離子注入和快速退火工藝

1、離子注入和快速退火工藝離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底硅的過(guò)程。注入能量介于IkeV到IMeV之間，注入深度平均可達(dá)10nm10um，離子劑量變動(dòng)圍從用于閾值電壓調(diào)整的1012/cm3到形成絕緣層的1018/cm3。相對(duì)于擴(kuò)散工藝，離子注入的主要好處在于能更準(zhǔn)確地控制雜質(zhì)摻雜、可重復(fù)性和較低的工藝溫度。高能的離子由于與襯底中電子和原子核的碰撞而失去能量，最后停在晶格某一深度。平均深度由于調(diào)整加速能量來(lái)控制。雜質(zhì)劑量可由注入時(shí)監(jiān)控離子電流來(lái)控制。主要副作用是離子碰撞引起的半導(dǎo)體晶格斷裂或損傷。因此，后續(xù)的退化處理用來(lái)去除這些損傷?？挡蹲胶烷y板中性卑和勇子中等能ii離子注人憂原理圈1

2、離子分布一個(gè)離子在停止前所經(jīng)過(guò)的總距離，稱為射程R。此距離在入射軸方向上的投影稱為投影射程Rp。投影射程的統(tǒng)計(jì)漲落稱為投影偏差op。沿著入射軸的垂直的方向上亦有一統(tǒng)計(jì)漲落，稱為橫向偏差。丄。下圖顯示了離子分布，沿著入射軸所注入的雜質(zhì)分布可以用一個(gè)高斯分布函S為單位面積的離子注入劑量，此式等同于恒定摻雜總量擴(kuò)散關(guān)系式。沿X軸移動(dòng)了一個(gè)Rp?；貞浌剑簩?duì)于擴(kuò)散，最大濃度為x=0；對(duì)于離子注入，位于Rp處。在（xRp）=op處，離子濃度比其峰值降低了40%。在2op處則將為10%。在3op處為1%。在土4op處將為0.001%。沿著垂直于入射軸的方向上，其分布亦為高斯分布，可用：表示。因?yàn)檫@種形式的

3、分布也會(huì)參數(shù)某些橫向注入。離子中止使荷能離子進(jìn)入半導(dǎo)體襯底后靜止有兩種機(jī)制。一是離子能量傳給襯底原子核，是入射離子偏轉(zhuǎn)，也使原子核從格點(diǎn)移出。設(shè)E是離子位于其運(yùn)動(dòng)路徑上某點(diǎn)x處的能量，定義核原子中止能力：S”（斫（半）”ax二是入射離子與襯底原子的電子云相互作用，通過(guò)庫(kù)侖作用，離子與電子碰撞失去能量，電子則被激發(fā)至高能級(jí)或脫離原子。定義電子中止能力：離子能量隨距離的平均損耗可由上述兩種阻止機(jī)制的疊加而得：dEdx=S；(E)+S：(E)/?=dx=E0為初始離子能量，R為射程。如果一個(gè)離子在停下來(lái)之前，所經(jīng)過(guò)的總距離為R，則&dES”(Q+SM)其中系數(shù)ke是原子質(zhì)量和原子序數(shù)的弱相關(guān)函數(shù)。硅

4、的ke值107（eV）1/2/cm。砷化鎵的ke值為3X107（eV）1/2/cm離子中止兩種機(jī)制：一是離子能量傳給襯底原子核，是入射離子偏轉(zhuǎn)，也使原子核從格點(diǎn)移出。二是入射離子與襯底原子的電子云相互作用，通過(guò)庫(kù)侖作用，離子與電子碰撞失去能量，電子則被激發(fā)至高能級(jí)或脫離原子。帶能之朵戰(zhàn)離硅.晶體晶格3畦對(duì)紳滯爾高子的核中止能力5lEhEfe7中止體力曲養(yǎng)的貍點(diǎn)對(duì)電這兩種屮止能力相零時(shí)的能X射線硅中電子中止能力如虛線所示，交叉能量點(diǎn)是Sn(E)二Se(E)。一旦Sn(E)和Se(E)已知，可計(jì)算處射程圍?？梢杂孟率鼋品匠淌絹?lái)求得投影射程與投影偏差：0.00100.110.00.00110100

