Chapter 5 /第五章 Ion implantation /离子注入 哈尔滨工业大学(威海) 材料科学与工程学院 微电子制造科学与工程 Chapter 5 /第五章 Ion implantation /离子注入 王华涛 办公室：A楼208 Email：wanghuatao@hit.edu.cn Tel：0631-5297952 2012年春

离子注入 内容 离子注入机的开发背景 离子注入机的原理和结构 投影射程 沟道效应及避免 注入损伤及修复

问题引出 热扩散的特点 通过热扩散，如何实现微量掺杂？ 该工艺的弊端？ 离子注入应运而生 1. 最大浓度受固溶度限制 2. 分布由时间和扩散速率限制 通过热扩散，如何实现微量掺杂？ 减小掺杂气体浓度，即与大量的惰性气体混合 该工艺的弊端？ 难于控制 对于双极性晶体管的基极以及MOSFET的沟道需要 严格控制掺杂浓度，有难度 离子注入应运而生

电离的掺杂原子由静电场加速，打到晶体表面 掺杂的深度 离子注入的特点 电离的掺杂原子由静电场加速，打到晶体表面 掺杂的深度 由静电场来控制 离子能量范围，1～200keV，高者可达几兆电子伏 掺杂剂量 由离子电流来控制 掺杂范围 1011～1018/cm2

离子注入区域的控制 对掺杂区域无要求 对部分区域进行掺杂， 则是均匀注入 则使用掩模 或聚焦离子束技术， focused ion beam techniques 将离子束汇聚成斑点，可进行局部注入

离子注入的历史和弊端 历史 弊端 下一代扩散设备？ Any idea？ 20世纪60年代样机研究 1973年第一台商用离子注入机面试 1980年，广泛采用 弊端 对晶格有损伤，损伤无法完全消除 很深、很浅处的注入都难以实现 生产率较低，热扩散可同时运行200片晶圆片 成本高，一台最新式注入机，$ 4M 下一代扩散设备？ Any idea？

离子注入机的组成 从机理上推测离子注入设备的主要结构？ 离子注入机包含5部分 离子源 加速管 质量分析仪 （先加速后分离， 或先分离后加速） 扫描系统（控制XY的位置） 工艺室（终端台）

离子注入机结构 将含杂质元素气体用电弧放电电离化，加电场引出离子 用质量分析仪，仅选择所需杂质元素通过 将杂质元素离子经加速器加速到必要能量 为使上述离子束均匀入射到半导体表面，用电子透镜使束流聚焦，同时，进行X-Y位置操作，将杂质元素打进硅片表面

离子注入机原理 1.待电离气体；2.放电电源；3.引出电源；4.放电室；5.阳极和引出孔道；6.引出电极；7.离子束

离子注入参数 Si的掺杂剂是何种形态？气、液、固？ 如果没有气体形态，固体可否？如何操作？ 掺杂元素，B、Al、P、As 气体形态，BF3、PH3、AsH3、Al？ 如果没有气体形态，固体可否？如何操作？ 加热固体、产生蒸气 Freeman离子源 GaAs半导体， 常用SiH4掺杂 Si掺杂的，杂质源

Freeman离子源 待注入物质必须以带电粒子束或离子束的形式存在。离子本身带电，因此能够被电磁场控制和加速。注入离子在离子源中产生，正离子由杂质气态源或固态源的蒸汽产生。通过电子轰击气体原子，离子源中会产生离子。 Freeman离子源使一种最常用的离子源：棒状阴极灯丝装在一个由气体入口的电弧释放室内。电弧室的侧壁是阳极，当气体进入时，灯丝通大电流，并在阴极和阳极之间加100伏电压，就会在灯丝周围产生等例子体。高能电子和气体分子发生碰撞，就产生了正离子。外部磁铁施加一个平行于灯丝的磁场，以增加电离并稳定等离子体。

离子束的产生 掺杂剂如何由气态变成离子态？ 气体，从加热的灯丝和金属板间通过（二者之间有高 电压，灯丝阴极）？ 气体，从加热的灯丝和金属板间通过（二者之间有高 电压，灯丝阴极）？ 电子从灯丝发射，向金属板运动，能量很高，碰到气体分 子，使分子分解 BF3→B、B＋、BF2＋、F＋ 如何提高电离效率，即同样条件下产生更多的离子？ 加一磁场，使电子螺旋运动，行程更大，时间更长，电离 率更高 离子束面积，宽几个mm，长1-2cm

离子的选择 如何从 BF3→B、B＋、BF2＋、F＋，中选择出需要的离子？ 垂直于离子束运动方向加磁场 外界条件一定，荷质比决定了半径r E, 什么意思，电场？ 5.2中，离子的能量忽略了什么？ 忽略了电子撞击离子时，传递的能量 v：离子速度；q：电荷量；M：离子质量；E: 能量 B：磁场强度；r：曲率半径；Vext：引出电位

