第四章-離子注入

離子注入技術(shù)是用一定能量的雜質(zhì)離子束轟擊要摻雜的材料（稱為靶，可以是晶體，也可以是非晶體），一部分雜質(zhì)離子會進入靶內(nèi)，實現(xiàn)摻雜的目的。離子注入是集成電路制造中常用的一種摻雜工藝，尤其是淺結(jié)，主要是靠離子注入技術(shù)實現(xiàn)摻雜。第四章離子注入11952年，美國貝爾實驗室就開始研究用離子束轟擊技術(shù)來改善半導體的特性。1954年前后，shockley提出來用離子注入技術(shù)能夠制造半導體器件，并且預言采用這種方法可以制造薄基區(qū)的高頻晶體管。1955年，英國的W.D.Cussins發(fā)現(xiàn)硼離子轟擊鍺晶片時，可在n型材料上形成p型層。1960年，對離子射程的計算和測量、輻射損傷效應以及溝道效應等方面的重要研究己基本完成，離子注入技術(shù)開始在半導體器件生產(chǎn)中得到廣泛應用。1968年報道了采用離子注入技術(shù)制造的、具有突變型雜質(zhì)分布的變?nèi)荻O管以及鋁柵自對準MOS晶體管。1972年以后對離子注入現(xiàn)象有了更深入的了解，目前離子注入技術(shù)已經(jīng)成為甚大規(guī)模集成電路制造中最主要的摻雜工藝。離子注入的發(fā)展歷史：2離子注入技術(shù)的主要特點：(1)注入的離子是通過質(zhì)量分析器選取出來的，被選取的離子純

度高，能量單一，從而保證了摻雜純度不受雜質(zhì)源純度的影響。另外，注入過程是在清潔、干燥的真空條件下進行的，

各種污染降到最低水平。(2)可以精確控制注入到硅中的摻雜原子數(shù)目，注入劑量在

1011～1017／cm2的較寬范圍內(nèi)，同一平面內(nèi)的雜質(zhì)均勻性和重復性可精確控制在±1％內(nèi)。離子注入技術(shù)的這一優(yōu)點在

甚大規(guī)模集成電路制造中尤其重要。(3)離子注入時，襯底一般是保持在室溫或低于400℃，因此，

像二氧化硅、氮化硅、鋁和光刻膠等都可以用來作為選擇摻

雜的掩蔽膜，給予自對準掩蔽技術(shù)更大的靈活性，這是熱擴散方法根本做不到的，因為熱擴散方法的掩膜必須是能耐高

溫的材料。3(4)離子注入深度是隨離子能量的增加而增加，因此摻雜深度可

通過控制離子束能量高低來實現(xiàn)。另外，在注入過程中可精

確控制電荷量，從而可精確控制摻雜濃度，因此通過控制注

入離子的能量和劑量，以及采用多次注入相同或不同雜質(zhì)，可得到各種形式的雜質(zhì)分布，對于突變型的雜質(zhì)分布、淺結(jié)的制備，采用離子注入技術(shù)很容易實現(xiàn)。(5)離子注入是一個非平衡過程，不受雜質(zhì)在襯底材料中的固溶度限制，原則上對各種元素均可摻雜(但摻雜劑占據(jù)基質(zhì)格

點而變?yōu)榧せ铍s質(zhì)是有限的)，這就使摻雜工藝靈活多樣，適應性強。根據(jù)需要可從幾十種元素中挑選合適的n型或p型

雜質(zhì)進行摻雜。(6)離子注入時的襯底溫度較低，這樣就可以避免高溫擴散所引起的熱缺陷。4(7)由于注入的直進性，注入雜質(zhì)是按掩膜的圖形近于垂直入射，這樣的摻雜方法，橫向效應比熱擴散小很多，這一特點有利于器件特征尺寸的縮小。(8)離子往往是通過Si表面上的薄膜(如SiO2)注入到硅中，因此硅表面上的薄膜起到了保護膜作用，防止了污染。(9)化合物半導體是二種或多種元素按一定組分構(gòu)成的，這種材料經(jīng)高溫處理時，組分可能發(fā)生變化。采用離子注入技術(shù)，基本上不存在上述問題，因此容易實現(xiàn)對化合徹半導體的摻雜。54.1核碰撞和電子碰撞4.2

