集成電路工藝基礎(chǔ)離子注入

集成電路工藝基礎(chǔ)離子注入離子注入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程，注入能量介于1KeV到1MeV之間，注入深度平均可達(dá)10nm～10um。離子劑量變動(dòng)范圍，從用于閾值電壓調(diào)整的1012/cm2到形成絕緣埋層的1018/cm2。相對(duì)于擴(kuò)散，它能更準(zhǔn)確地控制雜質(zhì)摻雜、可重復(fù)性和較低的工藝溫度。離子注入已成為VLSI制程上最主要的摻雜技術(shù)。一般CMOS制程，大約需要6~12個(gè)或更多的離子注入步驟。第2頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天離子注入應(yīng)用隔離工序中防止寄生溝道用的溝道截?cái)嗾{(diào)整閾值電壓用的溝道摻雜CMOS阱的形成淺結(jié)的制備在特征尺寸日益減小的今日，離子注入已經(jīng)成為一種主流技術(shù)。第3頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，分出中性粒子流中性束路徑類似電視機(jī)，讓束流上下來回的對(duì)圓片掃描離子注入系統(tǒng)的原理示意圖第4頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天離子源是產(chǎn)生離子的部件。將被注入物質(zhì)的氣體注入離子源，在其中被電離形成正離子，經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)，聚成離子束，射向磁分析器。吸極是一種直接引出離子束的方法，即用一負(fù)電壓（幾伏到幾十千伏）把正離子吸出來。產(chǎn)生離子的方法有很多，目前常用的利用氣體放電產(chǎn)生等離子體。離子注入系統(tǒng)原理-離子源第5頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天從離子源吸出的離子束中，包括多種離子。如對(duì)BCl3氣體源，一般包括H+、B+、Cl+、O+、C+等。在磁分析器中，利用不同荷質(zhì)比的離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，可以將離子分離，并選出所需要的一種雜質(zhì)離子。被選離子通過可變狹縫，進(jìn)入加速管。離子注入系統(tǒng)原理-磁分析器第6頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天離子源通過加熱分解氣體源如BF3或AsH3成為帶正電離子（B＋或As＋）。加上約40KeV左右的負(fù)電壓，引導(dǎo)這些帶正電離子移出離子源腔體并進(jìn)入磁分析器。選擇磁分析器的磁場(chǎng)，使只有質(zhì)量/電荷比符合要求的離子得以穿過而不被過濾掉。被選出來的離子接著進(jìn)入加速管，在管內(nèi)它們被電場(chǎng)加速到高能狀態(tài)。離子注入系統(tǒng)原理第7頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天

被摻雜的材料稱為靶。由加速管出來的離子先由靜電聚焦透鏡進(jìn)行聚焦，再進(jìn)行x、y兩個(gè)方向的掃描，然后通過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)注入到靶上。掃描目的：把離子均勻注入到靶上。偏轉(zhuǎn)目的：使束流傳輸過程中產(chǎn)生的中性離子不能到達(dá)靶上。注入機(jī)內(nèi)的壓力維持低于10－4Pa以下，以使氣體分子散射降至最低。離子注入系統(tǒng)原理第8頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天離子注入的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：注入的離子純度高可以精確控制摻雜原子數(shù)目，同一平面的摻雜均勻性得到保證，電學(xué)性能得到保證。溫度低：小于400℃。低溫注入，避免高溫?cái)U(kuò)散所引起的熱缺陷；擴(kuò)散掩膜能夠有更多的選擇摻雜深度和摻雜濃度可控，得到不同的雜質(zhì)分布形式非平衡過程，雜質(zhì)含量不受固溶度限制橫向擴(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，防止污染。可以對(duì)化合物半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜第9頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天離子注入的優(yōu)缺點(diǎn)

缺點(diǎn)：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)的注入高劑量注入時(shí)產(chǎn)率低設(shè)備價(jià)格昂貴（約200萬(wàn)美金）第10頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.1核碰撞和電子碰撞高能離子進(jìn)入靶后，不斷與靶中原子核和電子發(fā)生碰撞，在碰撞時(shí)，注入離子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)并損失能量，因此具有一定初始能量的離子注射進(jìn)靶中后，將走過一個(gè)非常曲折的道路，最后在靶中某一點(diǎn)停止下來第11頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天核碰撞和電子碰撞

注入離子在靶內(nèi)能量損失方式核碰撞(注入離子與靶內(nèi)原子核間的碰撞）質(zhì)量為同一數(shù)量級(jí)，故碰撞后注入離子會(huì)發(fā)生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而獲得能量，如果獲得的能量大于原子束縛能，就會(huì)離開原來所在晶格位置，進(jìn)入晶格間隙，并留下一個(gè)空位，形成缺陷。第12頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天核碰撞和電子碰撞

