1、第第6 6章章 离子注入离子注入田丽微电子工艺微电子工艺55内容内容v6.1 概述概述v6.2离子注入原理离子注入原理 v6.3注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布v6.4注入损伤注入损伤v6.5退火退火 v6.6离子注入设备与工艺离子注入设备与工艺 v6.7离子注入的其它应用离子注入的其它应用什么是离子注入什么是离子注入 离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质 离子注入的基本过程离子注入的基本过程v将某种元素的原子或携将某种元素的原子或携带该元素的
2、分子经离化带该元素的分子经离化变成带电的离子变成带电的离子v在强电场中加速，获得在强电场中加速，获得较高的动能较高的动能v注入材料表层（靶）以注入材料表层（靶）以改变这种材料表层的物改变这种材料表层的物理或化学性质理或化学性质6.1 概述概述离子注入特点离子注入特点各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量（各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量（1011-1017 cm-2）和能量（）和能量（5-500 keV）来达到）来达到同一平面上杂质掺杂分布非常均匀（同一平面上杂质掺杂分布非常均匀（1%variation across an 8 wafer）非平衡过程，不受固溶度限制，
3、可做到浅结低浓度非平衡过程，不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度或深结高浓度注入元素通过质量分析器选取，纯度高，能量单一注入元素通过质量分析器选取，纯度高，能量单一低温过程（因此可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质）；低温过程（因此可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质）；避免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂；避免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂；横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小可防止玷污，自由度大可防止玷污，自由度大v会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进会产生缺陷
4、，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进v设备相对复杂、相对昂贵（设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机尤其是超低能量离子注入机）v有不安全因素，如高压、有毒气体有不安全因素，如高压、有毒气体离子注入过程是一个离子注入过程是一个非平衡非平衡过程，高能离子进入过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。部分不在晶格上，因而没有电活性。R：射程（射程（range）离子在靶内的总路离子在靶内的总路线长度线长度 Xp：投影射
5、程（投影射程（projected range）R在在入射方向上的投影入射方向上的投影射程分布射程分布：平均投影射程平均投影射程Rp，标准偏差标准偏差 Rp，横向标准偏差横向标准偏差 R 6.2离子注入原理离子注入原理6.2.1与注入离子分布相关的几个概念与注入离子分布相关的几个概念 Rp：标准偏差（标准偏差（Straggling），投影射程的平均偏差投影射程的平均偏差 R：横向横向标准标准偏差（偏差（Traverse straggling）,垂直于入射方向垂直于入射方向平面上的标准偏差。平面上的标准偏差。LSS理论理论对在对在非晶靶非晶靶中注入离子的射程分布的研究中注入离子的射程分布的研究v1