注入離子在無定形靶中的分布4.3

注入損傷4.4

熱退火目錄64.1核碰撞和電子碰撞注入離子在靶內(nèi)的分布理論（LSS理論）

1963年，林華德(Lindhard)，沙夫(Scharff)和希奧特(Schiott)首先確立：注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個彼此獨立的過程：①核碰撞(核阻止)②電子碰撞(電子阻止)總能量損失為它們的和。

7核碰撞：是注入離子與靶內(nèi)原子核之間的相互碰撞。因注入離子與靶原子的質(zhì)量一般為同一數(shù)量級，每次碰撞之后，注入離子都可能發(fā)生大角度的散射，并失去一定的能量。靶原子核也因碰撞而獲得能量，如果獲得的能量大于原子束縛能，就會離開原來所在晶格進入間隙，并留下一個空位，形成缺陷。8由于兩者的質(zhì)量相差非常大(104)，每次碰撞中，注入離子的能量損失很小，而且散射角度也非常小，也就是說每次碰撞都不會改變注入離子的動量，雖然經(jīng)過多次散射，注入離子運動方向基本不變。電子碰撞：是注入離子與靶內(nèi)自由電子以及束縛電子之間的碰撞，這種碰撞能瞬時地形成電子-空穴對。9一個注入離子在其運動路程上任一點x處的能量為E，則核阻止本領就定義為：

電子阻止本領定義為：根據(jù)LSS理論，單位距離上，由于核碰撞和電子碰撞，注入離子損失能量為：

注入離子在靶內(nèi)運動的總路程：核阻止本領和電子阻止本領104.1.1核阻止本領一、核阻止本領

可理解為能量為E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。把注入離子和靶原子看成是兩個不帶電的硬球，半徑分別為R1和R2。碰撞前：R1，M1，Vl，E0(動能)

R2，M2碰撞后：R1，M1，Ul，E1，

1(散射角)

R2，M2，U2，E2，

2兩球之間的碰撞距離用碰撞參數(shù)p(指運動球經(jīng)過靜止球附近而不被散射情況下，兩球之間的最近距離)表示，只有在p≤(R1+R2)時才能發(fā)生碰撞和能量的轉(zhuǎn)移。11二次彈性碰撞12在p=0時，兩球?qū)l(fā)生正面碰撞，此時傳輸?shù)哪芰孔畲?，用TM表示：

不考慮電子屏蔽作用時，注入離子與靶原子之間的勢函數(shù)為庫侖勢：其中Z1和Z2分別為兩個粒子的原子序數(shù)，r為距離?？紤]電子屏蔽作用，注入離子與靶原子之間的勢函數(shù)用下面形式表示：

其中f(r/a)為電子屏蔽函數(shù)，a為屏蔽參數(shù)。13如果屏蔽函數(shù)為：

此時注入離子與靶原子核碰撞的能量損失率為常數(shù)，用S0n表示。如果采用托馬斯-費米屏蔽函數(shù)（可得到更精確的結(jié)果），核阻止本領與離子能量的關系Sn(E)如圖所示：低能量時核阻止本領隨離子能量呈線性增加，在某個能量達到最大值；高能量時，因快速運動的離子沒有足夠的時間與靶原子進行有效的能量交換，核阻止本領變小。二、核阻止本領與離子能量的關系14能量損失率與離子能量的關系托馬斯-費米屏蔽函數(shù)15As,P,B在硅中的核阻止本領和電子阻止本領與能量的關系的計算值對硅靶來說，注入離子不同，其核阻止本領達到最大的能量值是不同的。164.1.2電子阻止本領在LSS理論中，把固體中的電子看成為自由電子氣，電子阻止類似于黏滯氣體的阻力。在注入離子的常用能量范圍內(nèi)，電子阻止本領Se(E)同注入離子的速度成正比，即和注入離子能量的平方根成正比：其中V為注入離子的速度，系數(shù)ke與注入離子的原子序數(shù)、質(zhì)量、靶材料的原子序數(shù)和質(zhì)量有著微弱的關系。在粗略近似下，對于無定形硅靶來說，ke為一常數(shù)。174.1.3射程的粗略估計根據(jù)LSS理論，得到核阻止本領和電子阻止本領曲線，如下圖所示，其中和

