离子注入工艺介绍在线视频

同学们好 今天我们学习离子注入工艺

前面两讲我们讨论都是扩散的工艺过程

我们知道扩散的工艺过程

就是为了在我们硅的基体里面

进行掺杂的一种手段

那么扩散的过程包含了预淀积过程

就是Predeposition这个过程

也包含一个推进过程 Drive-in

那么扩散过程是一种掺杂的手段

但是在现代的微纳加工工艺里面

用的更多的其实是离子注入的方法

这是为什么呢 因为扩散法掺杂

它有很多限制因素

比如说我们的表面浓度与扩散深度是相关的

因为我们表面浓度在那个预淀积过程

就是基本上是我们最大的固态溶解度

那么我们的扩散深度也是跟我们的这个

Drive-in推进过程时间有关系

它们两个是互相关联在一起的

第二个 我们基本上只能获得高斯

或者余误差分布

这个分布 这个方式有限

第三个受上述各种

我们上次讲的各种各样的增强扩散

因素的影响

我们实际上很难精确控制杂质的浓度

和它的位置

这样子在现代工业中

现代的微纳加工工艺里面

当我们把器件做的更小

我们需要是对这个杂质浓度

在我们器件里面精确的控制

我们的扩散方法是很难达到这一点的

所以我们扩散办法经常用来做一些阱

就是最开始器件的一些p阱，n阱等等

因为它对于它的位置各方面没有那么

精确的要求

那么对于我们跟这个源、漏、沟道

还有我们预置调整相关的掺杂的办法

一般就用离子注入的办法

因为离子注入可以精确的控制杂质的数量

并灵活的控制和调节其分布

那它的代价就是晶格损伤

那对于晶格损伤

一般我们可以通过离子注入之后的

退火工艺来消除晶格的损伤

那么这是这张图我们显示的离子注入设备的

设备的各个组成部分

它是一张示意图

大家可以看到离子注入设备是

非常非常复杂的

它包括离子源 包括了质量分析器

包括了加速管 也包括了终端控制离子束

扫描的方式和控制离子的剂量

好 我们来一个一个部分简单的介绍一下

我们先说离子源

那离子源总的来说就是一个气态源

比如说三氟化硼 三氢化砷等等这些源

它们通过一些气体的方式进入一个

等离子体的放电腔

然后在放电腔里面我们通过

在放电腔里面就把这些气体 气态源

变成了 分解成了离化的气体

比如说三氟化硼 就变成了硼的离子

有可能是二氟化硼的离子

或者氟离子

那在我们这有一个狭缝

在狭缝里面我们通过一个负电位

就把这个离子给吸引出来了

那吸引出来之后

离子束就通过这个狭缝出来

那么这是我们离子源

下一步这些离子源通过质量分析器

这个质量分析器我们其实有个磁场

我们的磁场方向是垂直于离子束的运动方向

大家知道这些带电粒子的磁场方向里面

这个运动它遵循一个

受到一个洛伦兹力

那它离子运动是一个圆形的轨迹

在这个圆形轨迹这个半径

其实跟它的速度和跟它的质量是有关系的

在同样速度情况下

就跟它的质量相关的

那我们选择之后 通过这个半径之后

运动之后 通过磁场的选择之后

我们就选出需要质量的离子出来

比如说我们都有硼

我们有硼的一价 就是硼离子

也有二氟化硼的一价

那么它们的质量不一样

我们就可以有选择性的选择出不同离子

来进行注入

所以在我们的出口狭缝

我们只允许一种 它的一种质量的离子

离开这个质量分析仪

那下一步加速管 加速管就是通过一个

新的加速电压 我们在这个加速管里的

加速电压来加速离子

来获得我们所需要的能量

那最后我们一个终端台

终端台是通过控制离子束扫描

比如说我们现在X方向扫描 Y方向扫描

不同的扫描方式

另外在这个终端台我们有一个法拉第杯

通过法拉第杯我们可以计算

我们的离子流 通过离子流