6、963年，年，Lindhard,Scharff and Schiott首先确首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称立了注入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论。理论。v该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程个彼此独立的过程 (1)核碰撞核碰撞（nuclear stopping）(2)电子碰撞电子碰撞（electronic stopping）v阻止本领（阻止本领（stopping power）：材料中注入离子：材料中注入离子的能量损失大小。的能量损失大小。6.2.2 6.2.2 离子注入相关理论基础离子注入相关理论基础（LSS理论）理
7、论）v核碰撞核碰撞：能量为能量为E的的一个注入离子与靶一个注入离子与靶原子核碰撞，离子原子核碰撞，离子能量转移到原子核能量转移到原子核上，结果将使离子上，结果将使离子改变运动方向，而改变运动方向，而靶原子核可能离开靶原子核可能离开原位，成为间隙原原位，成为间隙原子核，或只是能量子核，或只是能量增加。增加。nndESEdx核阻止本领核阻止本领能量为能量为E的注入离子在的注入离子在单位密度靶内运动单单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶位长度时，损失给靶原子核的能量。原子核的能量。核碰撞核碰撞碰撞参数碰撞参数pr1+r2核阻止本领核阻止本领 1521212 32 312122.8 10eVcmnZ
8、ZMSEMMZZM质量质量Z 原子序数原子序数下标下标1离子离子下标下标2靶靶212M2202124M M1TM UE2(MM)正面碰撞正面碰撞 最大能量转移：最大能量转移：0p 212Z Z()qV rr忽略外围电子屏蔽作用，注入忽略外围电子屏蔽作用，注入离子与靶内原子之间势函数：离子与靶内原子之间势函数：注入离子与靶内原子之间注入离子与靶内原子之间弹性碰撞弹性碰撞能量损失率与离子能能量损失率与离子能量的关系量的关系核碰撞核碰撞托马斯托马斯费米费米屏蔽函数屏蔽函数rrf最简屏蔽函数最简屏蔽函数212Z Z V()qrrfra电子屏电子屏蔽函数蔽函数考虑电子屏蔽时离子考虑电子屏蔽时离子与靶核之
9、间相互作用势与靶核之间相互作用势函数函数a屏蔽参数屏蔽参数电子碰撞电子碰撞v电子碰撞电子碰撞指的是注入离指的是注入离子与靶内白由电子以及子与靶内白由电子以及束缚电子之间的碰撞。束缚电子之间的碰撞。v注入离子和靶原子周围注入离子和靶原子周围电子云通过库仑作用，电子云通过库仑作用，使离子和电子碰撞失去使离子和电子碰撞失去能量，而束缚电子被激能量，而束缚电子被激发或电离，自由电子发发或电离，自由电子发生移动。生移动。v瞬时地形成电子瞬时地形成电子-空穴对空穴对。eedxdEES电子阻止本领电子阻止本领电子阻止本领和注入离子电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正比。的能量的平方根成正比。1/2151
10、/220.210eVcmeioneeSECvk Ek离子离子速度速度 nedESESEdx-dE/dx：能量损失梯度：能量损失梯度E：注入离子在其运动路程上任一点：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量处的能量Sn(E)：核阻止本领：核阻止本领Se(E)：电子阻止本领：电子阻止本领N:靶原子密度靶原子密度 5 1022 cm-3 for SiLSS理论理论能量能量E的函数的函数能量为能量为E的的入射粒子在入射粒子在密度为密度为N的的靶内走过靶内走过x距离后损失距离后损失的能量的能量v单位路程上注入离子由于核阻止（单位路程上注入离子由于核阻止（Sn(E)）和电子阻止和电子阻止(Se(E)所损失的
11、能量，所损失的能量，总能量总能量损失为两者的和损失为两者的和。As,P,B在硅中核、电子阻止本领与能量关系计算值在硅中核、电子阻止本领与能量关系计算值6.2.3 几种常用杂质在硅中的核阻止本领与能量关系几种常用杂质在硅中的核阻止本领与能量关系低能区低能区中能区中能区高能区高能区核阻止本领和电子阻止本领曲线核阻止本领和电子阻止本领曲线(1)低能区：Sn(E)占主要地位，Se(E)可忽略(2)中能区：Sn(E)和Se(E)同等重要(3)高能区：Se(E)占主要地位，Sn(E)可忽略表面处晶格表面处晶格损伤较小损伤较小射程终点（射程终点（EOR）处晶格损伤大处晶格损伤大v核阻止本领在低能量下起主要作