是無量綱的能量和射程參數(shù)。核碰撞能量損失“通用”曲線一組Se(E)直線，每一直線對應于一個ke值18據(jù)上圖，注入離子的能量可分為三個區(qū)域：低能區(qū)：核阻止本領占主要地位，電子阻止可以被忽略。中能區(qū)：核阻止本領和電子阻止本領同等重要，必須同時考慮。高能區(qū)：電子阻止本領占主要地位，核阻止本領可以忽略。但這個區(qū)域的能量值，一般超出了工藝的實際應用范圍。屬于核物理的研究課題。19核阻止本領與電子阻止本領比較1.一級近似核阻止本領S0n和入射離子能量E無關。電子阻止本領和注入離子的速度（能量的平方根）成正比。2.臨界能量如圖所示，在E=Ec處核阻止與電子阻止本領相等。203.射程估算如果注入離子能量比Ec大很多，則離子在靶內(nèi)主要以電子阻止形式損失能量，可按下式估算射程：如果注入離子的能量E<<Ec，離子在靶內(nèi)主要以核阻止形式損失能量，則得射程R的表達式為214.2注入離子在無定形靶中的分布

注入離子在靶內(nèi)分布是與注入方向有關系，一般來說，離子束的注入方向與垂直靶表面方向的夾角比較小，假設離子束的注入方向是垂直靶表面的。任何一個注入離子，在靶內(nèi)所受到的碰撞是一個隨機過程。即使是能量相等的同種離子，在靶內(nèi)發(fā)生每次碰撞的偏轉(zhuǎn)角和損失能量、相鄰兩次碰撞之間的行程、離子在靶內(nèi)所運動的路程總長度、以及總長度在入射方向上的投影射程(注入深度)都是不相同的。如果注入的離子數(shù)量很小，它們在靶內(nèi)分布是很分散的，但是，如果注入大量的離子，那么這些離子在靶內(nèi)將按一定統(tǒng)計規(guī)律分布。224.2.1縱向分布n(x)：距離靶表面為x處的離子濃度(離子數(shù)/cm3)Nmax：峰值濃度,Rp：平均投影射程，離子注入深度的平均值ΔRp：Rp標準偏差Rp和R之間的一般關系式為：式中b是E和R的緩慢變化函數(shù)。二者的關系如下圖所示。一、注入離子在無定形靶內(nèi)的縱向濃度分布一級近似下，無定形靶內(nèi)的縱向濃度分布可用高斯函數(shù)表示：2324二、注入離子二維分布注入離子分布在Rp的兩邊，具體分布情況由

Rp決定，如下圖所示。

Rp與Rp的近似關系為：注入劑量：則有：則離子濃度可表示為：2526原因：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，可能停止在比Rp更遠處；而碰撞次數(shù)大于平均值的離子可能停在表面與Rp之間；實際注入時還有更多影響離子分布的因素需考慮：B：峰值靠近表面一側(cè)的離子數(shù)量高于另一側(cè)（輕，大角度散射），不服從嚴格的高斯分布，出現(xiàn)明顯的不對稱性，如下圖所示；As：x>Rp一側(cè)有較多的離子分布（重，散射角?。瑯右财x了理想的高斯分布。盡管如此，實踐中通常仍利用理想高斯分布來快速估算注入離子在非晶靶以及單晶靶材料中的分布。三、一級近似得到的高斯分布，在峰值附近與實際分布符合較好，距峰值較遠時有一定偏離2728由圖可知，在能量一定的情況下，輕離子比重離子的射程要深。B，P，As在無定型硅和熱氧化SiO2中的投影射程和能量的關系如右圖所示。29投影射程的標準偏差ΔRp與能量關系的計算值如下圖所示304.2.2橫向分布橫向效應：注入離子在垂直入射方向的平面內(nèi)的分布情況。離子束沿x方向入射，注入離子的空間分布函數(shù)f(x,y,z)：

其中ΔY扣ΔZ分別為在Y方向和Z方向上的標準偏差。

ΔY=ΔZ=ΔR┴，ΔR┴為橫向離散。31

在掩膜邊緣(即-a和+a處)的濃度是窗口中心處濃度的50％。而距離大于+a和小于-a各處的濃度按余誤差下降。通過一狹窄掩膜窗口注入的離子，掩膜窗口的寬度為2a，原點選在窗口的中心，y和z方向如下圖所示。32

