離子注入PPT課件

1、第四章第四章 離子注入離子注入核碰撞和電子碰撞核碰撞和電子碰撞注入離子在無定形靶中的分布注入離子在無定形靶中的分布注入損傷注入損傷熱退火熱退火 離子注入發(fā)展于離子注入發(fā)展于2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，是一種代替高溫擴(kuò)散向年代，是一種代替高溫擴(kuò)散向半導(dǎo)體中引進(jìn)摻雜劑的方法。離子注入已成為半導(dǎo)體中引進(jìn)摻雜劑的方法。離子注入已成為VLSIVLSI制程上最制程上最主要的摻雜技術(shù)。一般主要的摻雜技術(shù)。一般CMOSCMOS制程，大約需要制程，大約需要612612個或更多的個或更多的離子注入步驟。離子注入步驟。 離子注入離子注入是將摻雜劑通過離子注入機的離化、加速和質(zhì)是將摻雜劑通過離子注入機的離化、加速和

2、質(zhì)量分析，成為一束由所需雜質(zhì)離子組成的高能離子流而投入量分析，成為一束由所需雜質(zhì)離子組成的高能離子流而投入半導(dǎo)體晶片（俗稱為靶）內(nèi)部，并通過逐點掃描完成對晶片半導(dǎo)體晶片（俗稱為靶）內(nèi)部，并通過逐點掃描完成對晶片的注入。的注入。一、離子注入簡介一、離子注入簡介 離子注入中，被摻雜的材料稱為離子注入中，被摻雜的材料稱為靶靶，轟擊靶的離子在靶表，轟擊靶的離子在靶表面被反射，不能進(jìn)入靶內(nèi)的為散射離子；進(jìn)入靶內(nèi)的離子為面被反射，不能進(jìn)入靶內(nèi)的為散射離子；進(jìn)入靶內(nèi)的離子為注入離子注入離子。Two important parameters: Dose concentration Energy depthTy

3、pical implant voltages: 50200 KeV, the trend is to lower voltages.Typical implant dose: 10111016 cm2.二、離子注入的特點二、離子注入的特點離子經(jīng)加速，到達(dá)半導(dǎo)體表面；離子經(jīng)加速，到達(dá)半導(dǎo)體表面；離子經(jīng)過碰撞損失能量，停留在不同深度的位置，離子經(jīng)過碰撞損失能量，停留在不同深度的位置，此位置與離子能量有關(guān)；此位置與離子能量有關(guān)；離子走過的距離，即透入深度，稱為射程。射程的離子走過的距離，即透入深度，稱為射程。射程的大小與離子動能以及半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)大小與離子動能以及半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特性有關(guān) ；雜質(zhì)分

4、布對于晶體相對離子束方向的取向表現(xiàn)出強雜質(zhì)分布對于晶體相對離子束方向的取向表現(xiàn)出強烈的依賴性。烈的依賴性。注入的離子純度高注入的離子純度高可以精確控制摻雜原子數(shù)目可以精確控制摻雜原子數(shù)目溫度低溫度低, ,小于小于400,400,掩蔽材料不需耐高溫掩蔽材料不需耐高溫離子注入深度隨離子能量的增加而增加，摻雜深度離子注入深度隨離子能量的增加而增加，摻雜深度可控可控非平衡過程，雜質(zhì)含量不受固溶度限制非平衡過程，雜質(zhì)含量不受固溶度限制低溫注入，避免高溫擴(kuò)散所引起的熱缺陷低溫注入，避免高溫擴(kuò)散所引起的熱缺陷橫向擴(kuò)散效應(yīng)比熱擴(kuò)散小得多橫向擴(kuò)散效應(yīng)比熱擴(kuò)散小得多離子通過硅表面的薄膜注入，薄膜起到保護(hù)膜的作離子

5、通過硅表面的薄膜注入，薄膜起到保護(hù)膜的作用，防止污染。用，防止污染。化合物半導(dǎo)體在高溫處理時可能發(fā)生變化，采用離化合物半導(dǎo)體在高溫處理時可能發(fā)生變化，采用離子注入可以對化合物半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜子注入可以對化合物半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜三、離子注入的優(yōu)點三、離子注入的優(yōu)點四、離子注入的缺點四、離子注入的缺點 產(chǎn)生的晶格損傷不易消除產(chǎn)生的晶格損傷不易消除很難進(jìn)行很深或很淺的結(jié)的注入很難進(jìn)行很深或很淺的結(jié)的注入高劑量注入時產(chǎn)率低高劑量注入時產(chǎn)率低設(shè)備價格昂貴（約設(shè)備價格昂貴（約200萬美金）萬美金）五、離子注入的應(yīng)用五、離子注入的應(yīng)用可以用于可以用于n/pn/p型硅的制作型硅的制作隔離工序中防止寄生溝道用的溝道截

6、斷隔離工序中防止寄生溝道用的溝道截斷調(diào)整閾值電壓用的溝道摻雜調(diào)整閾值電壓用的溝道摻雜CMOSCMOS阱的形成阱的形成淺結(jié)的制備淺結(jié)的制備SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-raysElectronic collisionAtomic collisionDisplaced Si atomEnergetic dopant ionSilicon crystal latticeu電子碰撞電子碰撞 注入離子與靶內(nèi)自由電子注入離子與靶內(nèi)自由電子以及束縛電子間的碰撞。以及束縛電子間的碰撞。u核碰撞核碰撞 注入離子與靶內(nèi)原子核間注入離子與靶內(nèi)原子

