硅集成電路工藝基礎(chǔ)

硅集成電路工藝基礎(chǔ)第一頁，共七十六頁，2022年，8月28日②有限表面源擴(kuò)散：擴(kuò)散之前在硅片表面先沉積一層雜質(zhì)，這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散的雜質(zhì)源，不再有新源補(bǔ)充。雜質(zhì)分布形式：高斯分布隨著擴(kuò)散時(shí)間增大，表面雜質(zhì)濃度降低，結(jié)深增大，pn結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度變緩。上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)第二頁，共七十六頁，2022年，8月28日兩步擴(kuò)散：采用兩種擴(kuò)散結(jié)合的方式。預(yù)擴(kuò)散：較低溫度，恒定表面源擴(kuò)散，提供擴(kuò)散雜質(zhì)源主擴(kuò)散：較高溫度，有限表面源擴(kuò)散，目的是控制表面濃度和擴(kuò)散深度雜質(zhì)最終分布形式：D預(yù)t預(yù)<<D主t主，主擴(kuò)散起決定作用，雜質(zhì)基本按高斯函數(shù)分布。上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)第三頁，共七十六頁，2022年，8月28日影響雜質(zhì)分布的其他因素:Si中的點(diǎn)缺陷（替位、空位、間隙）雜質(zhì)濃度（摻雜濃度高時(shí)）上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)氧化增強(qiáng)擴(kuò)散：氧化區(qū)下，擴(kuò)散增強(qiáng)，B，P，機(jī)理：間隙Si原子與替位B相互作用，雜質(zhì)B以替位-間隙交替的方式運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散速度快發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)：發(fā)射區(qū)正下方硼的擴(kuò)散深度加深機(jī)理：磷空位對(duì)分解，增加空位的濃度，擴(kuò)散加快產(chǎn)生過剩的間隙Si原子，第四頁，共七十六頁，2022年，8月28日上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)二維擴(kuò)散：橫向擴(kuò)散

一般情況下，橫向擴(kuò)散的距離約為縱向擴(kuò)散距離的75％-85％直接影響ULSI的集成度擴(kuò)散工藝：固態(tài)源、液態(tài)源、氣態(tài)源快速氣相摻雜：RTP，形成超淺結(jié)氣體浸沒激光摻雜：淺結(jié)，突變結(jié)與離子注入一樣形成淺結(jié)，卻無注入損傷且無需退火第五頁，共七十六頁，2022年，8月28日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(huì)進(jìn)入靶內(nèi)，實(shí)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(shí)現(xiàn)摻雜。第六頁，共七十六頁，2022年，8月28日1952年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室就開始研究用離子束轟擊技術(shù)來改善半導(dǎo)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(dǎo)體器件，并且預(yù)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(shí)，可在n型材料上形成p型層。1960年，對(duì)離子射程的計(jì)算和測量、輻射損傷效應(yīng)以及溝道效應(yīng)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(dǎo)體器件生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。1968年，采用離子注入技術(shù)制造出具有突變型雜質(zhì)分布的變?nèi)荻O管以及鋁柵自對(duì)準(zhǔn)MOS晶體管。1972年以后對(duì)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)展歷史第七頁，共七十六頁，2022年，8月28日4.1、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4.5、離子注入系統(tǒng)及工藝本章主要內(nèi)容第八頁，共七十六頁，2022年，8月28日4.1、核碰撞和電子碰撞1963年，林華德(Lindhard)，沙夫(Scharff)和希奧特(Schiott)。

LSS理論（注入離子在靶內(nèi)的分布理論）：注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)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。

第九頁，共七十六頁，2022年，8月28日核碰撞：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(jí)，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(huì)離開原來所在晶格進(jìn)入間隙，并留下一個(gè)空位，形成缺陷。第十頁，共七十六頁，2022年，8月28日由于兩者的質(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(huì)改變注入離子的動(dòng)量，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(shí)地形成電子-空穴對(duì)。第十一頁，共七十六頁，2022年，8月28日一個(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)就定義為

電子阻止本領(lǐng)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(yùn)動(dòng)的總路程核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)第十二頁，共七十六頁，2022年，8月28日、核阻止本領(lǐng)把注入離子和靶原子看成是兩個(gè)不帶電的硬球，半徑分別為R1和R2。碰撞前：R1，M1，Vl，E0

R2，M2碰撞后：R1，M1，Ul，E1，1

R2，M2，U2，E2，2兩球之間的碰撞距離用碰撞參數(shù)p表示，只有在p≤(R1+R2)時(shí)才能發(fā)生碰撞和能量的轉(zhuǎn)移。第十三頁，共七十六頁，2022年，8月28日在p=0時(shí)，兩球?qū)l(fā)生正面碰撞，此時(shí)傳輸?shù)哪芰孔畲?，用TM表示：