注入離子在靶內(nèi)能量損失方式電子碰撞(注入離子與靶原子周圍電子云的碰撞）能瞬時(shí)形成電子-空穴對(duì)兩者質(zhì)量相差大，碰撞后注入離子的能量損失很小，散射角度也小，雖然經(jīng)過多次散射，注入離子運(yùn)動(dòng)方向基本不變。電子則被激發(fā)至更高的能級(jí)（激發(fā)）或脫離原子（電離）。第13頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天核碰撞和電子碰撞

核阻止本領(lǐng)說明注入離子在靶內(nèi)能量損失的具體情況，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)定義為：電子阻止本領(lǐng)定義為：第14頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天核碰撞和電子碰撞

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：注入離子在靶內(nèi)運(yùn)動(dòng)的總路程第15頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天

低能量時(shí)，核阻止本領(lǐng)隨能量的增加而線性增加，Sn(E)會(huì)在某一中等能量時(shí)達(dá)到最大值。高能量時(shí)，由于高速粒子沒有足夠的時(shí)間和靶原子進(jìn)行有效的能量交換，所以Sn(E)變小。核阻止本領(lǐng)第16頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天電子阻止本領(lǐng)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。V為注入離子速度，Ke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(jì)時(shí)，可近似為常數(shù)第17頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天核碰撞和電子碰撞不同能區(qū)的能量損失形式低能區(qū)：以核碰撞為主中能區(qū)：核碰撞、電子碰撞持平高能區(qū)：以電子碰撞為主第18頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.2注入離子在無定形靶中的分布

一個(gè)離子在停止前所經(jīng)過的總路程，稱為射程RR在入射軸方向上的投影稱為投影射程XpR在垂直入射方向的投影稱為射程橫向分量Xt平均投影射程Rp：所有入射離子的投影射程的平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差：第19頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天注入離子在無定形靶中的分布對(duì)于無定形靶（SiO2、Si3N4、光刻膠等），注入離子的縱向分布可用高斯函數(shù)表示：其中：第20頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天注入離子在無定形靶中的分布橫向分布（高斯分布）入射離子在垂直入射方向平面內(nèi)的雜質(zhì)分布橫向滲透遠(yuǎn)小于熱擴(kuò)散第21頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天高斯分布只在峰值附近與實(shí)際分布符合較好。輕離子/重離子入射對(duì)高斯分布的影響實(shí)踐中，用高斯分布快速估算注入離子在靶材料中的分布。注入離子在無定形靶中的分布第22頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天隨能量增加，投影射程增加能量一定時(shí)，輕離子比重離子的射程深。

射程與能量的關(guān)系注入離子在無定形靶中的分布第23頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天

以上討論的是無定形靶的情形。無定形材料中原子排列無序，靶對(duì)入射離子的阻止作用是各向同性的一定能量的離子沿不同方向射入靶中將會(huì)得到相同的平均射程。實(shí)際的硅片——單晶在單晶靶中，原子是按一定規(guī)律周期地重復(fù)排列，而且晶格具有一定的對(duì)稱性。靶對(duì)入射離子的阻止作用將不是各向同性的，而與晶體取向有關(guān)。**離子注入的溝道效應(yīng)第24頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天**離子注入的溝道效應(yīng)第25頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天**離子注入的溝道效應(yīng)定義：當(dāng)離子注入的方向與靶晶體的某個(gè)晶向平行時(shí)，一些離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)。溝道離子唯一的能量損失機(jī)制是電子阻止，因此注入離子的能量損失率就很低，故注入深度較大。離子方向=溝道方向時(shí)………離子因?yàn)闆]有碰到晶格而長(zhǎng)驅(qū)直入………效果：在不應(yīng)該存在雜質(zhì)的深度發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)——多出了一個(gè)峰！第26頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天射程分布與注入方向的關(guān)系第27頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天怎么解決？？？?jī)A斜樣品表面，晶體的主軸方向偏離注入方向，典型值為7°。先重轟擊晶格表面，形成無定型層表面長(zhǎng)二氧化硅薄層第28頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天怎么解決？？？第29頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天淺結(jié)的形成為了抑制MOS晶體管的穿通電流和減小器件的短溝效應(yīng)，要求減小CMOS的源/漏結(jié)的結(jié)深形成硼的淺結(jié)較困難，目前采用的方法：硼質(zhì)量較輕，投影射程深，故采用BF2分子注入法F的電活性、B的擴(kuò)散系數(shù)高B被偏轉(zhuǎn)進(jìn)入主晶軸的幾率大降低注入離子的能量形成淺結(jié)低能下溝道效應(yīng)比較明顯，且離子的穩(wěn)定向較差。預(yù)先非晶化注B之前，先用重離子高劑量注入，使硅表面變?yōu)榉蔷У谋砻鎸?。?0頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天注入后發(fā)生了什么………晶格損傷和無定型層靶原子在碰撞過程中，獲得能量，離開晶格位置，進(jìn)入間隙，形成間隙－空位缺陷對(duì)；脫離晶格位置的靶原子與其它靶原子碰撞，也可使得被碰靶原子脫離晶格位置。缺陷的存在使得半導(dǎo)體中載流子的遷移率下降，少子壽命縮短，影響器件性能。雜質(zhì)未激活在注入的離子中，只有少量的離子處在電激活的晶格位置。第31頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天注入損傷級(jí)聯(lián)碰撞？簡(jiǎn)單晶格損傷孤立的點(diǎn)缺陷或缺陷群（注入離子每次傳遞給硅原子的能量約等于移位閾能）局部的非晶區(qū)域（單位體積的移位原子數(shù)目接近半導(dǎo)體的原子密度）非晶層注入離子引起損傷的積累第32頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天輕離子注入第33頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天重離子注入第34頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天非晶層的形成第35頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天注入后需要做什么……