质量分辨率 D= 𝑹 𝟐 𝜹𝑴 𝑴 [𝟏−𝒄𝒐𝒔𝝓+ 𝑳 𝑹 𝒔𝒊𝒏𝝓] Ref 1 离子的质量从M变为M+δM，问离子束的位移？ D= 𝑹 𝟐 𝜹𝑴 𝑴 [𝟏−𝒄𝒐𝒔𝝓+ 𝑳 𝑹 𝒔𝒊𝒏𝝓] Ref 1 例，如果分析磁场使离子束轨迹弯曲45°，L=R=50cm，系统适用于11B， 问：当使用10B时，位移D为多少？当引出电压是20kV时，求所需的磁场 强度。 𝜹𝑴 𝑴 = 𝟏 𝟏𝟎 =𝟎.𝟏，𝑫= 𝟓𝟎 𝟐 𝟏 𝟏𝟎 [𝟏−𝒄𝒐𝒔𝟒𝟓°+𝒔𝒊𝒏𝟒𝟓°]=2.5cm 𝑩= 𝟏 𝟎.𝟓𝟎𝒎 𝟐 𝟏𝟎×𝟏.𝟔𝟕×𝟏𝟎_𝟐𝟕𝒌𝒈 𝟏.𝟔×𝟏𝟎_𝟏𝟗𝑪 𝟐×𝟏𝟎𝟒𝑽 =0.13T T 特斯拉 质量相差1单位原子量，形成的位移 Ref 1, Ion implantation, New Holland Amsterdam, 1973

质量分析仪

离子加速

离子束中会出现中性粒子，一般是离子与热电 子的结合物，如 11B++e-→11B 如何分离中性粒子？ 离子束中会出现中性粒子，一般是离子与热电 子的结合物，如 11B++e-→11B 弯道系统的引入 离子束从一个静电偏转系统的两块平行电极板之 间通过，中性粒子不受电场作用，不能偏转入弯 道，被挡板接收。

离子束加速、分离后，打在终端台上的方向控制 A 两组电极板，控制XY方向 中束流 B 一组电极板＋晶圆片机械运动 强速流 批量大，一批晶圆片，同时注入 效率高 垂直方向，Vertical；水平方向，Horizontal 中束流机静电光栅扫描 强束流机混合扫描

离子束剂量的控制 剂量就是电流与时间的积分，并除以晶圆片面积 法拉第杯， Faraday Cup 法拉第杯, 杯状，用来测量带电粒子入射强度的一种真空侦测器。测得的电流可以用来判定入射电子或离子的数量。 离子或电子进入法拉第杯，产生电流。对于一个连续的带单电荷的离子束： N/t=I/e N离子数量、t时间(秒)、I 电流(安培)、e是基本电荷(约 1.60 x 10-19 库仑)。 估算，若测得电流为 1 nA，即约有六十亿个离子被法拉第杯收集。 http://www.weblio.jp/content/Faraday+cup http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_cup

如何减小法拉第杯的误差 对于一个200mm晶圆片，典型的离子注入电流是从1毫 安至几十毫安 存在二次电子逸出，影响电流计量，产生误差，如何 减小该误差？ 晶圆片上施加一个小的正偏压，不过几十伏，足以将二次 电子吸收回来。

投影射程 离子注入后，其在半导体中的运动 射程，R，rangge 投影射程，Rp 电子的库仑散射→注入离子，偏离轨道 与原子核的碰撞→半导体原子，偏离晶格位置 射程，R，rangge 离子在半导体中行进的距离 投影射程，Rp 离子束在半导体中的平均深度 影响投影射程的因素 图5.9 P113

沟道效应 沟道效应 图5.11 P115 措施 图5.12 „ 当离子速度方向平行于主晶轴时，离子会行进很 长距离 „ 当离子速度方向平行于主晶轴时，离子会行进很 长距离 „ 在沟道内产生许多近似弹性、掠射性的碰撞 „ 注入分布产生长的拖尾 措施 图5.12 „ 采用偏离轴注入 „ 典型的角度为7˚ „ 通过高剂量Si、F、Ar离子注入预非晶化

<111> 垂直纸面 [111]方向 <001> 垂直纸面 [001]方向 垂直纸面 非[111] 和 [001]方向

注入损伤 注入损伤的发生 阈值剂量 „ 入射离子与晶格原子碰撞，一些晶格原子离开晶格位置 超过此剂量，则形成完全损伤 „如果能量过高，则移位的原子将发生连锁反应，引起周围原 子的移位 „ 注入原子必须占据晶格位置-杂质激活 非晶态的形成 阈值剂量 超过此剂量，则形成完全损伤 相关因素：注入能量、注入物质、衬底的结构和温度 图 5.13，P117 离子轻重，温度的影响， 图 5.16，P120， 注入剂量与损伤浓度

注入损伤 如何修复注入损伤？ 固相外延生长，SPE „ 注：损伤不能完全修复 退火 离开晶格位的原子，恢复到原来的位置 注入原子，占据晶格位，形成有效活性杂质 Si 时间：30-60分钟 „ 温度：500-600℃；850-1000℃ 图5.15，不同退火条件下，硼的激活比，纵坐标 固相外延生长，SPE 晶体修复时，以下部衬底作为外延模板 „ 注：损伤不能完全修复

小结 离子注入机的开发背景 离子注入机的原理和结构 投影射程 沟道效应及避免 注入损伤及修复

致谢 哈尔滨工业大学 王春青教授