12、用（注入分布的尾端）核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）v电子阻止本领在高能量下起主要作用电子阻止本领在高能量下起主要作用EOR damageCourtesy Ann-Chatrin Lindberg(March 2002).6.3.1 6.3.1 纵向分布纵向分布v注入离子在靶内注入离子在靶内受到的碰撞是随受到的碰撞是随机的，所以杂质机的，所以杂质分布也是按几率分布也是按几率分布的。分布的。v离子进入非晶层离子进入非晶层（穿入距离）的（穿入距离）的分布接近分布接近高斯分高斯分布布。RRp p：投影射程的标准偏差：投影射程的标准偏差RR：横向离散：横向离散6.3注入离子在靶中的分布
13、注入离子在靶中的分布能量损失与射程能量损失与射程R R0E设注入离子的初始能量为设注入离子的初始能量为，从进入靶面到静止时所经过的总距离，从进入靶面到静止时所经过的总距离000)()(EenRESESdEdxR211pRRbMMPPRMMMMR212132 RPRPR与投影射程与投影射程和投影标准偏差和投影标准偏差之间关系之间关系b E 和和R 的缓慢变化函数的缓慢变化函数M1M2;b=1/3纵向分布纵向分布 离子注入的实际浓度分布用高斯函数表示离子注入的实际浓度分布用高斯函数表示21()exp22pTppxRQn xRR高斯分布只在峰值附近高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好与实际分布符合
14、较好max()2TppQn RNRmax2TpQNR单位面积注入的离子总数单位面积注入的离子总数6.3.2横向效应横向效应 横向效应指的横向效应指的是注入离子在是注入离子在垂直于入射方垂直于入射方向平面向平面内的分内的分布情况布情况v由由LSS理论计理论计算得到的硼、算得到的硼、磷和砷入射到磷和砷入射到无定形硅靶中无定形硅靶中R与入射能量与入射能量的关系如图所的关系如图所示示横向分布横向分布2222222321exp)2(1),(pppRRxZzYyZYRzyxf35 keV As注入注入120 keV As注入注入横向效应影响横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度晶体管的有效沟道长度1101
15、11100倾斜旋转硅片后的无序方向倾斜旋转硅片后的无序方向1.8 沟道（渗透）沟道（渗透）效应效应(Channeling effect):衬底为衬底为单晶材料，离单晶材料，离子束准确的沿子束准确的沿着晶格方向注着晶格方向注入，几乎不会入，几乎不会受到原子核的受到原子核的散射，其纵向散射，其纵向分布峰值与高分布峰值与高斯分布不同。斯分布不同。一部分离子穿一部分离子穿过较大距离。过较大距离。6.3.3单晶靶中的沟道效应单晶靶中的沟道效应 临界角09.73itCz zE d C硅中常用杂质发生沟道效应的临界角（对每种杂质，上面曲线表示111衬底，下面对应100衬底）浓度分布浓度分布 由于沟道效应的存
16、在，在晶体中注入将偏离由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离LSS理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的相当长的“尾巴尾巴”产生非晶化的剂量产生非晶化的剂量沿沿的沟道效应的沟道效应表面非晶层对于沟道效应的作用表面非晶层对于沟道效应的作用Boron implantinto SiO2Boron implantinto Si减少沟道效应的措施减少沟道效应的措施v 对大的离子，沿沟道轴向对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离偏离710ov用用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层形成非晶层（Pre-am
17、orphization）v增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）沟道离子减少）v表面用表面用SiO2层掩膜层掩膜沟道效应的防止方法沟道效应的防止方法（111）硅一般采取偏离晶向）硅一般采取偏离晶向7，平行偏转，平行偏转15的注入方法的注入方法 v实际上高能离子入射到衬底时，一小部分与实际上高能离子入射到衬底时，一小部分与表面晶核原子弹性散射，而从衬底表面反射表面晶核原子弹性散射，而从衬底表面反射回来，未进入衬底，这叫回来，未进入衬底，这叫背散射现象背散射现象.6.3.4影响注入离子分布的其它因素影响注入离子分布的其它因素纵向分布纵向分布v
