第四章 離子注入

1、離子注入河北工業(yè)大學(xué)微電子研究所河北工業(yè)大學(xué)微電子研究所 離子注入技術(shù)始于20世紀(jì)60年代。離子注入技術(shù)大大推動(dòng)了半導(dǎo)體器件和集成電路的發(fā)展,從而使集成電路的生產(chǎn)進(jìn)入超大規(guī)模時(shí)代。19521952年年,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室就開(kāi)始研究用離子束轟擊技術(shù)來(lái)改善半導(dǎo)體的特性。19541954年前后年前后，shockley提出采用離子注入技術(shù)能夠制造半導(dǎo)體器件,并且預(yù)言采用這種方法可以制造薄基區(qū)的高頻晶體管。19551955年年,英國(guó)的W.D.Cmsins發(fā)現(xiàn)硼離子轟擊鍺晶片時(shí)，可在N型材料上形成P型層。到了1960年,對(duì)離子射程的計(jì)算和測(cè)量、輻射損傷效應(yīng)以及溝道效應(yīng)等方面的重要研究已基本完成。離子注入技術(shù)開(kāi)

2、始在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。19681968年，年，報(bào)道了采用離子注入技術(shù)制造的、具有突變型雜質(zhì)分布的變?nèi)荻O管以及鋁柵自對(duì)準(zhǔn)MOS晶體管。19721972年后年后對(duì)離子注入現(xiàn)像有了更深入的了解,并且采用離子注入技術(shù)制造具有不少獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的砷化鎵高速集成電路。 目前，離子注入技術(shù)已成為超大規(guī)模集成電路制造中不可缺少的摻雜工藝。 n離子注入的概念：離子注入的概念：將具有很高能量的雜質(zhì)離子射入半導(dǎo)體襯底中的摻雜技術(shù)。n摻雜深度由注入雜質(zhì)離子的能量和質(zhì)量決定，摻雜濃度由注入雜質(zhì)離子的數(shù)目(劑量)決定。n離子注入特點(diǎn)：離子注入特點(diǎn)：n摻雜的均勻性好、污染小n溫度低：小于400n可以精確控制雜質(zhì)分布

3、（數(shù)量和深度）n可以注入各種各樣的元素、無(wú)固溶度的限制n橫向擴(kuò)展比擴(kuò)散要小得多。n可以對(duì)化合物半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜硅片工藝流程中的離子注入硅片工藝流程中的離子注入注入擴(kuò)散測(cè)試/揀選刻蝕拋光光刻完成的硅片無(wú)圖形硅片硅片起始薄膜硅片制造 (前端) 硬膜掩蔽（氧化硅或氮化硅）注入后退火光刻膠掩蔽控制雜質(zhì)濃度和深度控制雜質(zhì)濃度和深度低摻雜濃度 (n, p) 和淺結(jié)深 (xj)Mask掩蔽層Silicon substratexj低能低劑量快速掃描束掃描摻雜離子離子注入機(jī)高摻雜濃度 (n+, p+) 和深結(jié)深 (xj)Beam scan高能大劑量慢速掃描MaskMaskSilicon substratexjIo

4、n implanter離子注入機(jī)離子注入機(jī)離子注入機(jī)離子注入機(jī)Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side4.1 核碰撞和電子碰撞（核、電子阻止本領(lǐng)、射程估計(jì)）4.2 注入離子在無(wú)定形靶中的分布（縱向分布、橫向效應(yīng)、溝道效應(yīng)和淺結(jié)的形成）4.3 注入損傷（級(jí)聯(lián)碰撞、簡(jiǎn)單晶格損傷、非晶形成）4.4 退火（硅的退火特性、硼、磷退火特性，退火中的擴(kuò)散效應(yīng)、快速退火）目錄目錄4.1 4.1 核碰撞和電子碰撞核碰撞和電子碰撞 設(shè)一個(gè)注入離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x處的能量為E，則核阻止本領(lǐng)可定義為:

5、 （4.1）同樣，電子阻止本領(lǐng)定義為: （4.2） nndxdEES eedxdEES在單位距離上，由于核碰撞和電子碰撞，注入離子所損失的能量則為: （4.3）如果知道了Sn(E)和Se(E)，就可以直接對(duì)上式積分，求出注入離子在靶內(nèi)運(yùn)動(dòng)的總路程: （4.4）E0為注入離子的起始能量。 ESESdxdEen 0000)()(EenEenESESdEESESdER在p=0時(shí)，兩球?qū)l(fā)生正面碰撞，此時(shí)傳輸?shù)哪芰孔畲螅帽硎荆?（4.5）實(shí)際上注入離子與靶原子之間還存在著相互作用力（吸引力或排斥力）。若忽略外圍電子的屏蔽作用，這兩個(gè)粒子之間的作用力實(shí)際上就是庫(kù)侖力： （4.6）而注入離子與靶原子之間