7、核間的碰撞。的碰撞。 注入離子在靶內(nèi)的分布理注入離子在靶內(nèi)的分布理論，簡稱論，簡稱LSSLSS理論理論。LSSLSS理論認(rèn)理論認(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失方式有兩種：失方式有兩種：兩者質(zhì)量相差大，碰撞后注入兩者質(zhì)量相差大，碰撞后注入離子的能量損失很小，散射角離子的能量損失很小，散射角度也小，即每次碰撞都不會顯度也小，即每次碰撞都不會顯著地改變注入離子的動量，又著地改變注入離子的動量，又由于散射方向是隨機的，雖然由于散射方向是隨機的，雖然經(jīng)過多次散射，注入離子運動經(jīng)過多次散射，注入離子運動方向基本不變。方向基本不變。質(zhì)量為同一數(shù)量級，故碰撞后注質(zhì)量為同一數(shù)量級，故碰撞

8、后注入離子會發(fā)生大角度的散射，失入離子會發(fā)生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞去一定的能量。靶原子也因碰撞而獲得能量，如果獲得的能量大而獲得能量，如果獲得的能量大于原子束縛能，就會離開原來所于原子束縛能，就會離開原來所在晶格位置，進(jìn)入晶格間隙，并在晶格位置，進(jìn)入晶格間隙，并留下一個空位，形成缺陷。留下一個空位，形成缺陷。nndxdEES)()()(ESESdxdEen)()()()(ESESdEESESdERenEooenoEo電子阻止本領(lǐng)：電子阻止本領(lǐng)： 在單位距離上，由于核碰撞和電子碰撞，注入離子所在單位距離上，由于核碰撞和電子碰撞，注入離子所損失的能量則為損失的能量則為：注入離

9、子在靶內(nèi)運動的總路程：注入離子在靶內(nèi)運動的總路程：eedxdEES)(核阻止本領(lǐng)：核阻止本領(lǐng)：可以理解為能量為可以理解為能量為E E的一個注入離子，在單位的一個注入離子，在單位密度靶內(nèi)運動單位長度時，損失給靶原子核的能量。密度靶內(nèi)運動單位長度時，損失給靶原子核的能量。E E0 0為注入離子的起始能量。為注入離子的起始能量。選用托馬斯選用托馬斯- -費米函數(shù)時，核阻止與粒子能量的關(guān)系如下費米函數(shù)時，核阻止與粒子能量的關(guān)系如下圖：圖： 圖中，圖中，低能量低能量時核阻止本領(lǐng)隨注入離子能量增加時核阻止本領(lǐng)隨注入離子能量增加線性線性增加增加；在；在高能量高能量時，因快速運動的離子沒有足夠的時間與時，因快

10、速運動的離子沒有足夠的時間與靶原子進(jìn)行有效的能量交換，所以靶原子進(jìn)行有效的能量交換，所以核阻止本領(lǐng)變小核阻止本領(lǐng)變小。2/1)()(EkCVESee 式中，式中，V V為注入離子速度，系數(shù)為注入離子速度，系數(shù)K Ke e與注入離子和靶的原子與注入離子和靶的原子序數(shù)、質(zhì)量有微弱關(guān)系，粗略估計下，可近似為常數(shù)。序數(shù)、質(zhì)量有微弱關(guān)系，粗略估計下，可近似為常數(shù)。 電子阻止本領(lǐng)同注入離子的速度成正比，即與注入離子電子阻止本領(lǐng)同注入離子的速度成正比，即與注入離子能量的平方根成正比：能量的平方根成正比： 將電子看為自由電子氣，電子的阻止類似于粘滯氣體的將電子看為自由電子氣，電子的阻止類似于粘滯氣體的阻力。阻

11、力。低能區(qū)中能區(qū)高能區(qū)一級近似下，核阻止本領(lǐng)與入射離子的能量無關(guān)。一級近似下，核阻止本領(lǐng)與入射離子的能量無關(guān)。 注入離子在靶內(nèi)分布是與注入方向有著一定的關(guān)系，注入離子在靶內(nèi)分布是與注入方向有著一定的關(guān)系，一般來說，粒子束的注入方向與靶垂直方向的夾角比較小。一般來說，粒子束的注入方向與靶垂直方向的夾角比較小。 注入離子在靶內(nèi)受到的碰撞是隨機過程。如果注入的注入離子在靶內(nèi)受到的碰撞是隨機過程。如果注入的離子數(shù)量很小，它們在靶內(nèi)的分布是分散的，但是大量注離子數(shù)量很小，它們在靶內(nèi)的分布是分散的，但是大量注入離子在靶內(nèi)的分布是按一定統(tǒng)計規(guī)律分布。入離子在靶內(nèi)的分布是按一定統(tǒng)計規(guī)律分布。u縱向分布縱向分布

12、 注入離子在靶內(nèi)的射程和離散的注入離子在靶內(nèi)的射程和離散的微分方程由微分方程由LSSLSS建立。在一級近似下建立。在一級近似下用高斯函數(shù)表示為：用高斯函數(shù)表示為：2max1( )exp() 2ppxRn xNRn(x)距離靶表面為距離靶表面為x處的離子濃度；處的離子濃度；Nmax峰值濃度；峰值濃度；Rp平均投影射程；平均投影射程；RpRp的標(biāo)準(zhǔn)偏差。的標(biāo)準(zhǔn)偏差。211pbMRRM u縱向分布縱向分布R Rp p和和R R之間的關(guān)系一般可表示為：之間的關(guān)系一般可表示為：式中，式中，b b是是E E和和R R的緩慢變化函數(shù)，的緩慢變化函數(shù)，M M1 1和和M M2 2分別是注入離子和靶原子的分別是