不考慮電子屏蔽作用時(shí)，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(gè)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)。第十四頁，共七十六頁，2022年，8月28日如果屏蔽函數(shù)為：

此時(shí)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。如果采用用托馬斯-費(fèi)米屏蔽函數(shù)，核阻止本領(lǐng)與離子能量的關(guān)系Sn(E)如圖所示。低能量時(shí)核阻止本領(lǐng)隨離子能量呈線性增加，在某個(gè)能量達(dá)到最大值高能量時(shí)，因快速運(yùn)動(dòng)的離子沒有足夠的時(shí)間與靶原子進(jìn)行有效的能量交換，核阻止本領(lǐng)變小。托馬斯-費(fèi)米屏蔽函數(shù)核阻止本領(lǐng)與離子能量的關(guān)系第十五頁，共七十六頁，2022年，8月28日As,P,B在硅中的核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)與能量的關(guān)系的計(jì)算值對(duì)硅靶來說，注入離子不同，其核阻止本領(lǐng)達(dá)到最大的能量值是不同的。第十六頁，共七十六頁，2022年，8月28日、電子阻止本領(lǐng)在LSS理論中，把固體中的電子看為自由電子氣，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(lǐng)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)和質(zhì)量、靶材料的原子序數(shù)和質(zhì)量有著微弱的關(guān)系。在粗略近似下，對(duì)于無定形硅靶來說，ke為一常數(shù)。第十七頁，共七十六頁，2022年，8月28日、射程的粗略估計(jì)根據(jù)LSS理論，得到核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)曲線，其中和是無量綱的能量和射程參數(shù)。注入離子的能量可分為三個(gè)區(qū)域：低能區(qū)：核阻止本領(lǐng)占主要地位，電子阻止可以被忽略。中能區(qū)：核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)同等重要，必須同時(shí)考慮。高能區(qū)：電子阻止本領(lǐng)占主要地位，核阻止本領(lǐng)可以忽略。但這個(gè)區(qū)域的能量值，一般超出了工藝的實(shí)際應(yīng)用范圍。屬于核物理的研究課題。第十八頁，共七十六頁，2022年，8月28日射程估算：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(dá)式為核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)比較一級(jí)近似：核阻止本領(lǐng)S0n和入射離子能量E無關(guān)。電子阻止本領(lǐng)和注入離子的速度（能量的平方根）成正比。臨界能量：如圖所示，在E=Ec處核阻止與電子阻止本領(lǐng)相等。第十九頁，共七十六頁，2022年，8月28日4.2、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(guān)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(shè)離子束的注入方向是垂直靶表面的。任何一個(gè)注入離子，在靶內(nèi)所受到的碰撞是一個(gè)隨機(jī)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(yùn)動(dòng)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)量很少，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(jì)規(guī)律分布。第二十頁，共七十六頁，2022年，8月28日、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為Rp標(biāo)準(zhǔn)偏差一級(jí)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：第二十一頁，共七十六頁，2022年，8月28日注入離子分布在Rp的兩邊，具體分布情況由Rp決定，Rp與Rp的近似關(guān)系為注入劑量:則有則離子濃度可表示為注入離子二維分布示意圖第二十二頁，共七十六頁，2022年，8月28日與注入離子與靶原子的相對(duì)質(zhì)量有關(guān)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）As：x>Rp一側(cè)有較多的離子分布（重，散射角?。┍M管如此，實(shí)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。一級(jí)近似得到的高斯分布，在峰值附近與實(shí)際分布符合較好，距峰值較遠(yuǎn)時(shí)有一定偏離。第二十三頁，共七十六頁，2022年，8月28日

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(guān)系第二十四頁，共七十六頁，2022年，8月28日、橫向分布橫向效應(yīng)：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(biāo)準(zhǔn)偏差。

ΔY=ΔZ=ΔR┴，ΔR┴為橫向離散。第二十五頁，共七十六頁，2022年，8月28日

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(diǎn)選在窗口的中心，y和z方向如圖所示。第二十六頁，共七十六頁，2022年，8月28日

