集成電路制造技術(shù)-原理與工藝（第3版）課件 第5章 離子注入

集成電路制造技術(shù)——原理與工藝第五章離子注入5.1概述5.5退火5.2離子注入原理5.6離子注入設備與工藝5.3注入離子在靶中的分布5.7離子注入的其它應用5.4注入損傷5.8離子注入與熱擴散比較及摻雜新技術(shù)目錄C

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S一、 概述什么是離子注入：將含雜質(zhì)的化合物分子電離，在強電場作用下離子被加速射入靶材料的表層，以改變這種材料表層的性質(zhì)。

離子注入工藝步驟應用離子注入技術(shù)主要是為了進行摻雜，分為兩個步驟：離子注入和退火再分布。二、離子注入原理2.1

與注入離子分布相關的幾個概念射程R：離子在靶內(nèi)移動的總路線長度；投影射程xP：射程在入射方向上的投影距離；射程的橫向分量xi：在與入射方向垂直的方向上離子射程的投影距離。R=l1+l2+l3…注入離子的分布與注入離子分布相關的幾個概念

射程分布：大量入射離子投影射程的統(tǒng)計分布，即靶內(nèi)入射離子濃度分布

平均投影射程（Rp）：所有入射離子的投影射程的平均值。是注入離子濃度最大值位置；

投影射程標準偏差（Rp）：是平均投影射程的統(tǒng)計波動橫向標準偏差（

R）：是射程的平均橫向分量的統(tǒng)計波動。二、離子注入原理入射離子與原子核的碰撞，即核阻擋的能量損失過程；入射離子與電子的碰撞，即電子阻擋的能量損失過程。在集成電路制造中，注入離子的能量一般為5~500keV，進入靶內(nèi)的離子不僅與靶內(nèi)的自由電子和束縛電子發(fā)生相互作用，而且與靶內(nèi)原子核相互作用。LSS理論認為注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個彼此獨立的部分：2.2

離子注入相關理論基礎二、離子注入原理能量為E的一個注入離子與靶原子核碰撞，離子能量轉(zhuǎn)移到靶原子核上，結(jié)果使離子改變運動方向，而靶原子核可能離開原位，成為間隙原子，或只是能量增加。核阻止本領（Sn）：能量為E的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。2.2

離子注入相關理論基礎碰撞參數(shù)p≤r1+r21.核碰撞二、離子注入原理碰撞參數(shù)p≤r1+r2假設注入離子與靶內(nèi)原子之間是彈性碰撞正面碰撞，p

=0，能量轉(zhuǎn)移最大：忽略外圍電子的屏蔽，注入離子與靶內(nèi)原子間勢函數(shù)：考慮電子屏蔽時離子與靶核之間相互作用，勢函數(shù)：核阻止本領二、離子注入原理2.2

離子注入相關理論基礎2.電子碰撞注入離子與靶內(nèi)白由電子及束縛電子之間的碰撞。電子阻止本領和入射離子的速度成正比：單位路程上注入離子的總能量損失：注入離子與靶內(nèi)原子核周圍電子云通過互作用，使離子失去能量，束縛電子被激發(fā)或電離、自由電子發(fā)生移動，而且會瞬時形成電子-空穴對。電子阻止本領：12二、離子注入原理504

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Time-outnginx二、離子注入原理高能離子與低能離子高能離子注入不同深度核與電子阻止本領的對比一、 概述2.2

離子注入相關理論基礎1.核碰撞四級標題字體：正文中文：思源黑體CN

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Math基礎字號：28色調(diào)：一級標題二級標題三級標題請老師確認模板中使用的元素是否符合需求可用使用四級標題備注：封面為了效果更突出，用了思源宋體，如果不需要可以直接更換為思源黑體即可集成電路制造技術(shù)——原理與工藝第五章

離子注入注入離子在靶中的分布注入離子在靶中的理論分布1縱向分布設注入離子初始能量為E0，求進入靶面后的射程：平均投影射程Rp和投影標準偏差ΔRp:E

和R

的緩變函數(shù)M1>M2;b=1/3注入離子在靶中的理論分布1縱向分布一束離子射入非晶靶，因注入離子在靶內(nèi)受到的碰撞是隨機的，所以注入離子射程也是按幾率分布。0x(atoms/cm3)(atoms/cm2)離子注入分布情況注入離子在靶中的理論分布2橫向效應504

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Time-outnginx注入離子在靶中的理論分布橫向效應的影響35

keV注入As120

keV注入As注入離子在靶中的分布---其他影響因素3單晶靶中的溝道效應(111)Si

(100)Si 硅片傾斜旋轉(zhuǎn)后無序方向(110)Si1.8?離子束準確地沿著晶向注入，進入溝道的離子幾乎不會受到原子散射，這部分離子能量損失小，將穿過較大距離，這種現(xiàn)象稱為溝道效應。504

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Time-outnginx502

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Gatewaynginx4影響注入離子分布的其它因素注入離子在靶中的分布重離子注入：與靶原子核的散射角小，會引起比峰值更遠一側(cè)有較多的離子堆積。相同注入能量情況下，注入離子越輕平均投影射程越遠，射程標準偏差也越大。一、 概述2.2

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離子注入注入損傷注入損傷高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列碰撞，可能使靶原子發(fā)生移位；移位原子還可把能量依次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的空位(V)、間隙原子(I)以及其它類型的晶格無序。這種因為離子注入所引起的簡單或復雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。(Si)SiSiI

