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ch5 Ion Implantation


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离子注入 (Ion Implantation Process)
? ? ? ? 离子注入的优缺点 离子注入设备 离子注入机理 离子注入的应用和 今后的发展趋势

2009-11-30

集成电路工艺基础

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Q&A
? ? ? ? ? Why Semiconductor need to be doped? What is p-type dopant? What is n-type dopant? List at least two ways to dope? Diffusion and Ion Implantation

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Diffusion
? ? ? ? First used to dope semiconductor Performed in high temperature furnace Using silicon dioxide mask Still used for dopant drive-in

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Dopant Oxide Deposition

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Oxidation

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Drive-in

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Strip and Clean

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Ion Implantation
? Used for atomic and nuclear research ? Early idea introduced in 1950’s ? Introduced to semiconductor manufacturing in mid-1970s (1973)

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Ion Implantation
? Independently control dopant profile (ion energy) and dopant concentration (ion current times and implantation time) ? Anisotropic(各向异性的) dopant profile ? Easy to achieved high concentration dope of heavy dopant atom such as phosphorus and arsenic.

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Misalignment of the Gate

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Ion Implantation, Phosphorus

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Comparison of Diffusion and Ion Implantation

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离子注入的优缺点
优点: ? 掺杂的均匀性好 ? 温度低工艺 ? 可以精确控制杂质含量 ? 可以注入各种各样的元素 ? 横向扩散比纵向扩散要小 得多 ? 注入的离子能穿过薄膜 ? 无固溶度极限 缺点: ? 入射离子对半导体晶格有 损伤 ? 很浅和很深的注入分布难 以实现 ? 对高剂量注入,产率受限 ? 离子注入设备昂贵

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离子注入设备
离子注入机包含离子源、分离单元、 加速器、偏向系统、注入室等。

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离子注入机工作原理
首先把待搀杂物质如B,P,As等离子化 利用质量分离器(Mass Seperator)取出需要的杂质离 子。分离器中有磁体和屏蔽层。由于质量,电量的不 同,不需要的离子会被磁场分离,并且被屏蔽层吸收。 通过加速管,离子被加速到一个特定的能级,如 10?500keV。 通过四重透镜,聚成离子束,在扫描系统的控制下, 离子束轰击在注入室中的晶圆上。 在晶圆上没有被遮盖的区域里,离子直接射入衬底材 料的晶体中,注入的深度取决于离子的能量。 最后一次偏转(deflect)的作用是把中性分离出去。 faraday cup的作用是用来吸收杂散的电子和离子。
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Ion Implanter
e . g . AsH 3 As + , AsH + , H + , AsH 2
+

Magnetic Mass seperation

$3 ? 4 M / implanter ~ 60 wafers / hour
Accelerator Voltage : 1 ? 200kV Dose ~ 1011 ? 1016 / cm 2 Accuracy of dose :< 0.5% Uniformity < 1% for 8" wafer

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Photograph of the Eaton HE3 High Energy Implanter, showing the ion beam hitting the 300mm wafer end-station

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离子注入机理
? ? ? ? 离子注入参数:剂量(dose)、射程(range) 阻滞理论(Stopping Mechanism) 沟道效应(Channeling) 退火(Annealing)

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Implantation Dose
For singly charges ions (e. g. As )
? Ion Beam current in amps ? ? Implant ? ? ? ?×? ? ? ? time ? q ? ? ? φ=? [Implant area ] =# 2 cm
+

Overscanning of beam across wafer is common. In general , Implant area > Wafer area
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Practical Implantation Dosimetry

Secondary electron effect eliminated

* (Charge collected by integrating cup current ) / (cup area) = dose
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Range and Projected Range

离子在半导体中行进的总距 离是射程R(range), 该射程在垂直轴上的投影就 是投影射程Rp。

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Rp and ?Rp values from Monte Carlo simulation

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Ion Implantation Energy Loss Mechanisms
Nuclear Stopping (核阻滞)

Electronic stopping

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a.电子阻滞

K e ∝ ZiZt Mi Mt Mi + Mt / Zi
3

3

(

2

3

+ Zt

2

3

)

Z为原子序数(质子数),M为杂质和靶原子的分子量。

b.核阻滞 Sn= 2.8×10-15eV·cm2 ( ZiZt /Z1/3)(Mi/ Mi+Mt) 其中 Z=(Zi2/3+Zt2/3 )3/2 一旦已知Sn (E)和S e(E),就可以用下式求RP 。
dE R P = ∫ dx = ∫ dx = dE 0 R0
RP 0

ΔR P ≈ 2 R P 3
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[ MM
i

1 ∫ (S n + S e )dE R0
t

0

/ (M i + M t )

]

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Energy Loss and Ion Properties
Light ions/at higher energy Heavier ions/at lower energy more electronic stopping more nuclear stopping

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S n ≡ dE dx

n

S e ≡ dE dx e

Eo = incident kinetic energy

More crystalline damage at end of range Sn > Se
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Less crystalline damage Se > S n

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Stopping Mechanisms

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二氧 化硅 靶中 的RP

胶靶 中的 RP

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离子射程与入射能量的关系

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标准偏差与入射能量的关系

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注入离子在靶中的分布 LSS理论(多晶靶)的结果是对称的高斯分布,不同 的杂质,不同程度地偏离对称的高斯分布.
N(x ) = ? (x ? R P )2 exp? ? 2 ? 2ΔR P 2π ΔR P ? Q ? ? ? ?

a.标准的高斯分布, b.峰值向深处移动(轻 的离子注入靶),尾部 向表面扩展; c.分布呈扁平

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? 1?x?R P N(x ) = N maX exp? ? ? 2 ? ΔR P ? ? ?