18、硼比硅原子质量轻得硼比硅原子质量轻得多，硼离子注入就会多，硼离子注入就会有较多的大角度散射。有较多的大角度散射。被反向散射的硼离子被反向散射的硼离子数量也会增多，因而数量也会增多，因而分布在峰值位置与表分布在峰值位置与表面一侧的离子数量大面一侧的离子数量大于峰值位置的另一侧，于峰值位置的另一侧，不服从严格的高斯分不服从严格的高斯分布。布。v砷等重离子和硼轻离砷等重离子和硼轻离子的分布正好相反。子的分布正好相反。注入离子的真实分布注入离子的真实分布v真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布v当轻离子硼（当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大）注入到
19、硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射（角度的散射（背散射背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有），会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。较多的离子堆积；重离子散射得更深。锑晶格损伤：晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰碰撞撞，可能使靶原子发生，可能使靶原子发生位移位移，被位移原子还可能把能量依，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的次传给其它原子，结果产生一系列的空位间隙原子对空位间隙原子对及及其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简单或复杂的
20、缺陷统称为晶格损伤。单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。6.46.4注入损伤注入损伤(Si)SiSiI+SiVv高能离子在靶内与晶格多次碰撞，从而导致高能离子在靶内与晶格多次碰撞，从而导致靶的靶的晶格损伤晶格损伤。v碰撞有碰撞有弹性碰撞弹性碰撞和非弹性碰撞。和非弹性碰撞。v注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程，称为其电子的过程，称为能量淀积过程能量淀积过程。6.4.1级联碰撞v移位原子移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。：因碰撞而离开晶格位置的原子。v移位阈能移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小
21、能量移位，所需的最小能量.(对于硅原子对于硅原子,Ed 15eV)v碰撞碰撞中，当转移能量中，当转移能量EEd移位阈能移位阈能时，靶原时，靶原子位移；若移位原子能量子位移；若移位原子能量2Ed时，移位原子再时，移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，这种现象碰撞其它原子，使其它原子再位移，这种现象称称级联碰撞级联碰撞。移位原子的估算v入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量 Ed E 2Ed时，才能增加移位原子的数目。时，才能增加移位原子的数目。v估算一个以起始能量估算一个以起始能量E0入射的离子，在碰撞过入射的离子，在碰撞过程中可以使靶内原子移位的数目程
22、中可以使靶内原子移位的数目N(E)为为 dEEEN2)(0损伤特点损伤特点 v损伤有三种：损伤有三种：点缺陷点缺陷 非晶区非晶区 非晶层非晶层简单晶格损伤简单晶格损伤损伤主要与注入离子质量、能量、剂量、剂量率有关；与靶损伤主要与注入离子质量、能量、剂量、剂量率有关；与靶温有关。温有关。损伤峰值非常接近投影射程的损伤峰值非常接近投影射程的75%损伤造成半导体电学特性衰退：载流子迁移率下降；少子寿损伤造成半导体电学特性衰退：载流子迁移率下降；少子寿命变短；命变短；pn结反向漏电。结反向漏电。重离子每次碰撞传输给靶的能量较重离子每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，获得大能量的位移大，散射角小，获得