我们换算成我们最后整个掺杂的这个剂量

然后我们在掺杂过程中

我们在离子注入过程中

我们需要计算我们总注入的总剂量

所以这就是一个简单的离子注入设备

那么离子注入设备在我们工艺过程中

用的是很多的

那我们这张图显示的一个CMOS器件 我们有NMOS，PMOS

大家可以看到这里有多少地方

是需要掺杂的呢

那这些掺杂又有多少个地方是通过

我们的离子注入方法做的呢

大家可以看到我们有n阱 p阱

我们有这个有源区漏区我们有沟道

我们还有为了调节阈值这个区域

一些掺杂 所以这种掺杂是很多的

刚刚我们讲了

在绝大部分地方

比如说源区 漏区 沟道 还有阈值调节

一般都是用离子注入的方法来实现的

那么这一张图我们显示的

在很多半导体器件里面 包括MOS

包括双极型晶体管 包括PN结

用到各种各样注入的元素

然后它们的能量分布

还有它们的剂量分布

大家可以看到这个能量从只有1keV

1000eV 到几千keV 一个很广的分布

它的剂量从十的十一次方分布到

十的十七次方每平方厘米

所以看到我们这个在注入过程中

既有低能注入 也有高能注入

然后我们的剂量有Low dose低剂量

也有高剂量

那这都是取决于我们这个器件的不同设计

所以说一般来说离子注入

是我们在器件设计里面一个很重要的一块

因为我们在器件设计里面

需要设计我们的Doping profile

我们的掺杂 我们杂质的分布

杂质的分布决定我们的PN结

决定我们器件的性能

那怎么样来实现这样的掺杂分布呢

就需要通过离子注入的方式来实现

那我们这张图显示离子注入大致过程

我们可以看

我们可以把离子注入分成三部分

第一部分就是离子经过这个注入机

来通过扫描的方式进入到我们这个

硅的基体里面来

这是第一步

第二步我们知道离子进入这个

硅里面之后 因为它带有能量

肯定是把我这个硅基体里面

本来排列好好的硅原子 打的比较乱

同时也把我们杂质元素

引进到了我们的硅基体里面来

所以说我们就看到这里面的原子的排布

就比较乱了

那第三步就是我们一个退火过程

在退火过程中

我们本来这些比较乱的硅原子还有杂质原子

它会慢慢的回到硅本身的这个晶格位置上来

那同时我们这个杂质

这个原子有可能是在间隙

在硅的这个晶格结构间隙里面

也有可能成为它的替位型的

就是取代硅的位置

这就是我们离子注入大致的三步曲

三部分的过程

那么我们再看看离子注入到底有什么优势呢

我们刚刚讲了

离子注入不仅能够精确控制整个的剂量

还能控制好我整个的位置

到底多深

刚刚讲跟扩散不一样

扩散一般来说我们在表面都是浓度最高的

它跟我表面的浓度和我这个深度

它们俩是关联在一起是couple的

但离子注入不一样

因为我是打进去的

所以我可以按照我的需要去来打

比如我需要深一点

我就把能量调高一点

我需要浅一点 那我离子注入的能量

就低一点

所以我这个

那我的剂量是怎么控制的

是通过剂量控制的

就是我整个杂质元素的分布

是通过剂量来控制的

所以剂量和我这个能量是

它俩是两个参数

所以这样就很好的

把我这个杂质分布的位置

和杂质的浓度给它decouple，区分开了

这样子我们就可以精确的控制我的剂量

和我的深度

第二个就是说还跟这个扩散相比

还有一个很大的优势

就是离子注入是一个低温过程

就是说我在离子注入过程中

我整个环境是个适温环境

我并不需要对这个基体进行加热

那这就非常好了

因为我们知道扩散是个高温过程

所以整个硅片加热到八百度到一千度

甚至更高的温度

所以我们的掩膜层必须要用二氧化硅