13、注入離子和靶原子的質(zhì)量。質(zhì)量。在核阻止占優(yōu)勢的能量范圍內(nèi)，在核阻止占優(yōu)勢的能量范圍內(nèi)，當(dāng)當(dāng)M M1 1MM2 2時，經(jīng)驗規(guī)律為：時，經(jīng)驗規(guī)律為：2113pMRRM 121223ppM MRRMMu縱向分布縱向分布RRp p是表征注入離子分布分散情況的是表征注入離子分布分散情況的一個量，稱為一個量，稱為標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差，即為投影射，即為投影射程對平均值程對平均值RpRp偏離的均方根：偏離的均方根：通過靶表面單位面積注入的離子總通過靶表面單位面積注入的離子總數(shù)（劑量）數(shù)（劑量）N NS S為：為：maxmax( )20.42spsspppNn x dxNRNNn xRNRR總劑量決定了峰值的濃度總

14、劑量決定了峰值的濃度2max1( )exp() 2ppxRn xNR縱向理論分布縱向理論分布)(21exp2)(2pppRRxRNsxn 實際上，高斯分布只在峰值附近與實際分布符合較好。實際上，高斯分布只在峰值附近與實際分布符合較好。這是因為高斯分布是在隨機注入條件下得到的粗略結(jié)果，那這是因為高斯分布是在隨機注入條件下得到的粗略結(jié)果，那些碰撞次數(shù)小于平均值的離子，可能停留在比些碰撞次數(shù)小于平均值的離子，可能停留在比RpRp更遠(yuǎn)處；而更遠(yuǎn)處；而碰撞次數(shù)大于平均值的離子可能停留在表面與碰撞次數(shù)大于平均值的離子可能停留在表面與RpRp之間。之間。n輕離子入射時，受到大角度的散射，輕離子入射時，受到大

15、角度的散射，分布在峰值位置與表面一側(cè)的離子數(shù)分布在峰值位置與表面一側(cè)的離子數(shù)量大于峰值位置的另一側(cè)，例如量大于峰值位置的另一側(cè)，例如B B離子離子注入硅靶中注入硅靶中,B,B與與SiSi原子相撞原子相撞, ,被反向散被反向散射的射的B B離子數(shù)量增多。離子數(shù)量增多。n重離子入射時，將引起在比峰值位置重離子入射時，將引起在比峰值位置更遠(yuǎn)一側(cè)有更多的離子分布，如更遠(yuǎn)一側(cè)有更多的離子分布，如AsAs離離子注入硅靶中。子注入硅靶中。實際注入時還有更多影響因素。實際注入時還有更多影響因素。u橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) 橫向效應(yīng)是指注入離子在垂橫向效應(yīng)是指注入離子在垂直入射方向的平面內(nèi)的分布情況。直入射方向的平面內(nèi)

16、的分布情況。 橫向效應(yīng)與注入離子有關(guān)，橫向效應(yīng)與注入離子有關(guān)，與入射離子的能量有關(guān)。與入射離子的能量有關(guān)。 離子注入的離子注入的橫向效應(yīng)比熱擴(kuò)橫向效應(yīng)比熱擴(kuò)散要小很多。散要小很多。u溝道效應(yīng)的定義溝道效應(yīng)的定義 當(dāng)離子注入的方向與靶晶體的某個晶向平行時，一些離當(dāng)離子注入的方向與靶晶體的某個晶向平行時，一些離子將沿溝道運動，受到的核阻止和電子阻止作用很小，注入子將沿溝道運動，受到的核阻止和電子阻止作用很小，注入離子的能量損失率就很低，故注入深度較大，此稱為離子的能量損失率就很低，故注入深度較大，此稱為溝道效溝道效應(yīng)。應(yīng)。u產(chǎn)生溝道效應(yīng)的原因產(chǎn)生溝道效應(yīng)的原因 當(dāng)離子注入的方向當(dāng)離子注入的方向=

17、=溝道方向時溝道方向時, ,離子因為沒有碰到晶格離子因為沒有碰到晶格而長驅(qū)直入，故注入深度較大。而長驅(qū)直入，故注入深度較大。u溝道效應(yīng)產(chǎn)生的影響溝道效應(yīng)產(chǎn)生的影響在不應(yīng)該存在雜質(zhì)的深度發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)。在不應(yīng)該存在雜質(zhì)的深度發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)。離子注入的通道效應(yīng)離子注入的通道效應(yīng)1 1. .傾斜樣品表面，晶體的主軸方向偏離注入方向，典型值為傾斜樣品表面，晶體的主軸方向偏離注入方向，典型值為7 7；2.2.先重轟擊晶格表面，形成無定型層；先重轟擊晶格表面，形成無定型層；3.3.表面長二氧化硅、氮化硅、氧化鋁無定型薄層。表面長二氧化硅、氮化硅、氧化鋁無定型薄層。 即使晶體某個晶向平行于離子注入方向即使晶體某個晶向平

18、行于離子注入方向, ,但注入離子進(jìn)入晶但注入離子進(jìn)入晶體前體前, ,在無定形的介質(zhì)膜中多次碰撞后已經(jīng)偏離了入射方向在無定形的介質(zhì)膜中多次碰撞后已經(jīng)偏離了入射方向, ,偏偏離了晶向。離了晶向。 在無定形靶運動的離子由于碰撞方向不斷改變，因而也會有在無定形靶運動的離子由于碰撞方向不斷改變，因而也會有部分離子進(jìn)入溝道，但在溝道運動過程中又有可能脫離溝道，部分離子進(jìn)入溝道，但在溝道運動過程中又有可能脫離溝道，故對注入離子峰值附近的分布并不會產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。故對注入離子峰值附近的分布并不會產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。u解決溝道效應(yīng)的方法解決溝道效應(yīng)的方法解決溝道效應(yīng)的方法解決溝道效應(yīng)的方法形成淺結(jié)的困難是多方面