6、的相應(yīng)勢(shì)函數(shù)形式為 （4.7）其中Z1和Z2分別為兩個(gè)粒子的原子序數(shù)，r為距離(只考慮庫(kù)侖作用時(shí)，對(duì)運(yùn)動(dòng)緩慢而質(zhì)量較重的注入離子來(lái)說(shuō)，所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不太符合)。022121222421EMMMMUMTM 2212rZZqrF 2212rZZqrV當(dāng)考慮電子屏蔽作用時(shí)，注入離子與靶原子之間的相互作用的勢(shì)函數(shù)可用下面形式表示： （4.8）其中f(r/a)是電子屏蔽函數(shù)，a為屏蔽參數(shù)（其大小和玻爾半徑同數(shù)量級(jí)）。一般地說(shuō)，當(dāng)r由零變時(shí)，應(yīng)該由1變到零。f(r/a)的最簡(jiǎn)單形式可選取下面形式： （4.9）那么注入離子與靶原子之間的勢(shì)函數(shù)與距離的平注入離子與靶原子之間的勢(shì)函數(shù)與距離的平方成反比。方成反比

7、。 arfrZZqrV212raarf( (一一).).射程的概念射程的概念雜質(zhì)離子的射程和投影射程雜質(zhì)離子的射程和投影射程入射離子束硅襯底對(duì)單個(gè)離子停止點(diǎn)RpDRp雜質(zhì)分布注入能量對(duì)應(yīng)射程圖注入能量對(duì)應(yīng)射程圖注入能量 (keV)Projected Range, Rp (mm)101001,0000.010.11.0BPAsSb注入到硅中注入雜質(zhì)原子能量損失注入雜質(zhì)原子能量損失SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-射線電子碰撞原子碰撞被移動(dòng)的硅原子攜能雜質(zhì)離子硅晶格(二二)核碰撞和電子碰撞核碰撞和電子碰撞不同靶材、不同注入離子的Ec

8、不同，對(duì)于硅靶：B注入時(shí)Ec=15ev,P注入Ec=150ev。注入能量Ec，主要以電子阻止形式損失能量，核阻止損失的能量可以忽略,則射程： 則入射離子主要以核阻止形式損失能量，射程： 在LSS理論中，把固體中的電子看為自由電子氣。電子的阻止就類似于黏滯氣體的阻力，在注入離子常用能量范圍內(nèi)，電子的阻止本領(lǐng)：其中V為注入離子的速度，系數(shù)Ke與注入離子的原子序數(shù)、質(zhì)量、靶材料的原子序數(shù)以及質(zhì)量有著微弱的關(guān)系。無(wú)定形靶為一常數(shù)。 21EkCVESee211EkR cEE 02EkR 4.2.1 4.2.1 注入離子的縱向分布注入離子的縱向分布* 注入離子的分布計(jì)算注入離子的分布計(jì)算1.平均投影射程R

9、p，標(biāo)準(zhǔn)偏差DR通過(guò)查表根據(jù)靶材（Si，SiO2， Ge），雜質(zhì)離子(B，P，As)能量（keV）2.單位面積注入電荷：Qss I t /A，I：注入束流，t: 時(shí)間，A：掃描面積（園片尺寸）3.單位面積注入離子數(shù)(劑量)： Ns Qss/q =(I t) /(q A)4.最大離子濃度：NMAX=RNsD2*注入離子分布注入離子分布nN(x)=Nmax nN(x):距表面x處的濃度,nDRp:查表所得的標(biāo)準(zhǔn)偏差nNmax:峰值濃度(x=Rp處)nRp:平均投影射程D221expppRRx*離子注入結(jié)深計(jì)算離子注入結(jié)深計(jì)算BpppSjNRRxRNxNDD221exp2)(DDBspppjNNRR

10、Rx21ln2n橫向系數(shù): B Sb,約0.5但比熱擴(kuò)散小(0.75-0.85)4.2.2 4.2.2 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)4.2.3 4.2.3 溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)n入射離子的阻擋作用與晶體取向有關(guān),n可能沿某些方向由原子列包圍成直通道溝道，離子進(jìn)入溝道時(shí)，沿溝道前進(jìn)阻力小，射程要大得多。沿沿 軸的硅晶格視圖軸的硅晶格視圖Used with permission from Edgard Torres Designs離子入射角與溝道離子入射角與溝道Used with permission from Edgard Torres Designsn解決辦法，偏離此方向，以大于臨界角注入。離子注入到無(wú)定形靶

11、中的高斯分布情況離子注入到無(wú)定形靶中的高斯分布情況4.2.4 4.2.4 淺結(jié)的形成淺結(jié)的形成 隨集成度的提高，為了抑制MOS晶體管的穿通電流和減小器件的短溝道效應(yīng)。要求減小CMOS的源、漏結(jié)的結(jié)深。而且CMOS器件還要求高的表面摻雜濃度、低接觸電阻以及小的結(jié)漏電流。 淺結(jié)制造困難較多，如硼注入形成淺P結(jié)，問(wèn)題很多，見(jiàn)書(shū)上（P90)， 降低注入能量形成淺結(jié)，但低能注入時(shí)的溝道效應(yīng)明顯，離子束穩(wěn)定性，尤其需大束流注入的源、漏區(qū)和發(fā)射區(qū)，問(wèn)題更嚴(yán)重。由空間電荷效應(yīng)造成（帶電離子相互排斥造成的。離子的能量低、飛行時(shí)間長(zhǎng)、導(dǎo)致離子束發(fā)散），可利用寬束流和縮短路徑加以解決。 預(yù)先非晶化是一種實(shí)現(xiàn)預(yù)先非晶