在扩散里面

那这一层二氧化硅

你想把它去掉等等

化学方法去掉 那其实是非常麻烦的

成本也很高 而且你不太容易

经常的用化学腐蚀这个基体的话

去二氧化硅的话 会对下面的substrate

也造成一些damage

那如果说反之我们用

因为是个适温工艺

对离子注入来讲

那我可以用光刻胶

那光刻胶是个有机物 我可以很好的去

用光刻的工艺来定义它的这个掩膜层

那这样子我就很好的

因为光刻胶是一个牺牲层

我注入完之后就可以很快的把光刻胶给洗掉

这样子我能够很好的实现

这个低成本的掩膜层的概念

另外就是在这个注入过程中

我们相对来说

我注入过程对于表面的干净程度

相对来说要求会低一点

因为我在高温情况下

如果扩散过程中 因为是高温

所以表面有任何不清晰 不清洁的东西

它都会被

随着扩散到我的这个硅片里面去

但是相对来说对于注入过程中

我相对要求就没有那么高

另外一个就是对于我们横向的控制

相对来说就是整个硅片的

12层的硅片 很大的硅片

它的整个硅片中间和硅片边缘相比

它的这个整个的剂量控制

一致性是比较好的

所以说我们一般来说

在我们的MOSFET里面

我们常用的三极管里面

我们的源也好 漏也好 我们的沟道也好

一般都是用注入的方式来进行掺杂

好 那我们再来看

我们刚才讲了很多离子注入和

这个扩散的区别

我们这边有两张图

进一步对比了这个扩散和离子注入的区别

我们上面一张图是这个扩散

大家可以看到

扩散的情况下它表面浓度是最高的

然后在推进过程中

在逐步往里面扩散

那对于注入里面

它其实表面不是最高的

它最高占了四层 这个中间这个地方

是它的浓度最高的地方

那么我们说当我们在离子注入过程中

离子进入到我们的基体里面去

那这些离子跟我们基体里面的

原子是怎么发生作用的呢

那么这个时候它肯定有很多种作用

一种情况下 离子打到我们基体的表面来

它被打回去了 撞回去了

这是一种bounce off情况

第二种离子过来到表面被吸附住了

第三种因为当我的离子有一定能量

我会有点溅射

就把我表面的原子给打掉了

打过来把它打掉了

第三种是什么情况呢

因为我的能量很高

我打进去 就是穿透了

进入我这个基体里面

同时也就会对我这个基体本身

基体的材料本身造成很多的缺陷

create a lot of damage

那我这个入射离子在进入我基体的时候

它有很多能量损失过程

那入射离子的能量损失机制是怎么样的呢

我们可以说在入射离子它有两种碰撞

一般情况下可以考虑为

一是入射离子与这个原子核外的电子碰撞

因为入射离子跟这个电子碰撞的情况下

两个质量相差很大

所以说单位长度上碰撞离子损失很少能量

我们用SE来表示

而且在这种情况下

都是一个小角度的损失过程

第二种是核碰撞过程

当入射离子与钯原子的核

它们碰撞 因为两者的质量是在

同一个数量级

所以单位长度上的碰撞可以使这个离子

损失角度的能量

这个损失我们用SN来表示

而且可能会发生一个大角度的损失

有的时候可能发生连续的碰撞

那我们如果把入射离子能量损失

做一个积分的话

它就相当于把这个电子碰撞加上这个核碰撞

在一起 就是我整个入射离子能量损失过程

我们来看一下当两种离子

通过注入的方式进入这个基体是什么情况

一种情况是一个新的离子

在一个高的能量情况下

一种情况是一个很重的离子在一个

低的能量情况下

它跟基体怎么相互作用的

当一个新的离子在一个高的能量情况下

它打进来

绝大部分情况下

它会发生的是一个电子碰撞过程

电子能量损失过程

那如果说是一个重的离子