19、的，目前采用的方法主要有形成淺結(jié)的困難是多方面的，目前采用的方法主要有：u采用分子注入法采用分子注入法u降低注入離子的能量降低注入離子的能量 硼質(zhì)量較輕，投影射程深，故采用硼質(zhì)量較輕，投影射程深，故采用BFBF2 2分子注入法，進(jìn)分子注入法，進(jìn)入靶內(nèi)因碰撞而發(fā)生分解，釋放原子硼。但此方法因氟的入靶內(nèi)因碰撞而發(fā)生分解，釋放原子硼。但此方法因氟的電活性形成缺陷群電活性形成缺陷群, B, B的擴(kuò)散系數(shù)高以及硼被偏轉(zhuǎn)入主晶軸的擴(kuò)散系數(shù)高以及硼被偏轉(zhuǎn)入主晶軸方向的幾率大等缺點，現(xiàn)采用此法正逐步減少。方向的幾率大等缺點，現(xiàn)采用此法正逐步減少。 此方法的缺點是，低能下溝道效應(yīng)比較明顯，且離子的此方法的缺點是

20、，低能下溝道效應(yīng)比較明顯，且離子的穩(wěn)定向較差，原因為帶電離子的相互排斥（空間電荷效應(yīng)）。穩(wěn)定向較差，原因為帶電離子的相互排斥（空間電荷效應(yīng)）?？梢酝ㄟ^降低束流密度或縮短路徑長度來降低空間電荷效應(yīng)?？梢酝ㄟ^降低束流密度或縮短路徑長度來降低空間電荷效應(yīng)。u預(yù)先非晶化預(yù)先非晶化 預(yù)先非晶化是實現(xiàn)預(yù)先非晶化是實現(xiàn)P+P+結(jié)的比較理想方法。如在注結(jié)的比較理想方法。如在注B B之前，先用重離子高劑量注入，使硅表面變?yōu)榉蔷У闹?，先用重離子高劑量注入，使硅表面變?yōu)榉蔷У谋砻鎸?。這種方法可以使溝道效應(yīng)減小到最小，與重表面層。這種方法可以使溝道效應(yīng)減小到最小，與重?fù)p傷注入層相比，完全非晶化層在退火后有更好的晶損

21、傷注入層相比，完全非晶化層在退火后有更好的晶體質(zhì)量；體質(zhì)量； 預(yù)先非晶化的預(yù)先非晶化的p-np-n結(jié)的漏電流和最終的結(jié)深是與退結(jié)的漏電流和最終的結(jié)深是與退火后剩余缺陷數(shù)量以及結(jié)的位置有關(guān)。預(yù)先非晶化之火后剩余缺陷數(shù)量以及結(jié)的位置有關(guān)。預(yù)先非晶化之后再通過固相外延再結(jié)晶，會在非晶區(qū)與結(jié)晶區(qū)的界后再通過固相外延再結(jié)晶，會在非晶區(qū)與結(jié)晶區(qū)的界面形成高密度的位錯環(huán)，若界面缺陷區(qū)在結(jié)的附近，面形成高密度的位錯環(huán)，若界面缺陷區(qū)在結(jié)的附近，那么漏電流和雜質(zhì)的擴(kuò)散都會增加。那么漏電流和雜質(zhì)的擴(kuò)散都會增加。 離子注入技術(shù)的最大優(yōu)點，就是可以離子注入技術(shù)的最大優(yōu)點，就是可以精確地控制摻雜精確地控制摻雜雜質(zhì)的數(shù)量及

22、深度雜質(zhì)的數(shù)量及深度。但在離子注入過程中，。但在離子注入過程中，襯底的晶體結(jié)襯底的晶體結(jié)構(gòu)受到損傷構(gòu)受到損傷是不可避免的。是不可避免的。 在碰撞過程中，靶原子可能離開晶格位置進(jìn)入間隙，在碰撞過程中，靶原子可能離開晶格位置進(jìn)入間隙，成為間隙原子并留下一空位，形成成為間隙原子并留下一空位，形成間隙間隙- -空位缺陷對空位缺陷對。間隙。間隙原子只要具有足夠的能量，在運動過程中將繼續(xù)與其他靶原子只要具有足夠的能量，在運動過程中將繼續(xù)與其他靶原子碰撞，使得原子碰撞，使得在入射離子運動軌跡的周圍產(chǎn)生大量的缺在入射離子運動軌跡的周圍產(chǎn)生大量的缺陷陷，晶格受到損傷。，晶格受到損傷。 u移位原子移位原子因碰撞而

23、離開晶格位置的原子稱為因碰撞而離開晶格位置的原子稱為移位原子移位原子。u能量淀積過程能量淀積過程 注入離子通過碰撞把能量傳遞給靶原子核及其電子注入離子通過碰撞把能量傳遞給靶原子核及其電子的過程，稱為的過程，稱為能量淀積過程能量淀積過程。一般來說，能量淀積可以。一般來說，能量淀積可以通過通過彈性碰撞彈性碰撞和和非彈性碰撞非彈性碰撞兩種形式進(jìn)行。彈性碰撞能兩種形式進(jìn)行。彈性碰撞能量是守恒的，非彈性碰撞將一部分動能轉(zhuǎn)化為其他形式量是守恒的，非彈性碰撞將一部分動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。的能。 當(dāng)注入離子的當(dāng)注入離子的能量較高能量較高時，時，非彈性碰撞淀積過程起非彈性碰撞淀積過程起主要作用主要作用；離子的