5、10000101001000入射離子能量(keV)入射離子能量(keV)(a)B、P和As在硅中，的投彰射程、(b)H、Ze和Te在碎化傢中，的投影射投影偏差和橫向偏差程、投彫偏差和橫向偏差圖7-6投影射程、投影偏差和橫向偏差比較離子注入的溝道效應(yīng)前述高斯分布的投影射程及投影的標(biāo)準(zhǔn)偏差能很好地說(shuō)明非晶硅或小晶粒多晶硅襯底的注入離子分布。只要離子束方向偏離低指數(shù)晶向111，硅和砷化鎵中的分布狀態(tài)就如在非晶半導(dǎo)體中一樣。在此情況下，靠近峰值處的實(shí)際雜質(zhì)分布，可用“高斯分布函數(shù)”來(lái)表示，即使延伸到低于峰值一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)處也一樣，這表示在下圖中。然而即使只偏離111晶向7度，仍會(huì)有一個(gè)隨距離而成指數(shù)級(jí)

6、exp(-x/入)變化的尾區(qū)，其中入的典型的數(shù)量級(jí)為O.lum。襯底定位時(shí)有意偏離晶向情況下的雜質(zhì)分布。離子束從111軸偏離7度入射。指數(shù)型尾區(qū)與離子注入溝道效應(yīng)有關(guān)，當(dāng)入射離子對(duì)準(zhǔn)一個(gè)主要的晶向并被導(dǎo)向在各排列晶體原子之間時(shí)，溝道效應(yīng)就會(huì)發(fā)生。圖為沿110方向觀測(cè)金剛石晶格的示意圖。離子沿110方向入射，因?yàn)樗c靶原子較遠(yuǎn)，使它在和核碰撞時(shí)不會(huì)損傷大量能量。對(duì)溝道離子來(lái)說(shuō)，唯一的能量損傷機(jī)制是電子阻止，因此溝道離子的射程可以比在非晶硅靶得多。離子進(jìn)入的角度及通道溝道效應(yīng)降低的技巧1、覆蓋一層非晶體的表面層、將硅芯片轉(zhuǎn)向或在硅芯片表面制造一個(gè)損傷的表層。常用的覆蓋層非晶體材料只是一層薄的氧化層

7、圖(a)，此層可使離子束的方向隨機(jī)化，使離子以不同角度進(jìn)入硅芯片而不直接進(jìn)入硅晶體溝道。2、將硅芯片偏離主平面5-10度，也能有防止離子進(jìn)入溝道的效果圖(b)。此方法大部分的注入機(jī)器將硅芯片傾斜7度并從平邊扭轉(zhuǎn)22度以防止溝道效應(yīng)。3、先注入大量硅或鍺原子以破壞硅芯片表面，可在硅芯片表面產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)層圖(c)，這種方法需使用昂貴的離子注入機(jī)。ooOooOooOooOooO損傷的晶格注入損傷與退火離子注入中，與原子核碰撞后轉(zhuǎn)移足夠的能量給晶格，使基質(zhì)原子離開(kāi)晶格位置而造成注入損傷（晶格無(wú)序）。這些離位的在也許獲得入射能量的大部分，接著如骨牌效應(yīng)導(dǎo)致鄰近原子的相繼移位而形成一個(gè)沿著離子路徑的樹(shù)枝狀

