半導(dǎo)體工藝離子注入

1、離子注入離子注入1 1、離子注入、離子注入3 3、離子束加工方式、離子束加工方式5 5、離子注入的特點、離子注入的特點6 6、溝道效應(yīng)及避免方法、溝道效應(yīng)及避免方法7 7、離子與襯底原子的相互作用、離子與襯底原子的相互作用8 8、注入損傷、注入損傷9 9、退火、退火1010、離子注入的、離子注入的 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 離子注入離子注入出現(xiàn)：出現(xiàn)：隨著集成電路集成度的提高，對器隨著集成電路集成度的提高，對器件源漏結(jié)深的要求，且傳統(tǒng)的擴散已無法精確控制雜件源漏結(jié)深的要求，且傳統(tǒng)的擴散已無法精確控制雜質(zhì)的分布形式及濃度了。質(zhì)的分布形式及濃度了。 離子束把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面，離子束

2、把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面，這個現(xiàn)象叫做這個現(xiàn)象叫做濺射濺射； 當(dāng)離子束射到固體材料時，從固體材料表面彈回來，當(dāng)離子束射到固體材料時，從固體材料表面彈回來，或者穿出固體材料而去，這些現(xiàn)象叫做或者穿出固體材料而去，這些現(xiàn)象叫做散射散射； 離子束射到固體材料以后，離子束與材料中的原子離子束射到固體材料以后，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，這一現(xiàn)象就叫做表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，這一現(xiàn)

3、象就叫做離離子注入子注入。 1、離子注入：、離子注入： 離子束是一種帶電原子或帶電分子的束狀流，離子束是一種帶電原子或帶電分子的束狀流，能被電場或磁場偏轉(zhuǎn)，能在高壓下加速而獲得很高能被電場或磁場偏轉(zhuǎn)，能在高壓下加速而獲得很高的動能。的動能。 離子束的用途：離子束的用途： 摻雜、曝光、刻蝕、鍍膜、退火、凈化、改性、摻雜、曝光、刻蝕、鍍膜、退火、凈化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的離子能量打孔、切割等。不同的用途需要不同的離子能量 e ： e 50 kev，注入摻雜，注入摻雜 用于離化雜質(zhì)的容器。常用的雜質(zhì)源氣用于離化雜質(zhì)的容器。常用的雜質(zhì)源氣體有體有 bf3、 ash3 和和 ph3

4、等。等。 不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出因而在分析器磁場中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。 為高壓靜電場，用來對離子束加速。該為高壓靜電場，用來對離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個重要參量。加速能量是決定離子注入深度的一個重要參量。 利用偏移電極和偏移角度分離中利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。性原子。 用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。毫米的離子束。用來實現(xiàn)離子束用來實現(xiàn)離子束 x x、y y 方向的一方

5、向的一定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。放置樣品的地方，其位置可調(diào)。放置樣品的地方，其位置可調(diào)。離子注入系統(tǒng)離子注入系統(tǒng)5 5、離子注入的特點：、離子注入的特點：特點：特點： 可以獨立控制雜質(zhì)分布（離子能量）和雜質(zhì)濃度可以獨立控制雜質(zhì)分布（離子能量）和雜質(zhì)濃度（離子流密度和注入時間）（離子流密度和注入時間） 各向異性摻雜各向異性摻雜 容易獲得高濃度摻雜容易獲得高濃度摻雜 （特別是：重雜質(zhì)原子，如（特別是：重雜質(zhì)原子，如p p和和asas等）。等）。離子注入與擴散的比較：離子注入與擴散的比較：擴散擴散離子注入離子注入高溫，硬掩膜高溫，硬掩膜9001200 低溫，光刻膠掩膜低溫，光刻膠掩膜室溫或

6、低于室溫或低于400各向同性各向同性各向異性各向異性不能獨立控制結(jié)深和不能獨立控制結(jié)深和濃度濃度可以獨立控制結(jié)深和可以獨立控制結(jié)深和濃度濃度6、溝道效應(yīng)及避免方法：、溝道效應(yīng)及避免方法： 對單晶材料的軸溝道和面溝道對單晶材料的軸溝道和面溝道( (基材晶向基材晶向) )，由于，由于散射截面小，注入離子可以獲得很深的穿透深度，稱散射截面小，注入離子可以獲得很深的穿透深度，稱為為溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)。 為了盡可能避免溝道效應(yīng)，離子束為了盡可能避免溝道效應(yīng)，離子束在注入硅片時必須偏離溝道方向約在注入硅片時必須偏離溝道方向約7 7。通常，這種。通常，這種偏轉(zhuǎn)是用傾斜硅片來實現(xiàn)。偏轉(zhuǎn)是用傾斜硅片來實現(xiàn)。離子束