24、；離子的能量較低能量較低時，時，彈性碰撞占主要地位彈性碰撞占主要地位。在集成電路制造中，彈性碰撞占主要地位。在集成電路制造中，彈性碰撞占主要地位。u移位閥能移位閥能u注入離子與靶內(nèi)原子碰撞的注入離子與靶內(nèi)原子碰撞的3 3種可能種可能 使一個處于晶格位置的原子發(fā)生移位所需要的最小能使一個處于晶格位置的原子發(fā)生移位所需要的最小能量稱為移位閥能，用量稱為移位閥能，用E Ed d表示。表示。1.1.碰撞過程中傳遞的能量小于碰撞過程中傳遞的能量小于E Ed d, ,被碰原子在平衡位置振動被碰原子在平衡位置振動, ,將獲得的能量以振動能形式傳遞給近鄰原子將獲得的能量以振動能形式傳遞給近鄰原子, ,表現(xiàn)為宏

25、觀熱表現(xiàn)為宏觀熱能；能；2.2.碰撞過程中傳遞的能量在碰撞過程中傳遞的能量在E Ed d和和2E2Ed d間間, ,被碰原子成為移位原被碰原子成為移位原子，并留下一個空位子，并留下一個空位, ,但它不可能使與它碰撞原子移位；但它不可能使與它碰撞原子移位；3.3.被碰原子本身移位后被碰原子本身移位后, ,還具有很高的能量，在它運動過程還具有很高的能量，在它運動過程中，還可以使與它碰撞的原子發(fā)生移位。中，還可以使與它碰撞的原子發(fā)生移位。 移位原子移位原子也稱為也稱為反沖原子反沖原子, ,與入射離子碰撞而發(fā)生移位與入射離子碰撞而發(fā)生移位的原子的原子, ,稱為第一級反沖原子。與第一級反沖原子碰撞而移稱

26、為第一級反沖原子。與第一級反沖原子碰撞而移位的原子位的原子, ,稱為第二級反沖原子稱為第二級反沖原子,這種不斷碰撞的現(xiàn)象稱這種不斷碰撞的現(xiàn)象稱為為“級聯(lián)碰撞級聯(lián)碰撞”。u級聯(lián)碰撞級聯(lián)碰撞u注入離子在硅襯底中產(chǎn)生的注入離子在硅襯底中產(chǎn)生的3 3類損傷類損傷1.1.在原來硅晶體中產(chǎn)生孤立的點缺陷或缺陷群；在原來硅晶體中產(chǎn)生孤立的點缺陷或缺陷群；2.2.在晶體中形成局部的非晶區(qū)域在晶體中形成局部的非晶區(qū)域； 3.3.由于注入離子的損傷的積累形成非晶層。由于注入離子的損傷的積累形成非晶層。簡單簡單晶格晶格損傷損傷非晶層非晶層的形成的形成退火方退火方式相同式相同退火方退火方式不同式不同單位體積內(nèi)的移位原

27、子數(shù)目接近半導(dǎo)體的原子密度時，此區(qū)域稱為非晶區(qū)域。局部的非晶區(qū)域相互重疊形成非晶層u注入輕離子注入輕離子 在初始階段，能量損失主在初始階段，能量損失主要是由電子阻止引起的，不產(chǎn)要是由電子阻止引起的，不產(chǎn)生移位原子。注入離子能量損生移位原子。注入離子能量損失到到一定程度后，核阻止將失到到一定程度后，核阻止將起主要作用，晶格損傷主要產(chǎn)起主要作用，晶格損傷主要產(chǎn)生于此。生于此。u注入重離子注入重離子 對于重離子，主要是通過對于重離子，主要是通過核碰撞損失能量。核碰撞損失能量。 Cross sectional TEM images of amorphous layer formation with i

28、ncreasing implant dose (300keV Si -Si)非晶的形成非晶的形成 形成非晶區(qū)與注入離子的劑量有關(guān)，注入離子的劑量形成非晶區(qū)與注入離子的劑量有關(guān)，注入離子的劑量越高，產(chǎn)生移位原子數(shù)目也就越多，損傷也就越嚴(yán)重，就越高，產(chǎn)生移位原子數(shù)目也就越多，損傷也就越嚴(yán)重，就更容易形成非晶區(qū)。更容易形成非晶區(qū)。晶體非晶區(qū)非晶的形成非晶的形成 形成非晶區(qū)不但與注入離子的劑量有關(guān)，還有形成非晶區(qū)不但與注入離子的劑量有關(guān)，還有注入離注入離子的能量、質(zhì)量有關(guān)子的能量、質(zhì)量有關(guān)，同時也與，同時也與靶溫、晶向靶溫、晶向等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。 在其他條件相同的情況下，在其他條件相同的情況下，

29、靶溫越高，損傷情況越靶溫越高，損傷情況越輕輕，這主要是因為在離子注入同時，存在一個，這主要是因為在離子注入同時，存在一個自退火自退火的的過程。溫度高時，間隙原子振動大，也就越容易與空位過程。溫度高時，間隙原子振動大，也就越容易與空位復(fù)合，從而消除缺陷。復(fù)合，從而消除缺陷。 形成非晶區(qū)形成非晶區(qū)與靶晶體的取向與靶晶體的取向也有著重要的關(guān)系，注也有著重要的關(guān)系，注入離子是沿著靶材料的某一晶向入射還是隨機入射，對入離子是沿著靶材料的某一晶向入射還是隨機入射，對形成非晶區(qū)所需臨界劑量是不相同的，實驗證明，在一形成非晶區(qū)所需臨界劑量是不相同的，實驗證明，在一定條件下，定條件下，沿某一晶向入射時形成非晶區(qū)

