,然后进入偏转系统,束流被偏转注到靶上。转系统,束流被偏转注到靶上。扫描是为了保证注入均匀性扫描是为了保证注入均匀性33扫描系统扫描系统e)工艺腔工艺腔 包
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