7、離子束（100）si 除了除了轉(zhuǎn)動靶片，轉(zhuǎn)動靶片，還可以還可以用事先生長氧化層或用用事先生長氧化層或用sisi、f f等離子預(yù)非晶化的方法來消除溝道效應(yīng)。對大直徑等離子預(yù)非晶化的方法來消除溝道效應(yīng)。對大直徑sisi片，還用增大傾斜角的方法來保證中心和邊緣都能片，還用增大傾斜角的方法來保證中心和邊緣都能滿足大于臨界角。滿足大于臨界角。7 7、離子與襯底原子的相互作用：、離子與襯底原子的相互作用： 注入離子與襯底原子的相互作用，決定了注入離注入離子與襯底原子的相互作用，決定了注入離子的分布、襯底的損傷。子的分布、襯底的損傷。 注入離子與靶原子的相互作用，主要有離子與電注入離子與靶原子的相互作用，主

8、要有離子與電子的相互作用，稱為電子阻止。和離子與核的相互作子的相互作用，稱為電子阻止。和離子與核的相互作用，稱為核阻止。核阻止主要表現(xiàn)為庫侖散射。用，稱為核阻止。核阻止主要表現(xiàn)為庫侖散射。 在同樣能量下，靶原子在同樣能量下，靶原子質(zhì)量越大，核阻止越大，靶質(zhì)量越大，核阻止越大，靶原子質(zhì)量越小電子阻止越大原子質(zhì)量越小電子阻止越大。8 8、注入損傷：、注入損傷： 離子注入襯底單晶與襯底原子作級聯(lián)碰撞，產(chǎn)離子注入襯底單晶與襯底原子作級聯(lián)碰撞，產(chǎn)生大量的位移原子，注入時產(chǎn)生的空位、填隙原子生大量的位移原子，注入時產(chǎn)生的空位、填隙原子等缺陷稱為一次缺陷。在劑量達(dá)到一定數(shù)值后，襯等缺陷稱為一次缺陷。在劑量達(dá)

9、到一定數(shù)值后，襯底單晶非晶化，形成無定型結(jié)構(gòu)。使襯底完全非晶底單晶非晶化，形成無定型結(jié)構(gòu)。使襯底完全非晶化的注入劑量稱為閾值劑量。化的注入劑量稱為閾值劑量。 不同襯底和不同的注入離子，在不同的能量、不同襯底和不同的注入離子，在不同的能量、劑量率和不同溫度下有不同的非晶劑量。輕原子的劑量率和不同溫度下有不同的非晶劑量。輕原子的大、重原子的小；能量低大，能量高??；襯底溫度大、重原子的??；能量低大，能量高??；襯底溫度低大，襯底溫度高小。當(dāng)襯底溫度高于固相外延溫低大，襯底溫度高小。當(dāng)襯底溫度高于固相外延溫度時，可以一直保持單晶。度時，可以一直保持單晶。注入離子將能量轉(zhuǎn)移給晶格原子注入離子將能量轉(zhuǎn)移給晶

10、格原子 產(chǎn)生自由原子（間隙原子空位缺陷對）產(chǎn)生自由原子（間隙原子空位缺陷對）自由原子與其它晶格原子碰撞自由原子與其它晶格原子碰撞 使更多的晶格原子成為自由原子使更多的晶格原子成為自由原子 直到所有自由原子均停止下來，損傷才停止直到所有自由原子均停止下來，損傷才停止一個高能離子可以引起數(shù)千個晶格原子位移一個高能離子可以引起數(shù)千個晶格原子位移9、退火：、退火： 退火：退火：將完成離子注入的硅片在一定的溫度下，將完成離子注入的硅片在一定的溫度下，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，則硅片上的損傷就可能得到消除，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，則硅片上的損傷就可能得到消除，少數(shù)載流子壽命以及遷移率也會不同程度的得到恢復(fù)，少數(shù)載流子壽

