半導(dǎo)體制造工藝-10離子注入(下)

1、半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)1上節(jié)課主要內(nèi)容上節(jié)課主要內(nèi)容LSS理論？阻止能力的含義？理論？阻止能力的含義？離子注入的雜質(zhì)分布？退火后？離子注入的雜質(zhì)分布？退火后？離子注入的主要特點(diǎn)？離子注入的主要特點(diǎn)？掩蔽膜的厚度？掩蔽膜的厚度？精確控制摻雜，淺結(jié)、精確控制摻雜，淺結(jié)、淺摻雜，純度高，低溫，淺摻雜，純度高，低溫，多種掩模，多種掩模，非晶靶。能量損失為兩個(gè)彼非晶靶。能量損失為兩個(gè)彼此獨(dú)立的過程此獨(dú)立的過程(1) 核阻止與核阻止與(2) 電子阻止之和。電子阻止之和。能量為能量為E的入的入射粒子在密度為射粒子在密度為N的靶內(nèi)走的靶內(nèi)走過過x距離后損失的能量。距離后損失

2、的能量。掩膜層能完全阻擋離子的條件：掩膜層能完全阻擋離子的條件：BmCxC* 221exppppRRxCxCpPRQC4 . 0半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)2總阻止本領(lǐng)（總阻止本領(lǐng)（Total stopping power）v核阻止本領(lǐng)在低能量下起主要作用（核阻止本領(lǐng)在低能量下起主要作用（注入分布的尾端注入分布的尾端）v電子阻止本領(lǐng)在高能量下起主要作用電子阻止本領(lǐng)在高能量下起主要作用核阻止和電核阻止和電子阻止相等子阻止相等的能量的能量半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)3表面處晶格表面處晶格損傷較小損傷較小射程終點(diǎn)（射程終點(diǎn)（EOR）處晶格損

3、傷大處晶格損傷大半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)4EOR damageCourtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002).半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)5晶格損傷：晶格損傷：高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列碰碰撞撞，可能使靶原子發(fā)生，可能使靶原子發(fā)生位移位移，被位移原子還可能把能量依，被位移原子還可能把能量依次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的空位間隙原子對(duì)空位間隙原子對(duì)及及其它類型晶格無序的分布。這種因?yàn)殡x子注入所引起的簡(jiǎn)其它類型晶格無序

4、的分布。這種因?yàn)殡x子注入所引起的簡(jiǎn)單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。什么是注入損傷什么是注入損傷(Si)SiSiI + SiV半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)6損傷的產(chǎn)生 移位原子移位原子：因碰撞而離開晶格位置的原子。：因碰撞而離開晶格位置的原子。 移位閾能移位閾能Ed：使一個(gè)處于平衡位置的原子發(fā)生：使一個(gè)處于平衡位置的原子發(fā)生移位，所需的最小能量移位，所需的最小能量. (對(duì)于硅原子對(duì)于硅原子, Ed 15eV) 注入離子通過碰撞把能量傳給靶原子核及其電注入離子通過碰撞把能量傳給靶原子核及其電子的過程，稱為子的過程，稱為能量傳遞過程能量傳遞過

5、程半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)7損傷區(qū)的分布損傷區(qū)的分布重離子每次碰撞傳輸給靶的能量較重離子每次碰撞傳輸給靶的能量較大，散射角小，獲得大能量的位移大，散射角小，獲得大能量的位移原子還可使許多原子移位。注入離原子還可使許多原子移位。注入離子的能量損失以核碰撞為主。同時(shí)，子的能量損失以核碰撞為主。同時(shí)，射程較短，在小體積內(nèi)有較大損傷。射程較短，在小體積內(nèi)有較大損傷。重離子注入所造成的損傷區(qū)域小，重離子注入所造成的損傷區(qū)域小，損傷密度大。損傷密度大。質(zhì)量較靶原子輕的離子傳給靶原子質(zhì)量較靶原子輕的離子傳給靶原子能量較小，被散射角度較大，只能能量較小，被散射角度較大，只能產(chǎn)