8、的無(wú)序區(qū)。當(dāng)單位體積移位的原子數(shù)接近半導(dǎo)體的原子密度時(shí)，單晶材料便成為非晶材料。輕離子的樹(shù)枝狀的無(wú)序區(qū)不同于重離子。輕離子（11B+）大多數(shù)的能量損傷起因于電子碰撞，這并不導(dǎo)致晶格損傷。離子的能量會(huì)減低至交叉點(diǎn)能量，而在那里核阻止會(huì)成為主導(dǎo)。因此，晶格無(wú)序發(fā)生在離子最終的位置附近。如下圖（a）所示。重離子的能量損失主要是原子核碰撞，因此預(yù)期有大量的損傷。如下圖（b）所示。囲？訂門(mén)昭孑巴人引紀(jì)的天再態(tài)特遊cIB)r半聊體表面要估計(jì)將單晶轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷Р牧纤璧哪芰?，可以利用一個(gè)判據(jù)，即認(rèn)為注入量應(yīng)該與融化材料所需的能量密度（1021keV/cm3）在數(shù)量級(jí)上相同。對(duì)于lOOkeV的砷離子來(lái)說(shuō)，形成非

9、晶硅所需的劑量為S=107沏my1013個(gè)離子/伽2E。退火由于離子注入所造成的損傷區(qū)及畸形團(tuán)，使遷移率和壽命等半導(dǎo)體參數(shù)受到影響。此外，大部分的離子在被注入時(shí)并不位于置換位置。為激活被注入的離子并恢復(fù)遷移率與其它材料參數(shù)，必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間與溫度下將半導(dǎo)體退火。傳統(tǒng)退火爐使用類似熱氧化的整批式開(kāi)放爐管系統(tǒng)。需要長(zhǎng)時(shí)間和高溫來(lái)消除注入損傷。但會(huì)造成大量雜質(zhì)擴(kuò)散而無(wú)法符合淺結(jié)及窄雜質(zhì)分布的需求?？焖贌嵬嘶穑≧TA）是一種采用各種能源、退火時(shí)間圍很寬（100s到納秒）的退火工藝。RTA可以在最小的雜質(zhì)再分布情況下完全激活雜質(zhì)。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)

10、時(shí)間的熱處理，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)，電激活摻入的雜質(zhì)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)、快速退火普通熱退火：退火時(shí)間通常為1530min,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。硼與磷的傳統(tǒng)退火退火的特性與摻雜種類及所含劑量有關(guān)om600蹴|iL“l(fā)ImlII山Imud12io13I屮io15io14則量（離子數(shù)3圉7-19D%的翩和瞬離于巒釀活所蠱的退火淚度與注人量酋關(guān)麝硼的退火特性區(qū)單調(diào)上升：點(diǎn)缺陷、陷井缺陷消除、自由載

11、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。0.01lOkeVg-Ts=2iC.ta=3UtTLLti硼的暹火特桂圖中給出的是硼離子以JSOkeVet能星和三亍不同劑量注入硅中的退火特性o如閣所示可以把退火蠱度分為三午區(qū)域電嫩活比例4005006007008009001000丁直磷的退火特性雜質(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600C800CT主芫不屁瞬刊至任迅弋C勻貳充于呈T咀才一肌十迄丄噸游I二!叩乙利前絨330k訓(xùn)晞TI.；-熱退火問(wèn)題:簡(jiǎn)單、價(jià)廉激活率不高擴(kuò)散效應(yīng):產(chǎn)生二次缺陷，桿狀位錯(cuò)。位錯(cuò)環(huán)、層錯(cuò)、位錯(cuò)網(wǎng)加劇獷散效應(yīng)熱退火的遍