30、所需的臨界劑沿某一晶向入射時形成非晶區(qū)所需的臨界劑量高于隨機入射量高于隨機入射。 注入離子所造成的晶格損傷，對材料的電學(xué)性質(zhì)將注入離子所造成的晶格損傷，對材料的電學(xué)性質(zhì)將產(chǎn)生重要的影響。例如，由于散射中心的增加，產(chǎn)生重要的影響。例如，由于散射中心的增加，使載流使載流子遷移率下降子遷移率下降；缺陷中心的增加，；缺陷中心的增加，會使非平衡少數(shù)載流會使非平衡少數(shù)載流子的壽命減少，子的壽命減少，p-np-n結(jié)的漏電流增大結(jié)的漏電流增大。 離子注入被射入的雜質(zhì)離子大多數(shù)離子注入被射入的雜質(zhì)離子大多數(shù)處于晶格間隙位處于晶格間隙位置，起不到施主和受主的作用。置，起不到施主和受主的作用。 所以，采用離子注入技

31、術(shù)進(jìn)行摻雜的硅片，必須所以，采用離子注入技術(shù)進(jìn)行摻雜的硅片，必須消消除晶格損傷，并使注入的雜質(zhì)轉(zhuǎn)入替位位置以實現(xiàn)電激除晶格損傷，并使注入的雜質(zhì)轉(zhuǎn)入替位位置以實現(xiàn)電激活活。u定義定義 如果將注有離子的硅片在一定溫度下，經(jīng)過適當(dāng)時如果將注有離子的硅片在一定溫度下，經(jīng)過適當(dāng)時間的熱處理，則硅片中的損傷就可能部分或絕大部分得間的熱處理，則硅片中的損傷就可能部分或絕大部分得到消除，少數(shù)載流子的壽命及遷移率也會不同程度的得到消除，少數(shù)載流子的壽命及遷移率也會不同程度的得到恢復(fù)，摻入的雜質(zhì)也將得到一定比例的電激活，這樣到恢復(fù)，摻入的雜質(zhì)也將得到一定比例的電激活，這樣的處理過程稱為的處理過程稱為熱退火熱退火。

32、 退火也叫熱處理退火也叫熱處理，集成電路工藝中所有的在氮氣等，集成電路工藝中所有的在氮氣等不活潑氣氛中進(jìn)行的不活潑氣氛中進(jìn)行的熱處理過程都可以稱為退火熱處理過程都可以稱為退火。u熱退火的作用熱退火的作用（1 1）消除晶格損傷）消除晶格損傷 高溫下，原子的振動能增大，因而移動能力加強，高溫下，原子的振動能增大，因而移動能力加強，可使復(fù)雜的損傷分解為點缺陷或其他形式的簡單缺陷，可使復(fù)雜的損傷分解為點缺陷或其他形式的簡單缺陷，簡單缺陷在高溫下可以較高的遷移率移動，復(fù)合后缺陷簡單缺陷在高溫下可以較高的遷移率移動，復(fù)合后缺陷消失。消失。（2 2）激活雜質(zhì)）激活雜質(zhì) 使不在晶格位置上的離子運動到晶格位置，

33、以便使不在晶格位置上的離子運動到晶格位置，以便具有電活性，產(chǎn)生自由載流子，起到激活雜質(zhì)的作用。具有電活性，產(chǎn)生自由載流子，起到激活雜質(zhì)的作用。u對于非晶區(qū)域損傷恢復(fù)首先發(fā)生在損傷區(qū)與結(jié)晶區(qū)的交界面。對于非晶區(qū)域損傷恢復(fù)首先發(fā)生在損傷區(qū)與結(jié)晶區(qū)的交界面。u退火的溫度和時間，退火方式等根據(jù)實際的損傷情況來確定。退火的溫度和時間，退火方式等根據(jù)實際的損傷情況來確定。u低劑量造成的損傷，一般在較低溫度下退火就可以消除。低劑量造成的損傷，一般在較低溫度下退火就可以消除。u載流子激活所需要的溫度比起壽命和遷移率恢復(fù)所需要的載流子激活所需要的溫度比起壽命和遷移率恢復(fù)所需要的溫度低，因為硅原子進(jìn)入晶格速度比雜

34、質(zhì)原子慢。溫度低，因為硅原子進(jìn)入晶格速度比雜質(zhì)原子慢。u500 500 以下，無規(guī)則分布的點缺陷，例如間隙原子、空位以下，無規(guī)則分布的點缺陷，例如間隙原子、空位等，隨退火溫度上升，移動能力增強，因此間隙硼和硅原等，隨退火溫度上升，移動能力增強，因此間隙硼和硅原子與空位的復(fù)合幾率增加，使點缺陷消失，替位硼的濃度子與空位的復(fù)合幾率增加，使點缺陷消失，替位硼的濃度上升，電激活比例增大，提高了自由載流子濃度。上升，電激活比例增大，提高了自由載流子濃度。u500600 500600 范圍內(nèi)，點缺陷通過重新組合或結(jié)團(tuán)，形成較范圍內(nèi)，點缺陷通過重新組合或結(jié)團(tuán)，形成較大尺寸的缺陷團(tuán)，降低其能量。因硼原子非常小