12、化是一種實(shí)現(xiàn)P+P+結(jié)的比較理想方法結(jié)的比較理想方法。在注硼前，以重離子高劑量注入形成表面非晶層，以減小溝道效應(yīng)；也可注入不激活物質(zhì)如Si+、Ce+、Sb形成非晶層。注入Si+結(jié)深下降20。注入Ce+ 結(jié)深下降40，具有更小的缺陷和漏電流。淺淺 結(jié)結(jié)180 nm20 柵氧化層厚度54 nm 砷注入層多晶硅柵4.34.3、注入損傷與退火、注入損傷與退火4.3.1 級(jí)聯(lián)碰撞 因碰撞而離開(kāi)晶格位置的原子稱為移位原子。注入離子通過(guò)碰撞把能因碰撞而離開(kāi)晶格位置的原子稱為移位原子。注入離子通過(guò)碰撞把能量傳遞給靶原子核及其電子的過(guò)程，稱為能量淀積。量傳遞給靶原子核及其電子的過(guò)程，稱為能量淀積。碰撞的兩種形式

13、同時(shí)存在，當(dāng)注入離子能量較高時(shí)，以非彈性碰撞為主，能量較低時(shí)，主要為彈性碰撞，在集成電路制造中，離子注入主要為彈性碰撞。 碰撞產(chǎn)生移位原子。使處于晶格位置的原子發(fā)生移位所需最小能量成為移位閾能（Ed）。注入離子與靶內(nèi)原子碰撞，存在三種形式傳遞能量Ed2Ed，被碰撞原子本身可以離開(kāi)晶格，并留下一個(gè)空位。被碰撞原子移位后能量還很高，不斷與其它原子碰撞。硅的Ed14ev-15ev，一般會(huì)小于該能量范圍，主要是由于各向異性、碰撞的反沖方向、非彈性碰撞的能量損失、替位碰撞等等。 移位原子也稱為反沖原子，與入射離子碰撞產(chǎn)生移位的原子，移位原子又會(huì)和相鄰原子碰撞，形成級(jí)聯(lián)碰撞。造成大量靶原子的移位，形成大量

14、空位和間歇原子，形成損傷。級(jí)聯(lián)碰撞密度不大時(shí)，只產(chǎn)生孤立、分開(kāi)的點(diǎn)缺陷，密度大時(shí)，加重?fù)p傷程度，甚至造成非晶層。解決解決：退火、激活一一. .損傷形式損傷形式1、孤立的點(diǎn)缺陷或缺陷群，2、局部非晶層，一般與低劑量的重原子注入有關(guān)，3、非晶層，局部非晶層的相互重疊，修復(fù)硅晶格結(jié)構(gòu)并激活雜質(zhì)硅鍵b) 退火后的硅晶格a) 注入過(guò)程中損傷的硅晶格離子束二二. .移位原子數(shù)的估算移位原子數(shù)的估算三非晶層的形成三非晶層的形成四四. . 損傷區(qū)的分布損傷區(qū)的分布輕離子，電子碰撞為主，位移少，晶格損傷小，損傷體積計(jì)算見(jiàn)P105重離子，原子碰撞為主，位移多，晶格損傷大,損傷體積計(jì)算見(jiàn)P105 4.22式4.4

15、4.4 熱退火熱退火n退火：將注入離子的硅片在一定溫度和真空或氮、氬等高純氣體的保護(hù)下，經(jīng)過(guò)適當(dāng)時(shí)間的熱處理，n部分或全部消除硅片中的損傷，少數(shù)載流子的壽命及遷移率也會(huì)不同程度的得到恢復(fù)，n電激活摻入的雜質(zhì)n分為普通熱退火、硼的退火特性、磷的退火特性、擴(kuò)散效應(yīng)、快速退火n1 1普通熱退火普通熱退火 n 退火時(shí)間通常為15-30min，使用通常的擴(kuò)散爐，在真空或氮、氬等氣體的保護(hù)下對(duì)襯底作退火處理。缺點(diǎn)：清除缺陷不完全，注入雜質(zhì)激活不高，退火溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致雜質(zhì)再分布。2硼的退火特性區(qū)單調(diào)上升：點(diǎn)缺陷、陷井缺陷消除、自由載流子增加區(qū)出現(xiàn)反退火特性：代位硼減少，淀積在位錯(cuò)上區(qū)單調(diào)上升劑量越大，所需退火溫度越高。3磷的退火特性雜質(zhì)濃度達(dá)1015以上時(shí)出現(xiàn)無(wú)定形硅，退火溫度達(dá)到600800熱退火的特點(diǎn)n簡(jiǎn)單、價(jià)廉n激活率不高n產(chǎn)生二次缺陷，位錯(cuò)環(huán)、層錯(cuò)、位錯(cuò)