6、生數(shù)量較少的位移靶原子，因此，產(chǎn)生數(shù)量較少的位移靶原子，因此，注入離子運(yùn)動(dòng)方向的變化大，產(chǎn)生注入離子運(yùn)動(dòng)方向的變化大，產(chǎn)生的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較大。呈鋸齒狀。大。呈鋸齒狀。半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)8離子注入損傷估計(jì)離子注入損傷估計(jì)100KeV B離子注入損傷離子注入損傷初始核能量損失：初始核能量損失：30eV/nm, 硅晶面間距硅晶面間距: 0.25nm, 每穿過一個(gè)晶面每穿過一個(gè)晶面能量損失能量損失: 30eV/nm X 0.25nm=7.5eV Ed (15eV). 當(dāng)能量降到當(dāng)能量降到50KeV,穿過一個(gè)晶面能量損失

7、為穿過一個(gè)晶面能量損失為15eV, 該能量所對(duì)應(yīng)的射程為該能量所對(duì)應(yīng)的射程為: 150nm. 位位移原子數(shù)為移原子數(shù)為: 150/0.25=600, 如果移位距離為如果移位距離為: 2.5nm, 那么損傷體積那么損傷體積: (2.5)2 X150=3X10-18cm3. 損傷密度損傷密度: 2X1020 cm-3, 大約是原子密度大約是原子密度0.4%.100KeV As離子注入損傷離子注入損傷平均核能量損失：平均核能量損失：1320eV/nm,損傷密度損傷密度: 5X1021 cm-3, 大約是原子密大約是原子密度度10%, 該數(shù)值為達(dá)到晶格無序所需的臨界劑量該數(shù)值為達(dá)到晶格無序所需的臨界劑

8、量, 即非晶閾值即非晶閾值.半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)9非晶化（非晶化（Amorphization）q注入離子引起的晶格損傷注入離子引起的晶格損傷有可能使晶體結(jié)構(gòu)完全破有可能使晶體結(jié)構(gòu)完全破壞變?yōu)闊o序的非晶區(qū)。壞變?yōu)闊o序的非晶區(qū)。q與注入劑量的關(guān)系與注入劑量的關(guān)系 注入劑量越大，晶格損注入劑量越大，晶格損傷越嚴(yán)重。傷越嚴(yán)重。 臨界劑量：使晶格完全臨界劑量：使晶格完全無序的劑量。無序的劑量。 臨界劑量和注入離子的臨界劑量和注入離子的質(zhì)量有關(guān)質(zhì)量有關(guān)半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)10損傷退火損傷退火 （Damage Annealing）q

9、被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位置，對(duì)被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位置，對(duì)載流子的輸運(yùn)沒有貢獻(xiàn)；而且也造成大量損傷。載流子的輸運(yùn)沒有貢獻(xiàn)；而且也造成大量損傷。q注入后的半導(dǎo)體材料：注入后的半導(dǎo)體材料： 雜質(zhì)處于間隙雜質(zhì)處于間隙 nND；pNA 晶格損傷，遷移率下降；少子壽命下降晶格損傷，遷移率下降；少子壽命下降 熱退火后：熱退火后：n n=ND (p=NA) bulk 0半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)11損傷退火的目的損傷退火的目的q 去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復(fù)其原有完美晶體結(jié)構(gòu)去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復(fù)其原有完美晶體結(jié)構(gòu)q 讓雜質(zhì)進(jìn)入電活

10、性（讓雜質(zhì)進(jìn)入電活性（electrically active） 位置位置替位位置替位位置。q 恢復(fù)電子和空穴遷移率恢復(fù)電子和空穴遷移率注意：退火過程中應(yīng)避免大幅度的雜質(zhì)再分布注意：退火過程中應(yīng)避免大幅度的雜質(zhì)再分布半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)12損傷恢復(fù)機(jī)制損傷恢復(fù)機(jī)制（Damage Recovery Mechanism）Annihilation: recombinationSiI + SiV (Si)SiMonte Carlo模擬的模擬的 I-V 復(fù)合結(jié)復(fù)合結(jié)果：短時(shí)間內(nèi)（果：短時(shí)間內(nèi)（10-2秒）秒）800 C 下，體內(nèi)的下，體內(nèi)的 V 在表面復(fù)合迅速在表面復(fù)