(a)雜質(zhì)B、P、Sb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(yīng)與注入離子的種類和離子能量有關(guān)第二十七頁，共七十六頁，2022年，8月28日硼、磷和砷入射到無定形硅靶中時(shí)，ΔRp和ΔR┴與入射能量的關(guān)系第二十八頁，共七十六頁，2022年，8月28日、溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)：當(dāng)離子注入的方向與靶晶體的某個(gè)晶面平行時(shí)，將很少受到核碰撞，離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)，注入深度很深。由于溝道效應(yīng)，使注入離子濃度的分布產(chǎn)生很長的拖尾。第二十九頁，共七十六頁，2022年，8月28日為了避免溝道效應(yīng)，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(huì)發(fā)生大量碰撞。偏離的典型值為7°。第三十頁，共七十六頁，2022年，8月28日部分溝道效應(yīng)，在兩次碰撞之間有溝道效應(yīng)存在。第三十一頁，共七十六頁，2022年，8月28日、淺結(jié)的形成對(duì)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(gè)keV但是在低能情況下，溝道效應(yīng)變得非常明顯。增大偏離角度。在低能注入時(shí)，離子束的穩(wěn)定性是一個(gè)問題，由于空間電荷效應(yīng)，離子束發(fā)散。解決辦法是采用寬束流，降低束流密度。預(yù)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(yīng)減小。完全非晶化層在退火后結(jié)晶質(zhì)量好。第三十二頁，共七十六頁，2022年，8月28日4.3、注入損傷離子注入技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)，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)也不可避免地受到損傷。離子注入前后，襯底的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。第三十三頁，共七十六頁，2022年，8月28日①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(dòng)，將獲得的能量以振動(dòng)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(gè)空位。這個(gè)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(yùn)動(dòng)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(jí)聯(lián)碰撞”。、級(jí)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。第三十四頁，共七十六頁，2022年，8月28日級(jí)聯(lián)碰撞的結(jié)果會(huì)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(dāng)級(jí)聯(lián)碰撞密度不太大時(shí)，只產(chǎn)生孤立的、分開的點(diǎn)缺陷。如果級(jí)聯(lián)碰撞的密度很高時(shí)，缺陷區(qū)就會(huì)互相重疊，加重?fù)p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)。第三十五頁，共七十六頁，2022年，8月28日、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。對(duì)于輕離子，開始時(shí)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(dāng)能量減小到小于交點(diǎn)Ec時(shí)，核阻止將起主導(dǎo)作用，幾乎所有的晶格損傷都產(chǎn)生于Ec點(diǎn)以后的運(yùn)動(dòng)中。大多數(shù)情況下，每個(gè)注入離子只有一小部分能量對(duì)產(chǎn)生間隙-空位缺陷有貢獻(xiàn)。對(duì)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。核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)比較第三十六頁，共七十六頁，2022年，8月28日、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(shí)的靶溫對(duì)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?yàn)樵陔x子注入同時(shí)，存在一個(gè)自退火過程。如果單位時(shí)間通過單位面積注入的離子數(shù)(劑量率)越大，自退火效應(yīng)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(guān)，而且與離子的注入劑量以及靶溫和晶向等因素有關(guān)。隨著溫度升高形成非晶層的臨界劑量增大，這是因?yàn)闇囟仍礁?，自退火效?yīng)越顯著。第三十七頁，共七十六頁，2022年，8月28日4.4、熱退火注入離子所造成的晶格損傷，對(duì)材料的電學(xué)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(jī)理與熱擴(kuò)散不同，在離子注入中，是把雜質(zhì)離子強(qiáng)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(jìn)行摻雜的硅片，必須消除晶格損傷，并使注入的雜質(zhì)進(jìn)入晶格位置以實(shí)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(dāng)時(shí)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(fù)，摻入的雜質(zhì)被激活，這樣的處理過程稱為熱退火。第三十八頁，共七十六頁，2022年，8月28日、硅材料的熱退火特性退火的溫度和時(shí)間，退火方式等都要根據(jù)實(shí)際情況而定。低劑量所造成的損傷，一般在較低溫度下退火就可以消除。