(a)雜質(zhì)B、P通過lμ寬掩膜窗口注入到硅靶中的等濃度曲線(b)雜質(zhì)P以不同能量注入硅靶中的等濃度曲線橫向效應與注入離子的種類和入射離子的能量有關33硼、磷和砷入射到無定形硅靶中時，ΔRp和ΔR┴與入射能量的關系。344.2.3溝道效應溝道效應：當離子注入的方向與靶晶體的某個晶面平行時，將很少受到核碰撞，離子將沿溝道運動，注入深度很深。由于溝道效應，使注入離子濃度的分布產(chǎn)生很長的拖尾。硅晶體的原子構(gòu)型3536為了避免溝道效應，可使晶體的主軸方向偏離注入方向，使之呈現(xiàn)無定形狀態(tài)，會發(fā)生大量碰撞。偏離的典型值為7°。硅晶體的原子構(gòu)型37384.2.4淺結(jié)的形成對于輕雜質(zhì)，形成淺結(jié)非常困難。降低注入離子能量：注入離子能量幾個keV但是在低能情況下，溝道效應變得非常明顯。增大偏離角度。在低能注入時，離子束的穩(wěn)定性是一個問題，由于空間電荷效應，離子束發(fā)散。解決辦法是采用寬束流，降低束流密度。預先非晶化：注B前，先以重離子高劑量注入，使Si形成非晶表面層。使溝道效應減小。完全非晶化層在退火后結(jié)晶質(zhì)量好。394.3注入損傷離子注入技術(shù)的最大優(yōu)點，就是可以精確地控制摻雜雜質(zhì)的數(shù)量及深度。但是，在離子注入的過程中，襯底的晶體結(jié)構(gòu)受到損傷是不可避免的。離子注入前后，襯底的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。40①如果傳遞的能量小于移位閾能Ed，被碰原子只是在平衡位置振動，將獲得的能量以振動能的形式傳遞給近鄰原子，表現(xiàn)為宏觀熱能。②如果傳遞的能量大于Ed而小于2Ed

，被碰原子成為移位原子，并留下一個空位。這個移位原子具有的能量小于Ed，不能使與它碰撞的原子移位。③如果靶原子獲得的能量大于2Ed

，被碰原子移位之后，還具有很高的能量，在運動過程中，可以使與它碰撞的原子發(fā)生移位。這種不斷碰撞的現(xiàn)象稱為“級聯(lián)碰撞”。4.3.1級聯(lián)碰撞注入離子與靶內(nèi)原子碰撞，將能量傳遞給靶的過程稱為能量淀積過程。41級聯(lián)碰撞的結(jié)果會使大量的靶原子移位，產(chǎn)生大量的空位和間隙原子，形成損傷。當級聯(lián)碰撞密度不太大時，只產(chǎn)生孤立的、分開的點缺陷。如果級聯(lián)碰撞的密度很高時，缺陷區(qū)就會互相重疊，加重損傷程度，甚至使注入?yún)^(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)完全受到破壞，變?yōu)榉蔷^(qū)。424.3.2簡單晶格損傷如果注入的是輕離子，或者是小劑量的重離子，注入離子在靶中產(chǎn)生簡單晶格損傷。如下圖所示，對于輕離子，開始時能量損失主要由電子阻止引起，不產(chǎn)生移位原子。注入離子的能量隨注入深度的增加而減小，當能量減小到小于交點Ec時，核阻止將起主導作用，幾乎所有的晶格損傷都產(chǎn)生于Ec點以后的運動中。大多數(shù)情況下，每個注入離子只有一小部分能量對產(chǎn)生間隙-空位缺陷有貢獻。對重離子來說，主要是通過核碰撞損失能量，產(chǎn)生的損傷較大。在基片上的一些局部區(qū)域，即使只受到小劑量重原子的轟擊，也將遭受足夠的損傷，甚至變?yōu)榉蔷B(tài)層。43核阻止本領與電子阻止本領比較損傷區(qū)的分布444.3.3