23、大能量的位移原子还可使许多原子移位。注入离原子还可使许多原子移位。注入离子的能量损失以核碰撞为主。同时，子的能量损失以核碰撞为主。同时，射程较短，在小体积内有较大损伤。射程较短，在小体积内有较大损伤。重离子注入所造成的损伤区域小，重离子注入所造成的损伤区域小，损伤密度大。损伤密度大。质量较靶原子轻的离子传给靶原子质量较靶原子轻的离子传给靶原子能量较小，被散射角度较大，只能能量较小，被散射角度较大，只能产生数量较少的位移靶原子，因此，产生数量较少的位移靶原子，因此，注入离子运动方向的变化大，产生注入离子运动方向的变化大，产生的损伤密度小，不重叠，但区域较的损伤密度小，不重叠，但区域较大。呈锯齿状
24、。大。呈锯齿状。一个一个B，E080KeV，Rp 250nm，480个个Si移位，移位，损伤原子约损伤原子约0.4一个一个As，E080KeV，Rp 250nm，4000个个Si移位，损伤原子约移位，损伤原子约86.4.2简单晶格损伤6.4.3非晶化（非晶化（Amorphization）q注入离子引起的晶格损伤有可能注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完全破坏变为无序的使晶体结构完全破坏变为无序的非晶区。非晶区。q与注入剂量的关系与注入剂量的关系注入剂量越大，晶格损伤越注入剂量越大，晶格损伤越严重。严重。临界剂量：使晶格完全无序临界剂量：使晶格完全无序的剂量。的剂量。临界剂量和注入离子的质量
25、临界剂量和注入离子的质量有关有关与靶温关系与靶温关系-自退火自退火与注入离子能量关系与注入离子能量关系与注入离子剂量率之间关系与注入离子剂量率之间关系与晶体取向的关系与晶体取向的关系与注入速度的关系与注入速度的关系 注入离子剂量注入离子剂量理论上可以由离子电流大小来量度理论上可以由离子电流大小来量度:（ion/cm2）其中：其中：I为电流；为电流；t为时间；为时间；A为注入面积。为注入面积。AItQT181025.6v在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩散进入替位，有电活性；并使晶体损伤区域散进入替位，有电活性；并使晶体损伤区域“外延生长外延生长”为晶体
26、，恢复或部分恢复硅的为晶体，恢复或部分恢复硅的迁移率，少子寿命。迁移率，少子寿命。v退火效果退火效果(q/NA,)，与温度，时间有关。一与温度，时间有关。一般温度越高、时间越长退火效果越好。般温度越高、时间越长退火效果越好。v退火后出现靶的杂质再分布。退火后出现靶的杂质再分布。6.5退火退火 退火条件、方法退火条件、方法v退火条件：依据损伤情况定，目的是激退火条件：依据损伤情况定，目的是激活杂质，恢复电学特性活杂质，恢复电学特性注入杂质的质量，注入杂质的质量，剂量剂量、剂量率，能量、剂量率，能量靶温靶温v退火方法退火方法高温退火高温退火快速退火：激光、宽带非相关光、电子束快速退火：激光、宽带非
27、相关光、电子束退火退火损伤退火损伤退火（Damage Annealing）q被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。q注入后的半导体材料：注入后的半导体材料：杂质处于间隙杂质处于间隙 nND；pNA 晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降 热退火后：热退火后：n n=ND(p=NA)bulk 0损伤退火的目的损伤退火的目的q去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构q让杂质进入
28、电活性（让杂质进入电活性（electrically active）位置位置替位位置替位位置。q恢复电子和空穴迁移率恢复电子和空穴迁移率注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布一定温度下，通常在一定温度下，通常在Ar、N2或真空条件下或真空条件下,热处理热处理退火温度退火温度/时间时间/方式取决于注入剂量方式取决于注入剂量,靶温及非晶层靶温及非晶层的消除等不同条件而定。的消除等不同条件而定。修复晶格：退火温度修复晶格：退火温度600 oC以上，时间最长可达数小时以上，时间最长可达数小时杂质激活：退火温度杂质激活：退火温度650900 oC，时间，时间103