+

SiV注入損傷1級聯(lián)碰撞

移位原子：因碰撞而離開晶格位置的原子，又稱反沖原子。

移位閾能Ed：使一個處于平衡位置的原子發(fā)生移位所需的最小能量，硅原子：Ed≈15eV。

級聯(lián)碰撞：指碰撞中靶原子移位，該移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再移位的現(xiàn)象。注入損傷入射離子與靶原子碰撞的三種情況：EE<Ed

，無移位原子，表現(xiàn)為宏觀熱能。Ed<E<2Ed

，只能使一個原子移位，出現(xiàn)第一級反沖原子。E>2Ed

，發(fā)生級聯(lián)碰撞，出現(xiàn)第二級反沖原子、第三極反沖原子…，產(chǎn)生大量空位與自間隙原子。級聯(lián)碰撞使大量靶原子移位，導致晶格高密度損傷。對于同種類靶（如硅片），不同注入離子的級聯(lián)碰撞情況不同。注入損傷2簡單晶格損傷輕離子入射：每次碰撞傳給靶原子的能量小，只能產(chǎn)生少量移位原子。同時，入射離子散射角度大，運動方向變化就大。輕離子注入產(chǎn)生的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較大，呈鋸齒狀。重離子入射：每次碰撞傳輸給靶原子的能量大，易發(fā)生級聯(lián)碰撞。同時，入射離子散射角小，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，損傷密度大。注入損傷3非晶層的形成晶格損傷有三種：點缺陷損傷復合體非晶層晶格損傷主要與注入離子劑量、質(zhì)量、能量、劑量率，以及靶溫有關：注入劑量越大，晶格損傷越嚴重。在臨界劑量開始形成連續(xù)非晶層簡單晶格損傷臨界劑量502

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離子注入退火退火離子注入后必須進行退火；退火就是將硅片在某一高溫下保持一段時間，使雜質(zhì)通過擴散進入替位，恢復電活性；并修復晶格，使損傷區(qū)域“外延生長”為晶體，恢復或部分恢復硅的遷移率，少子壽命。退火效果與溫度、時間、方式有關。常規(guī)退火溫度越高、時間越長效果越好。退火1硅材料的熱退火特性考慮效果修復晶格：退火溫度在600℃以上，時間最長可達數(shù)小時。雜質(zhì)激活：退火溫度在650－900℃，時間10－30分鐘。退火工藝條件取決于注入離子質(zhì)量、劑量、能量、靶溫、晶格損傷類型，以及退火效果等。另外，還應考慮高溫時的雜質(zhì)再分布現(xiàn)象。注入劑量低劑量簡單損傷，在較低溫度下退火就可以消除。高劑量形成非晶區(qū)，在550-600℃硅重新結(jié)晶，雜質(zhì)隨著結(jié)晶進入格點電激活。502

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Gatewaynginx退火3磷的退火特性較低劑量注入，退火特性與硼相似，p/Ns隨溫度上升而單調(diào)增大。當劑量大于1015

/cm2時，損傷區(qū)為非晶層，出現(xiàn)了不同退火機理，溫度不到600℃，

就發(fā)生了無定形層的固相外延生長。磷與硅沒有區(qū)別地同時以替位方式結(jié)合入晶格，完成退火。退火4高溫退火引起的雜質(zhì)再分布

注入?yún)^(qū)的雜質(zhì)，即使在比較低的溫度退火，擴散效果也非常顯著，這是因為離子注入的晶格損傷造

成硅內(nèi)空位密度及其它缺陷數(shù)量

大增的緣故。退火時間為35分鐘退火5二次缺陷二次缺陷二次缺陷就是退火留下的復雜損傷。

二次缺陷隨離子注入劑量及退火溫度而變化。可以影響載流子遷移率、少子壽命等，因而

直接影響半導體器件的特性。

離子注入后進行熱氧化時，還會產(chǎn)生更大的層錯和位錯環(huán)，稱為三次缺陷。三次缺陷可使二極管的反向漏電流變大。退火6退火方式及快速熱處理技術(shù)快速退火都是在瞬時將硅片的某個區(qū)域加熱到高溫，一般在100秒內(nèi)就完成了退火，因此，避免了雜質(zhì)再分布，降低了二次缺陷。一、 概述2.2

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+，在Si中分解出原子B;2預先非晶化：先注入Si+、Ge+、Sb+，再注入所需離子，如B+。離子注入的其它應用1.2調(diào)整MOS管的閾值電壓VTMOS管VT：使硅表面處在強反型狀態(tài)下所必須的柵壓。n-SiPSiO2SiO2P通過薄的柵氧化層進行溝道區(qū)域注入，然后經(jīng)過適當退火達需要的雜質(zhì)濃度，便能實現(xiàn)調(diào)整VT的目的。BVT離子注入的其它應用1.3自對準硅柵結(jié)構(gòu)n-SiSiO2PSi柵n-SiSiO2PAlXj0.8Xj擴散形成寄生電容大B自對準硅柵結(jié)構(gòu)擴散方式MOS管離子注入的其它應用1.4O+4×1017~2×1018atoms/cm2注氧→退火→外延BA氧化→注氫→鍵合→兩步熱處理H+5×1016atoms/cm2離子注入在SOI結(jié)構(gòu)中的應用注氧隔離（SIMOX）技術(shù)制作SOI片的工藝流程：智能剝離（S