35、并和缺陷大尺寸的缺陷團(tuán)，降低其能量。因硼原子非常小并和缺陷團(tuán)有很強的作用，很容易遷移或被結(jié)合到缺陷團(tuán)中，處于團(tuán)有很強的作用，很容易遷移或被結(jié)合到缺陷團(tuán)中，處于非激活位置，因而會出現(xiàn)隨溫度的升高而替位硼的濃度下非激活位置，因而會出現(xiàn)隨溫度的升高而替位硼的濃度下降的現(xiàn)象，也就是自由載流子濃度隨溫度上升而下降的現(xiàn)降的現(xiàn)象，也就是自由載流子濃度隨溫度上升而下降的現(xiàn)象。象。u600 600 以上，硼的替位濃度以接近于以上，硼的替位濃度以接近于5eV5eV的激活能隨溫度的激活能隨溫度上升而增加，上升而增加，u圖中虛線表示損傷區(qū)還沒有變?yōu)榉蔷訒r的退火性質(zhì)，實線表示非晶層的退火性質(zhì)。u對于不是非晶層的損傷區(qū)

36、，注入劑量提高時，退火溫度必須相應(yīng)提高。u對于非晶層，其退火溫度基本固定在600度附近。u現(xiàn)象現(xiàn)象 高斯分布的雜質(zhì)在熱退火過程中會使其分布展寬，偏高斯分布的雜質(zhì)在熱退火過程中會使其分布展寬，偏離注入時的分布，尤其是尾部，出現(xiàn)了較長的按指數(shù)衰減離注入時的分布，尤其是尾部，出現(xiàn)了較長的按指數(shù)衰減的拖尾。的拖尾。u產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因 退火溫度同熱擴(kuò)散溫度相比很低，在較低的溫度下，退火溫度同熱擴(kuò)散溫度相比很低，在較低的溫度下，對完美晶體中的雜質(zhì)來說，擴(kuò)散系數(shù)是很小的，但注入?yún)^(qū)對完美晶體中的雜質(zhì)來說，擴(kuò)散系數(shù)是很小的，但注入?yún)^(qū)中的晶格因離子注入時造成的損傷，使硅內(nèi)空位數(shù)量比完中的晶格因離子注入時造成的

37、損傷，使硅內(nèi)空位數(shù)量比完美晶體中的要大得多，且存在大量的間隙原子和其他各種美晶體中的要大得多，且存在大量的間隙原子和其他各種缺陷，故雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)增大，擴(kuò)散效應(yīng)增強。缺陷，故雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)增大，擴(kuò)散效應(yīng)增強。u常規(guī)退火方法的缺點常規(guī)退火方法的缺點 常規(guī)的退火方法常規(guī)的退火方法不能完全消除缺陷不能完全消除缺陷，且又會，且又會產(chǎn)生二產(chǎn)生二次缺陷次缺陷，高劑量注入時的，高劑量注入時的電激活率也不夠高電激活率也不夠高，要想完全，要想完全激活某些雜質(zhì)所需要的退火溫度至少要達(dá)到激活某些雜質(zhì)所需要的退火溫度至少要達(dá)到10001000。 同時，在退火過程中，整個晶片都要經(jīng)受一次高溫同時，在退火過程中，整個晶片

38、都要經(jīng)受一次高溫處理，處理，增加了表面污染增加了表面污染，特別是高溫長時間的退火會導(dǎo)，特別是高溫長時間的退火會導(dǎo)致明顯的致明顯的雜質(zhì)再分布雜質(zhì)再分布，破壞了離子注入的優(yōu)點，過大的，破壞了離子注入的優(yōu)點，過大的溫度梯度也可能造成硅片的溫度梯度也可能造成硅片的翹曲變形翹曲變形，這些都限制了常，這些都限制了常規(guī)的退火方法在規(guī)的退火方法在ULSIULSI中的應(yīng)用。中的應(yīng)用。u快速熱退火快速熱退火-Raptid Thermal Processing(Anneal) (RTP或RTA) 在氮氣或惰性氣體的氣氛下，極短的時間內(nèi)，把晶片溫度在氮氣或惰性氣體的氣氛下，極短的時間內(nèi)，把晶片溫度加熱到所需的溫度，并

39、在較短的時間內(nèi)完成退火。加熱到所需的溫度，并在較短的時間內(nèi)完成退火。u作用作用消除由注入所產(chǎn)生的晶格損傷；消除由注入所產(chǎn)生的晶格損傷；恢復(fù)材料少子壽命和載流子遷移率；恢復(fù)材料少子壽命和載流子遷移率； 雜質(zhì)激活。雜質(zhì)激活。u目的目的通過降低退火溫度，或者縮短退火時間完成退火。通過降低退火溫度，或者縮短退火時間完成退火。u方法方法 快速退火技術(shù)目前有脈沖激光、脈沖電子束與離子束、連續(xù)快速退火技術(shù)目前有脈沖激光、脈沖電子束與離子束、連續(xù)波激光以及非相干寬帶光源等。波激光以及非相干寬帶光源等。l若激光輻射區(qū)域仍為固相，非晶區(qū)是通過固相外延再生長過程變?yōu)榫w若激光輻射區(qū)域仍為固相，非晶區(qū)是通過固相外延再

40、生長過程變?yōu)榫w結(jié)構(gòu)，稱為固相外延模型；液相則為液相外延。液相外延的退火效果比結(jié)構(gòu)，稱為固相外延模型；液相則為液相外延。液相外延的退火效果比固相的好，但因注入?yún)^(qū)變?yōu)橐合?，雜質(zhì)擴(kuò)散情況更嚴(yán)重。固相的好，但因注入?yún)^(qū)變?yōu)橐合啵s質(zhì)擴(kuò)散情況更嚴(yán)重。l激光退火的特點時間短，雜質(zhì)幾乎不擴(kuò)散，襯底中及其他電學(xué)參數(shù)基本激光退火的特點時間短，雜質(zhì)幾乎不擴(kuò)散，襯底中及其他電學(xué)參數(shù)基本不受影響?？蛇x擇局部退火，通過選擇波長和改變能量密度，可在深度不受影響?？蛇x擇局部退火，通過選擇波長和改變能量密度，可在深度上和表面上進(jìn)行不同的退火過程，在同一硅片上制造出不同結(jié)深或不同上和表面上進(jìn)行不同的退火過程，在同一硅片上制造出