29、0分钟分钟 *方法简单方法简单 *不能全部消除缺陷不能全部消除缺陷 *对高剂量注入激活率不够高对高剂量注入激活率不够高 *杂质再分布杂质再分布6.5.1硅材料的热退火硅材料的热退火 特性特性剂量对退火的影响剂量对退火的影响vQT低，简单损伤，在较低温度下退火就可以消除。低，简单损伤，在较低温度下退火就可以消除。Sb，QT=1013cm2，T 300 退火，缺陷基本上消退火，缺陷基本上消除；除；vQT增大，形成非晶区，增大，形成非晶区，T400退火，退火，Si中无序群中无序群才开始分解，才开始分解，Sb激活率只有激活率只有20-30，非晶区的重新，非晶区的重新结晶要在结晶要在550-600。在此
30、温度。在此温度Si也随着结晶形成而也随着结晶形成而进入晶格，被电激活。进入晶格，被电激活。v重结晶常伴有位错环产生，低于重结晶常伴有位错环产生，低于800位借环的产生位借环的产生随温度升高而增加。随温度升高而增加。v非晶区在重新结晶时，在新结晶区与原晶体区的交非晶区在重新结晶时，在新结晶区与原晶体区的交界面可能发生失配现象。界面可能发生失配现象。6.5.2B、P的退火的退火BP逆退火现象逆退火现象6.5.4高温退火引起的杂质再分布高温退火引起的杂质再分布退火时间为退火时间为35分钟分钟6.5.5 二次缺陷二次缺陷v退火后往往会留下所谓二次缺陷。v二次缺陷可以影响载流子的迁移率、少数载流子寿命及
31、退火后注入原子在晶体中的位置等，因而直接影响半导体器件的特性。6.5.6 退火方式及快速热处理技术退火方式及快速热处理技术v（Rapid thermal processing,RTP）是将晶）是将晶片快速加热到设定温度，进行短时间快速片快速加热到设定温度，进行短时间快速热处理的方法，热处理时间热处理的方法，热处理时间10-3-102s。过去。过去几年间，几年间，RTP已逐渐成为微电子产品生产已逐渐成为微电子产品生产中必不可少的一项工艺，用于快速热氧化中必不可少的一项工艺，用于快速热氧化（RTO）、离子注入后的退火、金属硅化）、离子注入后的退火、金属硅化物的形成和快速热化学薄膜淀积。物的形成和快
32、速热化学薄膜淀积。RTP特点特点vRTP系统采用系统采用辐射辐射热源对热源对单片单片加热，温度加热，温度测控由高温计完成；测控由高温计完成；vRTP工艺使用范围很广，控温在工艺使用范围很广，控温在2001300之间，升、降温速度为之间，升、降温速度为20250/秒，还可以控制工艺秒，还可以控制工艺气体气体，可，可完成复杂的多阶段热处理工艺。完成复杂的多阶段热处理工艺。v用用RTP取代常规热处理工艺取代常规热处理工艺避免了避免了Si中杂中杂质再分布质再分布，还缩短工艺周期。，还缩短工艺周期。硅及杂质稳态和瞬态激活能硅及杂质稳态和瞬态激活能杂质稳态扩散eV瞬态扩散eVSi5.5B3.51.8As3
33、.41.8P6.32.2。高功率激光束辐照。高功率激光束辐照。电子束。电子束 。高强度的光照。高强度的光照 。其它辐射。其它辐射 RTP主要优点是掺杂的再分布大大降低，主要优点是掺杂的再分布大大降低，对制备浅结器件特别有利对制备浅结器件特别有利快速热退火，快速热退火，Rapid Thermal Processing（RTP）RTP系统v利用多排卤化钨灯对利用多排卤化钨灯对Si片进行加热，片进行加热，Si片片旋转；旋转；v自动载片控制和精确自动载片控制和精确的温度控制；的温度控制；v工艺的全程控制，实工艺的全程控制，实时图形曲线显示，实时图形曲线显示，实时工艺参数采集、显时工艺参数采集、显示和分
34、析。示和分析。AG4100 6.6离子注入设备与工艺离子注入设备与工艺 离子注入设备离子注入设备-离子源离子源,加速管加速管,终端台终端台v离子注入是将含所需杂质的化合物分子离子注入是将含所需杂质的化合物分子（如（如BCl3、BF3）电离为杂质离子后，聚集）电离为杂质离子后，聚集成束用强电场成束用强电场(5-500KeV)加速，使其成为加速，使其成为高能高能离子束离子束，直接，直接轰击轰击半导体材料（半导体材料（靶）靶），当离子进入当离子进入靶靶时，受时，受靶靶原子阻挡原子阻挡，而停留，而停留在其中，在其中，经经退火退火后杂质进入替位、电离成后杂质进入替位、电离成为具有电活性的杂质。为具有电活
35、性的杂质。磁分析器磁分析器离离子子源源加速管加速管聚焦聚焦扫描系统扫描系统靶靶rdtqIAQ1BF3：B+，B+，BF2+，F+,BF+，BF+B10B11a)源（源（Source）：在半导体应用中，为了操作方便，）：在半导体应用中，为了操作方便，一般采用气体源，如一般采用气体源，如 BF3，BCl3，PH3，ASH3等。等。如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它们的蒸汽，再导入放电区。们的蒸汽，再导入放电区。b)离子源（离子源（Ion Source）：灯丝（）：灯丝（filament）发出的）发出的自由电子在电磁场作用下，获得足够能量后撞击自由电
