Chapter 5 /第五章 Ion implantation /离子注入

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1 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 Tel： 2012年春

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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？

7 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）

8 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

9 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

10 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

11 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。

12 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

13 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

14 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

15 质量分析仪

16 离子加速

17 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。

18 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

19 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 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。

20 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。

21 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 P113

22 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

23 <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

24 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

25 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： ℃； ℃ 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

26 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

27 致谢 哈尔滨工业大学 王春青教授