12、芟與菸擴(kuò)散盯圧遍度相比，旻世得券.但是，対十汪/.區(qū)的喪反，即便在比較化的品度r，朵負(fù)JT故也是非帛且著的-毘是兇刀汪人碼子的苣戍圧晶咯曲性，-史足內(nèi)的空伍密魁撚半衡盯晶體中旳空立譽(yù)證雯尢保埶動(dòng)、,由于罷子主入也佚晶訃內(nèi)仔隹穴雖抽間陰原于和爭(zhēng)科鐵陷，這業(yè)都總便擴(kuò)散東數(shù)増大H散辿垃堆強(qiáng)，因吐，也H-1也稱迪追火過(guò)程4的耳啟為喑強(qiáng)H散，藐果退乂晶片満足半尢限犬條件，則圧入余質(zhì)經(jīng)退火方隹輕內(nèi)的分布仍敘是盲斯因虧，悝襖準(zhǔn)隔差妾右叭修止分命窗數(shù)時(shí)羔込式為:叫麗弔口嚴(yán)中式屮旳廿散系逖D，比柱冋溫匡下晶憐屮的才靚東數(shù)妥7UL倍-縣至兒十倍，巾且小可泛AIE勺楊粉小同，各赴的擴(kuò)散系數(shù)D也有號(hào)丈的差列.8快速熱

13、退火一個(gè)具有瞬間光加熱的快速熱退火系統(tǒng)表為傳統(tǒng)爐管與RTA技術(shù)的比較。為獲得較短的工藝時(shí)間，需在溫度和工藝的不均勻性、溫度測(cè)量與控制、硅芯片的應(yīng)力與產(chǎn)率間作取舍。塊速暹火快速退火可以分為：謝光退火、電子束退火、離子束退火、非相干光退火等等.苴退火時(shí)間在1門(mén)“10氣之間f亦稱瞬態(tài)退火優(yōu)點(diǎn)！先熔化,再結(jié)晶，時(shí)間快，雜質(zhì)束不及擴(kuò)散RHT設(shè)備采用清華太學(xué)微電子所發(fā)明的紅外光快速熱處理技術(shù)-該袪術(shù)采用高頻感應(yīng)加熱石英腔內(nèi)的高純廃石遙作対紅外輻射熱遞，使晶片在石墨腔內(nèi)迅速升溫通常約三秒可達(dá)10OQBC,而在加熱區(qū)外迅速降溫-亡亥設(shè)備具有升溫快，加熱均勻I熱處理后晶片不變老等憂直o幻石英窗氣體入I芯片IR溫

14、度計(jì)快速熱退火反射器表77技術(shù)比較102西k?VSI7-13用洛撫注人廉成的：ft耶雜質(zhì)分昭51120keV24keVf5keV加計(jì)組&分布為了要在半導(dǎo)體襯底中預(yù)先選擇的區(qū)域里形成p-n結(jié)，注入時(shí)需要一層合適的掩蔽層。此層要阻止一定比例的入射離子其最小厚度可從離子的射程參數(shù)來(lái)求得。在某一深度d之后的注入量對(duì)回憶式積分可得：決定因素常規(guī)退火爐技術(shù)快速熱退火技術(shù)加工形式分批式單片式爐況熱壁冷壁加熱速率低高循環(huán)周期短溫度監(jiān)測(cè)爐晶片熱血計(jì)量A低塵埃問(wèn)題存在最小化9注入相關(guān)工藝多次注入及掩蔽高低在許多應(yīng)用中，除了簡(jiǎn)單的高斯分布外其它的雜質(zhì)分布也是需要的。例如硅預(yù)先注入惰性離子，使表面變成非晶。此方法使雜

15、質(zhì)分布能準(zhǔn)確地控制，且近乎百分百的雜質(zhì)在低溫下激活。在此情況下，深層的非晶體層是必須，為了得到這種區(qū)域，必須要做一系列不同能量與劑量的注入（多次注入）。多次注入如下圖所示，用于形成一平坦的雜質(zhì)分布。穿越深度d的劑量的百分比可由穿透系數(shù)T求得:一旦得到了T,對(duì)任一恒定的Rp和。p來(lái)說(shuō)，都可以求得掩蔽層厚度d,對(duì)SiO2、Si3N4與抗蝕劑來(lái)說(shuō)，要阻擋99.99%的入射離子（T=10-4）所需的d值如下圖所示。圖中插圖顯示了在掩蔽材料的注入物的分布。10LOOW00E(ktV)須F11淹換效率為嗎的時(shí),國(guó)當(dāng)）、瓦凡瑜光致扭M劑f的最小厚度10傾斜角度離子注入當(dāng)器件縮小到亞微米尺寸時(shí),將雜質(zhì)分布垂直