非晶的形成注入離子的能量越高，產(chǎn)生移位原子數(shù)目就越多，就更容易形成非晶區(qū)。離子注入時的靶溫對晶格損傷情況也起著重要的影響，在其他條件相同的情況下，靶溫越高，損傷情況就越輕，這是因為在離子注入同時，存在一個自退火過程。如下圖所示，隨著溫度升高形成非晶層的臨界劑量增大，這是因為溫度越高，自退火效應越顯著。如果單位時間通過單位面積注入的離子數(shù)(劑量率)越大，自退火效應將下降，產(chǎn)生非晶區(qū)的臨界劑量也將減小。--影響注入損傷程度的因素注入損傷不僅與注入離子的能量、質(zhì)量有關，而且與離子的注入劑量以及靶溫和晶向等因素有關。45形成非晶層的臨界劑量與溫度的關系464.4熱退火注入離子所造成的晶格損傷，對材料的電學性質(zhì)將產(chǎn)生重要的影響。如載流子遷移率下降、少子的壽命減少等。另外，離子注入的摻雜機理與熱擴散不同，在離子注入中，是把雜質(zhì)離子強行射入晶體內(nèi)，被射入的雜質(zhì)原子大多數(shù)都存在于晶格間隙位置，起不到施主或受主的作用。所以，采用離子注入技術(shù)進行摻雜的硅片，必須消除晶格損傷，并使注入的雜質(zhì)進入晶格位置以實現(xiàn)電激活。熱退火：在一定溫度下，將注有雜質(zhì)離子的硅片經(jīng)過適當時間的熱處理，使硅片中的損傷部分或絕大部分消除，少子壽命和遷移率得到恢復，摻入的雜質(zhì)被激活，這樣的處理過程稱為熱退火。474.4.1硅材料的熱退火特性退火的溫度和時間，退火方式等都要根據(jù)實際情況而定。另外還要根據(jù)對電學參數(shù)恢復程度的要求選定退火條件，退火溫度的選擇還要考慮到欲退火硅片所允許的處理溫度。低劑量所造成的損傷，一般在較低溫度下退火就可以消除。當劑量增加形成非晶區(qū)時，退火溫度增大。484.4.2硼的熱退火特性電激活比例:自由載流子數(shù)p和注入劑量Ns的比。

對于低劑量的情況，隨退火溫度上升，電激活比例增大。右圖顯示了能量為150keV的硼離子以三個不同劑量注入硅中的等時退火特性。49對于高劑量情況，可以把退火溫度分為三個區(qū)域：在區(qū)域I中，隨退火溫度上升，點缺陷的移動能力增強，因此間隙硼和硅原子與空位的復合幾率增加，使點缺陷消失，替位硼的濃度上升，電激活比例增加，自由載流子濃度增大。當退火溫度在500-600℃的范圍內(nèi)。點缺陷通過重新組合或結(jié)團，降低其能量。因為硼原子非常小，和缺陷團有很強的作用，很容易遷移或被結(jié)合到缺陷團中，處于非激活位置，因而出現(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)象（逆退火特性）。在區(qū)域Ⅲ中，硼的替位濃度以接近于5eV的激活能隨溫度上升而增加，這個激活能與升溫時Si自身空位的產(chǎn)生和移動的能量一致。產(chǎn)生的空位向間隙硼處運動，因而間隙硼就可以進入空位而處于替代位置，硼的電激活比例也隨溫度上升而增加。504.4.3磷的熱退火特性圖中虛線所表示的是損傷區(qū)還沒有變?yōu)榉蔷訒r的退火性質(zhì)，實線則表示非晶層的退火性質(zhì)。對于11015/cm2和51015/cm2時所形成的非晶層，退火溫度在600℃左右，低于劑量為1014左右沒有形成非晶層的退火溫度，這是因為兩種情況的退火機理不同。非晶層的退火效應是與固相外延再生長過程相聯(lián)系的，在再生長過程中，V族原子實際上與硅原子是難以區(qū)分，被注入的V族原子磷在再結(jié)晶過程中與硅原子一樣，同時被結(jié)合到晶格位置上。51524.4.4熱退火過程中的擴散效應注入離子在靶內(nèi)的分布近似認為是高斯型的。但是熱退火過程使高斯分布有明顯的展寬，偏離了注入時的分布，尤其是尾部出現(xiàn)了較