11、合迅速完成，產(chǎn)生剩余的完成，產(chǎn)生剩余的 I ，其表面，其表面復(fù)合相對(duì)較緩慢。在復(fù)合相對(duì)較緩慢。在400 C以以上，這些上，這些 I 可接合入可接合入311面形面形成棒成棒/帶狀缺陷，并可以穩(wěn)定較帶狀缺陷，并可以穩(wěn)定較長(zhǎng)時(shí)間。長(zhǎng)時(shí)間。Frenkel I-V pairs半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)13該該311缺陷帶在較高溫度下（缺陷帶在較高溫度下（8001000 C）即可退）即可退火修復(fù)，但是釋放出大量填隙原子火修復(fù)，但是釋放出大量填隙原子I。損傷小于臨界值，這些損傷小于臨界值，這些311缺陷可以完全分解，回復(fù)缺陷可以完全分解，回復(fù)完美晶體。完美晶體。損傷高于臨界值

12、，則損傷高于臨界值，則311缺陷可能變成穩(wěn)定的位錯(cuò)環(huán)，缺陷可能變成穩(wěn)定的位錯(cuò)環(huán)，該位錯(cuò)環(huán)位于該位錯(cuò)環(huán)位于EOR，并難以去除。，并難以去除。TED漏電流大漏電流大半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)14a) 退火退火 一定溫度下，通常在一定溫度下，通常在Ar、N2或真空條件下或真空條件下退火溫度退火溫度取決于注入劑量及非晶層的消除取決于注入劑量及非晶層的消除。修復(fù)晶格：退火溫度修復(fù)晶格：退火溫度600 oC以上，時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)小時(shí)以上，時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)小時(shí)雜質(zhì)激活：退火溫度雜質(zhì)激活：退火溫度650900 oC，時(shí)間，時(shí)間1030分鐘分鐘 * 方法簡(jiǎn)單方法簡(jiǎn)單 * 不能全部消除

13、缺陷不能全部消除缺陷 * 對(duì)高劑量注入激活率不夠高對(duì)高劑量注入激活率不夠高 * 雜質(zhì)再分布雜質(zhì)再分布半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)15。高功率激光束輻照高功率激光束輻照。電子束。電子束 。高強(qiáng)度的光照。高強(qiáng)度的光照 。其它輻射。其它輻射 RTP主要優(yōu)點(diǎn)是摻雜的再分布大大降低，主要優(yōu)點(diǎn)是摻雜的再分布大大降低，對(duì)制備淺結(jié)器件特別有利對(duì)制備淺結(jié)器件特別有利b）快速熱退火，）快速熱退火， Rapid Thermal Processing（RTP）半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)16半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)17離子注

14、入在集成電路中的應(yīng)用離子注入在集成電路中的應(yīng)用一、一、CMOS制造制造9-10 different I/Iidentified !半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)18二、雙極型制造（二、雙極型制造（Bipolar fabrication）。高能注入形成埋層。高能注入形成埋層。LOCOS下方的下方的p-n結(jié)隔離結(jié)隔離。形成基區(qū)注入。形成基區(qū)注入。砷注入多晶硅發(fā)射區(qū)。砷注入多晶硅發(fā)射區(qū) 。多晶電阻。多晶電阻半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)19三、其它應(yīng)用三、其它應(yīng)用硅襯底背面損傷形成吸雜區(qū)硅襯底背面損傷形成吸雜區(qū) Backside Damage

15、Layer Formation for Gettering形成形成SOI結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) Silicon-On-Insulator Using Oxygen or Hydrogen Implantation半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)20半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)21半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入 (下下)22本節(jié)課主要內(nèi)容本節(jié)課主要內(nèi)容什么是離子注入損傷？什么是離子注入損傷？退火的目的是什么？什退火的目的是什么？什么是么是RTP？產(chǎn)生大量空位間隙對(duì)，直至產(chǎn)生大量空位間隙對(duì)，直至非晶化?；謴?fù)晶格，激活雜質(zhì)，非晶化?；謴?fù)晶格，激活雜質(zhì)，恢復(fù)載流子遷移率和少子壽命?；謴?fù)載流子遷移率和少子壽命?？焖贌嵬嘶?，熱擴(kuò)散小，制作快速熱退火，熱擴(kuò)散小，制作淺結(jié)。淺結(jié)。半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入離子注入