36、子在电磁场作用下，获得足够能量后撞击源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器气体源气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，.离子源：离子源：As，Ga，Ge，Sb，P，.离子注入离子注入设备设备中科院沈阳科仪中科院沈阳科仪真空室尺寸：真空室尺寸：10001200漏漏 率：率：3.7510-7 PaL/S真空室极限真空度：真空室极限真空度：3.7510-5 Pa 离子注入工艺离子注入工艺v掩膜选取：离子注入在常温进行，所以掩膜选取：离子注入在常温进行，
37、所以光刻胶光刻胶、二氧化硅二氧化硅薄膜、薄膜、金属薄膜金属薄膜等多种材料都可以作为等多种材料都可以作为掩膜使用。要求掩蔽效果达到掩膜使用。要求掩蔽效果达到99.99%。v防止防止沟道效应沟道效应方法：硅片偏转一定角度；隔介质方法：硅片偏转一定角度；隔介质膜注入膜注入v浅结工艺浅结工艺：分子注入：分子注入BF2；降低注入能量；降低注入能量E0；非；非晶化，先注入晶化，先注入Si+、Ge、Sb注入方法注入方法v直接注入直接注入离子在光刻窗口直接注入离子在光刻窗口直接注入Si衬底。射程大、杂质重时衬底。射程大、杂质重时采用。采用。v间接注入；间接注入；通过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。间接注入沾污通
38、过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。间接注入沾污少，可以获得精确的表面浓度。少，可以获得精确的表面浓度。v多次注入多次注入通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近；也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬接近；也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中，使杂质分布为设计形状。底硅中，使杂质分布为设计形状。典型离子注入参数典型离子注入参数离子：离子：P，As，Sb，B，In，O剂量：剂量：10111018 cm-2能量：能量：1 400 keV 可重复性和均匀性可重复性和均匀性:1%温度：室温温度：室温流量：流量：1012-1014 cm-
39、2s-16.7离子注入的其它应用离子注入的其它应用浅结的形成v目的：抑制MOS晶体管的穿通电流，减小器件的短沟效应-因此要求减小CMOS源/漏结的结深v形成浅结困难很多v方法（1）分子注入方法 （2）降低注入离子能量 （3）预非晶化6.7离子注入的其它应用离子注入的其它应用Xj0.8Xj难熔栅难熔栅SiO2Si 源源 漏漏Xj难熔栅难熔栅SiO2Si 源源 漏漏浅注入层浅注入层扩散形成扩散形成寄生电容大寄生电容大自对准金属栅结构自对准金属栅结构对对阈值电压阈值电压VT的控制的控制v对对MOS管来说，栅管来说，栅电极可控范围是它电极可控范围是它下面极薄的沟道区，下面极薄的沟道区，注入杂质可看作全
40、注入杂质可看作全包含在耗尽层内。包含在耗尽层内。Rp在在SiO2/Si界面附界面附近，近，Rp很小，适很小，适当控制当控制QT，就能得，就能得到希望的到希望的VT。00itBTFBQQVVCC源栅漏P-Si离子注入区SiO2SiO2/Si界界面态面密度面态面密度沟道区强沟道区强反型体电反型体电荷荷离子注入在集成电路中的应用离子注入在集成电路中的应用一、一、CMOS制造制造9-10 different I/Iidentified!离子注入在离子注入在2mN阱阱CMOS中的应用中的应用vN阱注入：阱注入：P+，QT=31012cm2,E=80keVv阱外场注入：阱外场注入：B+,QT=11013c
41、m2,E=120keVv注注P+31：防止寄生沟道：防止寄生沟道v调解开启电压：调解开启电压：B+,QT=61011cm2,E=100keVv注注NMOS源、漏：源、漏：P+,QT=31015cm2,E=150keVv注注PMOS源、漏：源、漏：B+,QT=51015cm2,E=100keVn+p+P沟沟p+N阱阱p+n+n+n沟沟p-SiViVOVSSVDDSDDGGS。高能注入形成埋层。高能注入形成埋层。LOCOS（局域氧化隔离）下方的（局域氧化隔离）下方的p-n结隔离结隔离。形成基区注入。形成基区注入。砷注入多晶硅发射区。砷注入多晶硅发射区。多晶电阻。多晶电阻二、双极型制造（二、双极型制