11、命以及遷移率也會不同程度的得到恢復(fù)，雜質(zhì)也得到一定比例的電激活。雜質(zhì)也得到一定比例的電激活。 退火目的：退火目的：離子注入過程中造成晶格損傷，導(dǎo)致離子注入過程中造成晶格損傷，導(dǎo)致散射中心增加，載流子遷移率下降，缺陷中心的增加，散射中心增加，載流子遷移率下降，缺陷中心的增加，載流子的壽命減少，漏電流增大，同時由于注入的離載流子的壽命減少，漏電流增大，同時由于注入的離子大多存在于間隙中起不到施主或受主的作用。子大多存在于間隙中起不到施主或受主的作用。硅單晶退火：硅單晶退火：修復(fù)硅晶格結(jié)構(gòu)并激活雜修復(fù)硅晶格結(jié)構(gòu)并激活雜質(zhì)質(zhì)硅鍵硅鍵b) 退火后的硅晶格退火后的硅晶格a) 注入過程中損傷的硅晶格注入過程

12、中損傷的硅晶格離子束離子束 熱退火特性：熱退火特性：將欲退火的硅片置于真空或高純氣體將欲退火的硅片置于真空或高純氣體的保護(hù)下，加熱到某一溫度進(jìn)行熱處理，由于熱退火的保護(hù)下，加熱到某一溫度進(jìn)行熱處理，由于熱退火處于較高的溫度，原子的振動能較大，導(dǎo)致原子的移處于較高的溫度，原子的振動能較大，導(dǎo)致原子的移動能加強，可使復(fù)雜的缺陷分解點缺陷，當(dāng)它們相互動能加強，可使復(fù)雜的缺陷分解點缺陷，當(dāng)它們相互靠近時就可能復(fù)合而使缺陷消失?？拷鼤r就可能復(fù)合而使缺陷消失。 缺點：缺點：缺陷不能完全消除，而且容易產(chǎn)生二次缺陷，缺陷不能完全消除，而且容易產(chǎn)生二次缺陷，雜質(zhì)電激活率不高，容易增加表面污染，高溫容易導(dǎo)雜質(zhì)電激

13、活率不高，容易增加表面污染，高溫容易導(dǎo)致雜質(zhì)再分布，破壞了離子注入的優(yōu)點。致雜質(zhì)再分布，破壞了離子注入的優(yōu)點。 優(yōu)點：通過降低退火溫度，縮短退火時間優(yōu)點：通過降低退火溫度，縮短退火時間脈沖激光退火脈沖激光退火 ： 特點：退火區(qū)域受熱時間短，因而損傷區(qū)雜質(zhì)幾特點：退火區(qū)域受熱時間短，因而損傷區(qū)雜質(zhì)幾乎不擴散，可以通過改變激光的波長和能量密度，可乎不擴散，可以通過改變激光的波長和能量密度，可在深度上和表面上進(jìn)行不同的退火處理。從而可在同在深度上和表面上進(jìn)行不同的退火處理。從而可在同一硅片上制造處不同結(jié)深和不同擊穿電壓的器件。一硅片上制造處不同結(jié)深和不同擊穿電壓的器件。 快速退火：快速退火：10、離

14、子注入的、離子注入的 1、可控性好，離子注入能精確控制摻雜的濃度分布、可控性好，離子注入能精確控制摻雜的濃度分布和摻雜深度，因而適于制作極低的濃度和很淺的結(jié)深；和摻雜深度，因而適于制作極低的濃度和很淺的結(jié)深； 2、注入溫度低，一般不超過、注入溫度低，一般不超過 400，退火溫度也在，退火溫度也在 650 左右，避免了高溫過程帶來的不利影響，如結(jié)左右，避免了高溫過程帶來的不利影響，如結(jié)的推移、熱缺陷、硅片的變形等；的推移、熱缺陷、硅片的變形等； 3、工藝靈活，可以穿透表面薄膜注入到下面的襯底、工藝靈活，可以穿透表面薄膜注入到下面的襯底中，也可以采用多種材料作掩蔽膜，如中，也可以采用多種材料作掩蔽膜，如 sio2 、金屬、金屬膜或光刻膠等；膜或光刻膠等；4、可以獲得任意的摻雜濃度分布；、可以獲得任意的摻雜濃度分布； 優(yōu)點：優(yōu)點：5、結(jié)面比較平坦；、結(jié)面比較平坦； 6、均勻性和重復(fù)性好；、均勻性和重復(fù)性好； 7、可以用電的方法來控制離子束，因而易于實現(xiàn)自、可以用電的方法來控制離子束，因而易于實現(xiàn)自動控制，同時也易于實現(xiàn)無掩模的聚焦離子束技術(shù)；動控制，同時也易于實現(xiàn)無掩模的聚焦離子束技術(shù)； 8、擴大了雜質(zhì)的選擇范圍；、擴大了雜質(zhì)的選擇范圍；9、橫向擴展小，有利于提高集成電路的集成度、提、橫向擴展小，有利于提高集成電路的集成度、提高器件和集成電路的工作