退火：定義：又叫熱處理，集成電路工藝中所有的在氮?dú)獾炔换顫姎夥罩羞M(jìn)行的熱處理過程都可以稱為退火作用激活雜質(zhì)：使不在晶格位置上的離子運(yùn)動(dòng)到晶格位置，以便具有電活性，產(chǎn)生自由載流子，起到雜質(zhì)的作用消除損傷第36頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天注入后需要做什么……

退火：退火方式：爐退火快速退火：脈沖激光法、掃描電子束、連續(xù)波激光、非相干寬帶頻光源(如鹵光燈、電弧燈、石墨加熱器、紅外設(shè)備等)第37頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天注入后需要做什么……

退火：原理高溫下，原子振動(dòng)能↑，移動(dòng)能力↑，可使復(fù)雜損傷分解為簡(jiǎn)單缺陷（如空位、間隙原子等），簡(jiǎn)單缺陷以較高的遷移率移動(dòng)，復(fù)合后缺陷消失。高溫下，非晶區(qū)域損傷恢復(fù)發(fā)生在損傷區(qū)與結(jié)晶區(qū)的交界面，即由單晶區(qū)向非晶區(qū)通過固相外延或液相外延而使整個(gè)非晶區(qū)得到恢復(fù)。第38頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天硼的退火特性低劑量（8×1012/cm2）電激活比例隨溫度上升而增加高劑量（1014/cm2和1015/cm2）退火溫度可以分為三個(gè)區(qū)域500℃以下，電激活比例又隨溫度上升而增加500～600℃范圍內(nèi)，出現(xiàn)逆退火特性晶格損傷解離而釋放出大量的間隙Si原子，這些間隙Si原子與替位B原子接近時(shí)，可以相互換位，使得B原子進(jìn)入晶格間隙，激活率下降。600℃以上，電激活比例又隨溫度上升而增加第39頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天電激活比例第40頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天虛線表示的是注入損傷區(qū)還沒有變成非晶區(qū)的退火特性（劑量從3×1012/cm2增加到3×1014/cm2）電激活比例隨溫度上升而增加。劑量升高時(shí)，退火溫度相應(yīng)升高，才能消除更為復(fù)雜的無規(guī)則損傷。實(shí)線表示的是非晶區(qū)的退火特性（劑量大于1015/cm2），退火溫度降低為600℃左右非晶層的退火機(jī)理是與固相外延再生長(zhǎng)過程相聯(lián)系在再生長(zhǎng)過程中，Ⅴ族原子實(shí)際上與硅原子難以區(qū)分，它們?cè)谠俳Y(jié)晶的過程當(dāng)中，作為替位原子被結(jié)合在晶格位置上。所以在相對(duì)很低的溫度下，雜質(zhì)可被完全激活。磷的退火特性第41頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天電激活比例第42頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天熱退火過程中的擴(kuò)散效應(yīng)

熱退火的溫度與熱擴(kuò)散的溫度相比，要低得多。但是，對(duì)于注入?yún)^(qū)的雜質(zhì)，即使在比較低的溫度下，雜質(zhì)擴(kuò)散也是非常顯著的。這是因?yàn)殡x子注入所造成的晶格損傷，使硅內(nèi)的空位密度比熱平衡時(shí)晶體中的空位密度要大得多。離子注入也是晶體內(nèi)存在大量的間隙原子和多種缺陷，這些都會(huì)使得擴(kuò)散系數(shù)增加，擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng)。熱退火中的擴(kuò)散稱為增強(qiáng)擴(kuò)散。第43頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天熱退火過程中的擴(kuò)散效應(yīng)

注入雜質(zhì)經(jīng)退火后在靶內(nèi)的分布仍然是高斯分布標(biāo)準(zhǔn)偏