16、方向也縮寫(xiě)是很重要的?，F(xiàn)代器件結(jié)構(gòu)如輕摻雜漏極（LDD），需要在縱向和橫向上精確控制雜質(zhì)分布。垂直于表面的離子速度決定注入分布的投影射程。如果硅芯片相對(duì)于離子束傾斜了一個(gè)很大的角度，則等效離子能量將大為減少。在傾斜角度離子注入時(shí)，需考慮硅芯片上掩蔽圖案的陰影效應(yīng)。較小的傾斜角度導(dǎo)致一個(gè)小陰影區(qū)。如高為05um的掩蔽層，離子束的入射角為7度，將導(dǎo)致一個(gè)61nm的陰影區(qū)?？赡苁瞧骷a(chǎn)生一個(gè)預(yù)想不到的串聯(lián)電阻。60keV砷入射到硅中，相對(duì)濃度分布為離子束傾斜角度的函數(shù)，插圖所示是傾斜角度離子注入的陰影區(qū)flId2D30W60TO-尿嵐fnmmMStiOkeV的科碼-P詫人睚中時(shí)與顧軸倉(cāng)度陌函敘關(guān)耒，

17、其中捅囹蠱示幅詡高子沌人晤成的盜蔽區(qū)域亠高能量與大電流注入注入機(jī)能量可高達(dá)1.5-5MeV,且已用作多種新型用途。主要利用其能將雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體深達(dá)好幾個(gè)微米的能力而不需要借助高溫下長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散。也可用于制作低電阻埋層。例如，CMOS器件中距離表面深達(dá)1.5到3um的埋層。大電流注入機(jī)（10-20mA）工作在25-30keV圍下，通常用于擴(kuò)散技術(shù)中的預(yù)置處理。因?yàn)槠淇偭磕軌蚓_控制。在預(yù)置后，摻雜劑可以用高溫?cái)U(kuò)散步驟再分布，同時(shí)順便將表面區(qū)的注入損傷修補(bǔ)。另一用途就是MOS器件的閾值電壓調(diào)整,精確控制的雜質(zhì)量經(jīng)柵極氧化層注入溝道區(qū)。目前，已有能量圍介于150-200keV的大電流離子注入。主要用

18、途是制作高品質(zhì)硅層，通過(guò)向硅層中注入氧來(lái)生成二氧化硅從而使該硅層與襯底絕緣。這種氧注入隔離（SIMOX）是一種絕緣層上硅（SOI）的關(guān)鍵技術(shù)。2.8離子注入主要參數(shù):離子注入的幾何說(shuō)明：a:離子束注入面刀：表面B:模擬的平面9:離子束方向與y軸方向的夾角:離子束與模擬平面之間的夾角參數(shù)說(shuō)明：Species:注入的雜質(zhì)種類Energy:注入能量（KeV）Dose：注入劑量，單位cm-2Tilt：離子束注入的縱向角度，默認(rèn)值是7Rotation：離子束與模擬平面之間的夾角，默認(rèn)值是30離子注入系統(tǒng)離子源：用于離化雜質(zhì)的容器。常用的雜質(zhì)源氣體有BF3、AsH3和PH3等。質(zhì)量分析器：不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場(chǎng)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。加速器：為高壓靜電場(chǎng)，用來(lái)對(duì)離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個(gè)重要參量。中性束偏移器：利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。聚焦系統(tǒng)：用來(lái)將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。偏