很Heavy很重的离子

它很慢的速度进来

它更多情况下会发生是一个核碰撞过程

那我们刚才讲了

电子碰撞过程其实对于我们基体的损失

要小一点

那对于这种重的离子

这种核碰撞过程

对于我们这个基体就产生很多的缺陷

我们比如刚才讲的用氢离子的话

它属于轻的离子

那氢离子打进来 那么它这种情况下

主要是因为电子碰撞导致的

它的这个能量损失

实际上对硼离子也是一样

硼离子它停下来的主要原因

也是电子碰撞原因

那么相对比如果砷离子注入的话

那么因为它很重 很多停下的原因

它的能量损失主要是核碰撞导致能量损失的

好 我们再来看一下

离子注入过程中我们要考虑算一下

离子在注入之后

在我整个基体里面的整个分布情况

那这个分布情况是怎么来算的呢

这里面有很多模拟计算的过程

我们在课上就不去详细讨论这个

模拟计算过程

但我们给一个分布图出来

那么这就是我们那个分布图

我们可以看到

对于无定形靶

离子浓度沿深入方向分布

它的关系是按照高斯分布的方式来进行的

那这是我们的一个离子浓度

随着位置的计算公式

可以看到它给我们的总剂量Q

总注入的离子剂量有关系

可以看到它还有两个距离

一个叫Rp

就是我们的射程

还一个叫ΔRp 它就是

我们纵向的一个扩散的一个情况

那么它整个符合一个高斯分布

那深度Rp 就是射程的时候

我们的离子浓度达到最大值

我们用CP来表示

CP就等于剂量除以 根号下2π×ΔRp

大家可以看到这个公式的情况

那如果说我们把离子浓度沿硅片深度

进行积分

就是我们注入的总剂量

当然我们可以从这个电子

它的电子碰撞损失能量

和核碰撞损失能量来计算出来

我们最后的这个我们讲这个射程

还有我们纵向扩散的深度

纵向的偏差

但是我们一般情况下

我们更多的是采用在图上找的方式

比如说这个给出了四张图

是表示不同的元素在不同的基体里面

比如在硅里面 还有在GaAs里面

它的射程还有纵向的偏差

我们看左上方这张图

可以看到在这种情况下

我们的横坐标是我们注入的能量

我们纵坐标 左边的纵坐标是我们的射程

右边的纵坐标是我们偏差

那么我们这几条曲线有不同的材料

比如说有这个注入磷

比如说有注入这个砷

还有不同的材料

那这个实线是对应射程的

虚线是对应我们纵向的偏差的

所以说你只要知道

你注入的这个能量

我就可以查出来 从图上可以查出来

我对应的射程和对应的偏差

这是我们比较常用的方式

我们右下面这张图是在GaAs里面

我们注入不同的材料

根据能量可以找到对应的射程

和它的偏差

我们在这个课里面讲到很多地方

讲到Dose就是剂量

还有这个浓度Concentration这个概念

那这个Dose剂量和这个

浓度Concentration是什么区别呢

我们画出一个非常形式的一个图

就是说这一个盆里面

一个鱼缸里面有很多条鱼

那什么叫Dose呢

就是说对于这个剂量来讲

剂量是针对面积来讲的

就是说我们往下看

这个特定区域往下看

在整个区域里面 整个面积里面

我看总共有多少条鱼

它集成了所有的深度关系

那浓度呢Concentration

它是对于一个体积的改变

那我们只是看在一个特定的一个位置

它的一个单位体积里面

有多少条鱼 是这么一个概念

所以说剂量是针对面积的单位的

所以多少个per area per面积

对于浓度来讲是多少个per volume

就是对于比如这个立方厘米

这么一种情况

好 那我们刚刚这一讲

我们讲了离子注入一些基本因素

包括我们整个计算离子注入之后

它的这个杂质元素的分布情况

谢谢大家