41、不同結(jié)深或不同擊穿電壓的器件。較好的消除缺陷，使注入雜質(zhì)的電激活率很高。擊穿電壓的器件。較好的消除缺陷，使注入雜質(zhì)的電激活率很高。u定義定義 利用高能量密度的激光束輻射退火材料表面，從而引起被利用高能量密度的激光束輻射退火材料表面，從而引起被照區(qū)域的溫度突然升高，達(dá)到退火效果。照區(qū)域的溫度突然升高，達(dá)到退火效果。u特點特點u電子束退火電子束退火 退火機理同激光退火一樣。優(yōu)點是在較短的時間內(nèi)升退火機理同激光退火一樣。優(yōu)點是在較短的時間內(nèi)升到較高的溫度，束斑均勻性較激光好，能量轉(zhuǎn)換率高，但到較高的溫度，束斑均勻性較激光好，能量轉(zhuǎn)換率高，但在氧化層中產(chǎn)生中性缺陷。在氧化層中產(chǎn)生中性缺陷。u非相干寬帶

42、頻光源非相干寬帶頻光源 設(shè)備簡單，生產(chǎn)效率高，沒有光干涉效應(yīng)，又能保持快設(shè)備簡單，生產(chǎn)效率高，沒有光干涉效應(yīng)，又能保持快速退火技術(shù)的所有優(yōu)點。速退火技術(shù)的所有優(yōu)點。Isothermal RTA SystemTungsten-halogen (鎢鎢-鹵素）鹵素）lamps heating the wafer from one or both side.Furnace RTA System A thermal gradient is established by adjusting the power supplied to different zones of the bell jar, wit

43、h the hottest zone on top, and the sample is moved into and out of the heated zone to achieve RTA.幾種快速退火技術(shù)的比較脈沖脈沖激光激光連續(xù)波連續(xù)波激光激光電子束電子束寬帶非相干光寬帶非相干光退火退火機理機理固固- -液液外延外延固固- -固固外延外延固固- -液液外延外延退火退火效果效果極 大 的極 大 的激 活 雜激 活 雜質(zhì) 與 消質(zhì) 與 消除缺陷，除缺陷，引 起 明引 起 明顯 雜 質(zhì)顯 雜 質(zhì)再分布。再分布。雜 質(zhì) 無 明雜 質(zhì) 無 明顯再分布，顯再分布，退 火 均 勻退 火 均 勻性

44、差 ， 生性 差 ， 生產(chǎn)率低。產(chǎn)率低。極大的激活雜極大的激活雜質(zhì)與消除缺陷。質(zhì)與消除缺陷。引起明顯雜質(zhì)引起明顯雜質(zhì)再分布再分布, ,在在SiOSiO2 2中產(chǎn)生缺陷中產(chǎn)生缺陷, ,束束斑均勻性好斑均勻性好, ,生生產(chǎn)率不高。產(chǎn)率不高。雜質(zhì)激活率高雜質(zhì)激活率高, ,無明顯雜質(zhì)再無明顯雜質(zhì)再分布。分布。1. 1. 離子注入摻雜純度高，是因為（離子注入摻雜純度高，是因為（ ） A.A.雜質(zhì)源的純度高雜質(zhì)源的純度高 B.B.注入離子是通過質(zhì)量分析器選出來的注入離子是通過質(zhì)量分析器選出來的2. 2. 離子注入與熱擴(kuò)散相比，哪個要求溫度低（離子注入與熱擴(kuò)散相比，哪個要求溫度低（ ） A.A.離子注入離子

45、注入 B.B.熱擴(kuò)散熱擴(kuò)散3. 3. 離子注入與熱擴(kuò)散相比，哪個高濃度摻雜不受固溶度限制（離子注入與熱擴(kuò)散相比，哪個高濃度摻雜不受固溶度限制（ ） A.A.離子注入離子注入 B.B.熱擴(kuò)散熱擴(kuò)散5. 5. 離子注入與熱擴(kuò)散相比，哪個摻雜均勻性好（離子注入與熱擴(kuò)散相比，哪個摻雜均勻性好（ ） A.A.離子注入離子注入 B.B.熱擴(kuò)散熱擴(kuò)散6. 6. 離子注入與熱擴(kuò)散相比，哪個可精確控制摻雜濃度，分布離子注入與熱擴(kuò)散相比，哪個可精確控制摻雜濃度，分布和注入深度（和注入深度（ ） A.A.離子注入離子注入 B.B.熱擴(kuò)散熱擴(kuò)散7. 7. 離子注入與熱擴(kuò)散相比，哪個橫向效應(yīng)?。x子注入與熱擴(kuò)散相比，哪個橫向效應(yīng)小（ ） A.A.離子注入離子注入 B.B.熱擴(kuò)散熱擴(kuò)散8. 8. 減弱或消除溝道現(xiàn)象的措施有（減弱或消除溝道現(xiàn)象的措施有（ ） (1)(1)入射方向偏離溝道軸向；入射方向偏離溝道軸向； (2)(2)入射方向平行溝道軸向；入射方向平行溝道軸向； (3