VLSI-11第十一講離子注入(下)

1、集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)1大綱大綱 第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶體生長晶體生長第第三章三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 熱氧化熱氧化第六章第六章 熱擴散熱擴散第七章第七章 離子注入離子注入第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積第九章第九章 刻蝕刻蝕第十章第十章 后端工藝與集成后端工藝與集成第十一章第十一章 未來趨勢與挑戰(zhàn)未來趨勢與挑戰(zhàn)集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)2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？

2、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？離子注入的主要特點？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。能量損失為兩個彼非晶靶。能量損失為兩個彼此獨立的過程此獨立的過程(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* 221exppppRRxCxCpPRQ

3、C4 . 0集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)3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集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)4表面處晶格表面處晶格損傷較小損傷較小射程終點（射程終點（EOR）處晶格損傷大處晶格損傷大集成電路工藝原理INFO130024

4、.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)5EOR damageCourtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002).集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)6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空位間隙原子對及及其它類型晶格無序的分布。這種因為離子注入所引起的簡其它

5、類型晶格無序的分布。這種因為離子注入所引起的簡單或復(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集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)7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：使一個處于平衡位置的原子發(fā)生：使一個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. (對于硅原子對于硅原子, 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

6、程，稱為子的過程，稱為能量傳遞過程能量傳遞過程集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)8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，子的能量損失以核碰撞為主。同時，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

7、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)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，注入離子運動方向的變化大，產(chǎn)生注入離子運動方向的變化大，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。集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (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

8、，晶格損注入劑量越大，晶格損傷越嚴重。傷越嚴重。 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)集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)10損傷退火損傷退火 （Damage Annealing）q被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位置，對被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位置，對載流子的輸運沒有貢獻；而且也造成大量損傷。載流子的輸運沒有貢獻；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

9、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集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (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)進入電活性（讓雜質(zhì)進入電活性（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)再分布集成電路工藝原理INFO1300

10、24.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)12 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，時間最長可達數(shù)小時以上，時間最長可達數(shù)小時雜質(zhì)激活：退火溫度雜質(zhì)激活：退火溫度650900 oC，時間，時間1030分鐘分鐘 * 方法簡單方法簡單 * 不能全部消除缺陷不能全部消除缺陷 * 對高劑量注入激活率不夠高對高劑量注入激活率不夠高 * 雜質(zhì)再分布雜質(zhì)再分布集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入

11、原離子注入原理理 (下下)13。高功率激光束輻照高功率激光束輻照。電子束。電子束 。高強度的光照。高強度的光照 。其它輻射。其它輻射 RTP主要優(yōu)點是摻雜的再分布大大降低，主要優(yōu)點是摻雜的再分布大大降低，對制備淺結(jié)器件特別有利對制備淺結(jié)器件特別有利b）快速熱退火，）快速熱退火， Rapid Thermal Processing（RTP）集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)14集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)15離子注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

12、造集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)16二、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。多晶電阻集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)17三、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 Layer Formation for Gettering形成形

13、成SOI結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) Silicon-On-Insulator Using Oxygen or Hydrogen Implantation集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)18集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)19集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)20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，直至產(chǎn)生大量空位間隙對，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。恢復(fù)載流子遷移率和少子壽命?？焖贌嵬嘶穑瑹釘U散小，制作快速熱退火，熱擴散小，制作淺結(jié)。淺結(jié)。集成電路工藝原理INFO130024.01第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (下下)21離子注入小結(jié)：離子注入小結(jié)：(1) 注入離