42、造（Bipolar fabrication）硅衬底背面损伤形成吸杂区硅衬底背面损伤形成吸杂区 Backside Damage Layer Formation for Gettering形成形成SOI结构结构 Silicon-On-Insulator Using Oxygen or Hydrogen Implantation三、其它应用三、其它应用氧注入氧注入vSOI片的制作，可采片的制作，可采用用Si中用离子注入中用离子注入O+工艺，通过退火获得工艺，通过退火获得SiO2层，这种工艺称层，这种工艺称为为SIMOX技术。技术。退火退火O+SIMOX注氧隔离技术注氧隔离技术vSIMOX（Separ
43、ation by implanted oxygen）技术是迄今为止最成熟的 制备技术v它主要包括两个工艺步骤：氧离子注入氧离子注入 用以在硅表层下 产生一 个高浓度 的注氧层；高温退火高温退火 使注入的氧与硅反应形成绝缘层v 这 种方法 的主 要 限制 是 需要 昂贵 的大 束流 注 氧专 用 机，另 一个 问题是 为消除氧注入损伤,实现表面硅层 固相再结 晶,形成 良好的 界面,必须用专用退 火炉进行高温 长 时间 退 火,因而 材料成本 较高vSIMOX 技 术制 成 的 材料,厚 度均 匀 尤 其 适 于 制 作 超 薄 型SOISmartcut智能剥离技术 vSmartcut技术是法
44、国 公 司 的 M.Bruel 等提 出 的,其原理 是利用H+注入在Si 片中形成气泡层,将注氢片 与另 一 支撑 片键合(两 个硅 片 之 间至少一 片的表面要有热氧化 SiO2覆盖层,经适 当 的热 处 理 使注氢片从气泡层完整裂开,形成 SOI结构.vSmartCut技术是一种较理想 的 SOI制备技术对比内对比内 容容热扩散热扩散离子注入离子注入动力动力高温、杂质的浓度梯度高温、杂质的浓度梯度平衡过程平衡过程动能，动能，5-500KeV非平衡过程非平衡过程杂质浓度杂质浓度受表面固溶度限制掺杂浓受表面固溶度限制掺杂浓度过高、过低都无法实现度过高、过低都无法实现浓度不受限浓度不受限结深结
45、深结深控制不精确结深控制不精确适合深结掺杂适合深结掺杂结深控制精确结深控制精确适合浅结掺杂适合浅结掺杂横向扩散横向扩散严重。横向是纵向扩散线严重。横向是纵向扩散线度的度的0.70-0.85倍，扩散倍，扩散线宽线宽3m以上以上较小。特别在低温退火时，较小。特别在低温退火时，线宽可小于线宽可小于1m均匀性均匀性电阻率波动约电阻率波动约5-10%电阻率波动约电阻率波动约1%温度温度高温工艺，越高温工艺，越1000常温注入，退火温度约常温注入，退火温度约800，可低温、快速退火，可低温、快速退火掩蔽膜掩蔽膜二氧化硅等耐高温薄膜二氧化硅等耐高温薄膜光刻胶、二氧化硅或金属薄光刻胶、二氧化硅或金属薄膜膜工艺
46、卫生工艺卫生易沾污易沾污高真空、常温注入，清洁高真空、常温注入，清洁晶格损伤晶格损伤小小损伤大，退火也无法完全消损伤大，退火也无法完全消除，注入过程芯片带电除，注入过程芯片带电设备、费用设备、费用设备简单、价廉设备简单、价廉复杂、费用高复杂、费用高应用应用深层掺杂的双极型器件深层掺杂的双极型器件或者是电路或者是电路浅结的超大规模电路浅结的超大规模电路热热扩扩散散和和离离子子注注入入的的比比较较离子注入小结：离子注入小结：(1)注入离子在靶内的纵向浓度分布注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式可近似取高斯函数形式(2)在平均投影射程在平均投影射程 x=Rp 处有一最高处有一最高浓度，最大浓度与注入剂量关系浓度，最大浓度与注入剂量关系(3)平均投影射程两边，注入离子浓平均投影射程两边，注入离子浓度对称地下降。离平均投影射程越度对称地下降。离平均投影射程越远，浓度越低。远，浓度越低。pppRQRQC4.02 221exppppRRxCxC本章重点本章重点v离子注入工艺机理、注入方法；离子注入工艺机理、注入方法；v核、电子阻止，杂质分布函数、特点；核、电子阻止，杂质分布函数、特点；v注入损伤：原因、种类、主要影响因素；注入损伤：原因、种类、主要影响因素；v退火：机理、方法；退火：机理、方法；v离子注入和热扩散比较离子注入和热扩散比较
