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掺杂物原子
热退火
晶格原子
掺杂物原子
热退火
晶格原子
掺杂物原子
热退火
晶格原子
掺杂物原子
热退火
晶格原子
掺杂物原子
热退火
晶格原子
掺杂物原子
热退火
晶格原子
掺杂物原子
注入制程：退火
退火前
退火后
快速加热退火(RTA)
Chapter 8 离子注入
目标
• 至少列出三种最常使用的掺杂物 • 辨认出至少三种掺杂区域 • 描述离子注入的优点 • 描述离子注入机的主要部分 • 解释通道效应 • 离子种类和离子能量的关系 • 解释后注入退火 • 辨认安全上的危害
离子注入
• 简介 • 安全性 • 硬件 • 制程 • 概要
材料 晶圆 光罩 设计
两种阻滞机制
• 原子核阻滞
– 与晶格原子的原子核碰撞 – 引起明显的散射 – 造成晶体结构的混乱和损害.
• 电子阻滞
– 和晶格原子的电子产生碰撞 – 入射离子路径几乎是不变的 – 能量的转换非常的小 – 晶格结构的损害可以忽略
阻滞机制
• 总阻滞力
Stotal = Sn + Se • Sn:原子核阻滞,Se:电子阻滞 • 低能量, 高原子序的离子注入：主要是原
离子 N 型: 磷, 砷,锑 硅或锗
氧
氮
P 型: 硼
其他的应用
• 氧离子注入为了硅覆盖绝缘层(SOI)组件 • 锗预先非晶化注入在钛薄膜为较好的退
火 • 锗预先非晶化注入在硅基片做为轮廓控
制 • …...
阻滞机制
• 离子贯穿进入基片 • 和晶格原子发生碰撞 • 逐渐失去能量，最后停在基片里面 • 有两种阻滞机制
子核阻滞 • 高能量, 低原子序的离子注入：主要是电
子阻滞
阻滞机制
离子
随机碰撞 (S=Sn+Se)
通道式 (SSe)
背向散射 (SSn)
阻滞功率与离子速度
I
II
III
原子核阻 滞
电子阻滞
பைடு நூலகம்
阻滞功率
离子的速度
离子轨迹和投影射程
真空 离子束
基片
碰撞
离子的轨迹
投影射程
至表面的距离
投影射程
ln(浓度)
投影射程
基片表面
从表面算起的深度
硅中掺杂离子的投影射程
1.000
0.100
P B
As Sb
投影射程 (mm)
0.010 10
100 注入能量 (keV)
1000
200keV掺杂离子所需的阻挡层 厚度
遮蔽层厚度 (微米)
1.20
1.00
0.80
B
0.60
P
0.40 As
0.20
0.00
硅 二氧 (Si) 化硅
• 非等向性掺杂物轮廓 • 容易达到重掺杂物(如：磷和砷)的高浓度
掺杂.
栅极的对准失误
金属匣极 栅极氧化层 金属匣极
n-型硅 p+ S/D 对准的
p+ S/D
n-型硅
对准失误的
离子注入：磷
二氧化硅
多晶硅 n+
P型硅
P+ n+
离子注入和扩散的比较
掺杂区域
二氧化硅
硅 扩散
光阻
硅
接面深度
离子注入
离子注入和扩散的比较
碰撞后的通道效应
碰撞
通道
碰撞
掺杂物浓度
到表面的距离
注入制程：通道效应
• 避免通道效应的方法
– 晶圆倾斜, 通常倾斜角度是7° – 屏蔽氧化层 – 硅或锗的非晶态注入制程
• 阴影效应
– 离子被结构阻挡
• 藉旋转晶圆或在注入后退火期间的小量 掺杂物扩散解决阴影效应
阴影效应
离子束
多晶硅 基片
掺杂区 阴影区
阴影效应
退火及扩散之后
多晶硅 基片
掺杂区
问与答
• 为什么人们不试着应用通道效应以不是很 高的离子能量来形成很深的掺杂接面?
• 离子束并非完美的平行，许多离子在穿入 基片之后立刻会和晶格原子发生许多的原 子核碰撞。一部分的离子可以沿着通道深 入基片，而很多其他离子则被阻滞成常态 的高斯分佈.
损害制程
• 基片的注入区变成非晶态结构
注入前
注入后
注入制程：退火
• 掺杂物原子必须在单晶体晶格位置且和 四个硅原子产生键结，能够有效的提供 电子(donor, N-type)或是电洞(acceptor,Ptype)
• 从高温获得的热能，帮助非晶态原子复 原成单晶体结构
热退火
晶格原子
掺杂物原子
热退火
晶格原子
沉积掺杂氧化层 二氧化硅 硅基片
氧化
二氧化硅 硅基片
驱入
二氧化硅 硅基片
掺杂接面
剥除和清洗
二氧化硅 硅基片
掺杂接面
掺杂半导体：离子注入
• 用在原子和核的研究 • 1950年代观念便已被提出 • 在1970年代中期才被引进到半导体制造.
掺杂半导体：离子注入
• 单独控制掺杂物轮廓(离子能量)和掺杂物 浓度(离子束的电流和注入的时间组合控 制)
Sb
氮化硅 (Si3N4)
铝 光阻 (Al) (PR)
(SiO2)
注入制程：通道效应
• 如果入射角度正确, 离子可以不与晶格离子 碰撞且行进一个很长的距离
• 引起一个不是想得到的掺杂物分部轮廓
多数的碰撞
非常少的碰撞
通道离子
碰撞离子
q
晶圆表面
通道效应
晶格原子
碰撞后的通道效应
碰撞的
通道的
碰撞的
q
晶圆表面
• 离子注入的其他应用
掺杂半导体：扩散
• 等向性制程 • 无法单独控制掺杂物的轮廓和掺杂物的
浓度 • 在1970年代中期以后被离子注入取代.
掺杂半导体：扩散
• 最先用来掺杂半导体 • 在高温炉中完成 • 使用二氧化硅光罩 • 仍然使用在掺杂物驱入(drive-in) • 在超浅接面形成的应用
沉积掺杂氧化层
扩散
离子布植
高温, 硬光罩
低温, 光阻光罩
等向性掺杂物浓度
非等向性掺杂物轮廓
不能单独控制离子浓度和 能单独控制离子浓度和接
接面深度
面深度
批量制程
批量和单晶圆制程
离子注入控制
• 离子束电流和注入时间控制掺杂物的浓 度
• 离子能量控制接面深度 • 掺杂物浓度是非等向性
离子注入的应用
应用
掺杂
预先非晶化 深埋氧化层 多晶阻挡层
• 注入的离子转移能量给晶格原子
– 原子从晶格的束缚能释放出来
• 释放出来的原子和其他的晶格原子碰撞
– 晶格原子释放成自由原子数增多 – 损害会持续发生直到所有的自由原子停止
• 一个高能量的离子可以导致数千个晶格原子 的偏离位置
由单一离子造成的损伤
轻离子 重离子
损伤区 单晶硅
注入制程：损伤
• 离子和晶格原子碰撞并且将晶格原子敲离开 晶格的束缚
晶圆制造流程图
IC生产厂房 金属化
化学机 械研磨
介电质沉 积
加热制程
离子注入与 光阻剥除
光刻
蚀刻与光 阻剥除
测试 封装 最终测试
简介: 掺杂半导体
• 什么是半导体? • 为什么半导体需要被掺杂? • 什么是n型掺杂物? • 什么是p型掺杂物?
简介
• 掺杂半导体 • 两种掺杂的方法
– 扩散 – 离子注入