? ? ? ?

2

? ? ? ?

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N max =

0.4Q ≈ 2π ΔR P ΔR P

Q

Q = 2.5ΔR P N max
? N max x j = R P + 2 ln? ? N ? B ? ? ΔR P ? ?

结深

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? 例题:一个特殊硅器件需要注入硼,峰值 。 在0.3um(3000A )深处,峰值浓度为 1017cm-3,求此工艺需要使用的注入能量和 剂量。如果衬底材料为N型,衬底浓度为 1015cm-3,求注入后的结深。

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沟道效应 当入射离子平行晶轴时,入射离子很少与晶格相碰,使Rp很大, 不符合LSS理论.实际应用时须有相应的措施,以避免沟道效应.

1.偏离入射方向一定的角度,一般为7°左右; 2.表面沉积多晶层(二氧化硅,多晶硅,氮化硅等); 3.靶处于高温等。
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晶格损伤与退火 晶格损伤

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Implantation

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Annealing

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退火(annealing)
1)目的: a)消除晶格损伤; b)激活注入杂质. 2)退火条件: 离子注入时,又碰撞引 起能量传递,当传递的能 量大于晶格结合能时,晶 格就会受损伤。存在一个 阈值剂量φth.E> φth时,晶 格完全损伤,衬底表面呈 无定型状态。 φth值的大小与注入能量, 注入物质,靶材料及注入 过程中的衬底温度有关。
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注入离子经过晶体时,通过直接作用或反冲靶原子碰撞会产生 由空位和填隙原子组成的点缺陷,注入过程中产生的称一次缺陷。 注入后退火时会产生二次缺陷。退火条件:T=950?C,N2 , 30分钟。 硼的等时退火实验 Ⅰ 区:载流子浓度受点缺 陷控制,T↑,点缺陷减少, 提高了载流子浓度。 Ⅱ 区:500-600?C,点缺陷 的扩散速率大大上升,足 以引起结团而形成扩散缺 陷,高剂量注入的严重损 伤区尤其如此。 Ⅲ 区:高温下,扩展缺陷 经退火消除,激活载流子 浓度接近注入剂量。
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磷的退火特性
只要衬底已经非晶 化,晶体的恢复由一个 固相外延的过程完成。 表面的损伤程度比RP小 得多,固相外延的前沿 由非晶区的两侧开始。 左图为磷在非晶和单 晶材料中的等时退火曲 线。由图可见:非晶条 件下,550?C时大部分杂 质已被激活。

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退火时的扩散效应

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退火
? 高温炉退火 ? 快速热退火(RTA)

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快速热退火(Rapid Thermal Annealing)
时间在10-11-102 s,要求功率足够大.功率源可以是脉冲 激光,电子,离子连续波激光,扫瞄电子束,高速流注入等.

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快速热退火设备

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RTP and Furnace Annealing

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离子注入的应用和今后的发展趋势
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 深埋层 倒掺杂阱 穿通阻挡层 阈值电压调整 轻掺杂漏区(LDD) 源漏注入 多晶硅栅 沟槽电容器 超浅结 绝缘体上硅(SOI)
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Latch-Up

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Latch-Up

The cause of latch-up is the action of the parasitic p-n-p-n diode, which consists of a lateral p-n-p and a vertical n-pn bipolar transistors, in the well structure.
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Latch-Up

Latch-up发生条件: 两个晶体管的共射电路增益大于1

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The methods of avoiding latch-up
? ? ? ? Reducing the current gains parasitic BJT A deeper well structure Using a heavily doped substrate With the trench isolation scheme

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Well Implantation

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VT adjust Implantation
VTH 2(ε s qN A 2φ F ) = VFB + COX
1/ 2

+ 2φF

Low energy, Low current

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Lightly Doped Drain (LDD) Implantation
Low energy, Low current

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S/D Implantation

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SOI (Silicon On Insulation)

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SIMOX (Separation by Implanted Oxygen)

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浅结的形成
在亚微米CMOS器件中,源/漏要求浅结。硼的扩散速率比砷快,形成浅的 P+N结有困难。注入以后快速热退火是常用的技术之一。用硼制作浅结的困难 有: 1硼很轻,注入时的RP大,一般不希望使入射能量小於10kev, 采用分子注入 (BF2)的办法解决; 2沟道效应:硼被偏转注入时,进入主晶轴的概率较高---产生沟道效应,解 决的办法是:注硼前先注较重的原子使衬底非晶化,流行注锗; 3高温退火时出现异常扩散,即有退火瞬态效应,拖尾区最为明显。 由于MOS器件的特征尺寸接近0.1μm,而源/漏的结深接近0.05 μm,注入能量 再低也有困难。常用硅上的介质层作扩散源,例:多晶硅,掺杂玻璃,硅化 物(硅化物作扩散源-SADS)。还有不用注入,利用辉光放电作为离子源形成 超浅结,Felch等利用脉冲偏压控制离子能量,用BF2放电形成了极浅的P+N 结,N+P结也有类似的结果。
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Summary
? ? ? ? ? ? ? 离子注入的优缺点 离子注入设备 注入机理 阻滞理论 沟道效应 退火的目的、设备 应用
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参考文献
? 王志功.集成电路设计基础. ? Michael Quirk and Julian Serda. Semiconductor Manufacturing Technology. ? Stephen A. Campbell. The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication(2rd). ? 《半导体器件物理与工艺》施敏,苏州大 学出版社,2006
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