第三十九頁，共七十六頁，2022年，8月28日熱退火的重結(jié)晶過程第四十頁，共七十六頁，2022年，8月28日第四十一頁，共七十六頁，2022年，8月28日第四十二頁，共七十六頁，2022年，8月28日第四十三頁，共七十六頁，2022年，8月28日第四十四頁，共七十六頁，2022年，8月28日第四十五頁，共七十六頁，2022年，8月28日第四十六頁，共七十六頁，2022年，8月28日第四十七頁，共七十六頁，2022年，8月28日第四十八頁，共七十六頁，2022年，8月28日、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(duì)于低劑量的情況，隨退火溫度上升，電激活比例增大。能量為150keV的硼離子以三個(gè)不同劑量注入硅中的等時(shí)退火特性第四十九頁，共七十六頁，2022年，8月28日對(duì)于高劑量情況，可以把退火溫度分為三個(gè)區(qū)域：在區(qū)域I中，隨退火溫度上升，點(diǎn)缺陷的移動(dòng)能力增強(qiáng)，因此間隙硼和硅原子與空位的復(fù)合幾率增加，使點(diǎn)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(dāng)退火溫度在500-600℃的范圍內(nèi)，點(diǎn)缺陷通過重新組合或結(jié)團(tuán)，降低其能量。因?yàn)榕鹪臃浅Ｐ?，和缺陷團(tuán)有很強(qiáng)的作用，很容易遷移或被結(jié)合到缺陷團(tuán)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(gè)激活能與升溫時(shí)Si自身空位的產(chǎn)生和移動(dòng)的能量一致。產(chǎn)生的空位向間隙硼處運(yùn)動(dòng)，因而間隙硼就可以進(jìn)入空位而處于替位位置，硼的電激活比例也隨溫度上升而增加。第五十頁，共七十六頁，2022年，8月28日實(shí)際退火條件，要根據(jù)注入時(shí)靶溫、注入劑量及對(duì)材料性能的要求來選擇。注入劑量低，不發(fā)生逆退火現(xiàn)象，退火溫度不需要太高。1012/cm2，800度，幾分鐘。室溫注入與靶溫較高時(shí)注入時(shí)，產(chǎn)生非晶區(qū)的臨界劑量不同，退火要求也不同。第五十一頁，共七十六頁，2022年，8月28日、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(shí)的退火性質(zhì)，實(shí)線則表示非晶層的退火性質(zhì)。對(duì)于11015/cm2和51015/cm2時(shí)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時(shí)的退火溫度，這是因?yàn)閮煞N情況的退火機(jī)理不同。非晶層的退火效應(yīng)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(shí)際上與硅原子是難以區(qū)分，被注入的V族原子P在再結(jié)晶過程中與硅原子一樣，同時(shí)被結(jié)合到晶格位置上。第五十二頁，共七十六頁，2022年，8月28日在實(shí)際情況中，注入離子分布的不均勻，同一退火條件下，退火效果也不同，因此，要根據(jù)實(shí)際需要，選擇最佳退火條件。第五十三頁，共七十六頁，2022年，8月28日上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)離子注入：摻雜工藝，淺結(jié)能量損失核碰撞：缺陷、損傷，級(jí)聯(lián)碰撞，非晶區(qū)電子碰撞：溝道效應(yīng)，雜質(zhì)分布拖尾，避免晶體的主軸方向偏離注入方向，7°注入離子在靶內(nèi)分布：高斯分布（一級(jí)近似）實(shí)際分布偏離：B偏向表面，As偏向深部橫向效應(yīng)：比擴(kuò)散小得多，與注入離子種類和能量有關(guān)第五十四頁，共七十六頁，2022年，8月28日輕雜質(zhì)，淺結(jié)的形成：降低注入離子能量：注入離子能量幾個(gè)keV但是在低能情況下，溝道效應(yīng)變得非常明顯。增大偏離角度。在低能注入時(shí)，離子束的穩(wěn)定性是一個(gè)問題，由于空間電荷效應(yīng)，離子束發(fā)散。解決辦法是采用寬束流，降低束流密度。預(yù)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(yīng)減小。完全非晶化層在退火后結(jié)晶質(zhì)量好。上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)第五十五頁，共七十六頁，2022年，8月28日上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)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(dāng)時(shí)間的熱處理消除晶格損傷使注入的雜質(zhì)進(jìn)入晶格位置以實(shí)現(xiàn)電激活根據(jù)實(shí)際情況，選擇最佳退火條件，T，t。第五十六頁，共七十六頁，2022年，8月28日、熱退火過程中的擴(kuò)散效應(yīng)注入離子在靶內(nèi)的分布近似認(rèn)為是高斯分布。但是熱退火過程使高斯分布有明顯的展寬，偏離了注入時(shí)的分布，尤其是尾部出現(xiàn)了較長的按指數(shù)衰減的拖尾。實(shí)際上，熱退火溫度比熱擴(kuò)散時(shí)的溫度要低得多。在退火溫度下，對(duì)于完美晶體中的雜質(zhì)來說，擴(kuò)散系數(shù)是很小的，甚至可以忽略。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)散效果也是非常顯著的。這是因?yàn)殡x子注入所造成的晶格損傷：硅內(nèi)的空位數(shù)比完美晶體中多得多晶體內(nèi)存在大量的間隙原子其它各種缺陷使擴(kuò)散系數(shù)增大，擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng)。退火溫度不同時(shí)注入雜質(zhì)B分布（注入條件和退火時(shí)間相同）第五十七頁，共七十六頁，2022年，8月28日、快速退火快速退火：降低退火溫度，或者縮短退火時(shí)間。快速退火技術(shù)：脈沖激光、脈沖電子束與離子束、掃描電子束、連續(xù)波激光以及非相干寬帶光源(鹵燈、電弧燈、石墨加熱器)等，瞬時(shí)使硅片的某個(gè)區(qū)域加熱到所需要溫度，退火時(shí)間短(10-3-102秒)。脈沖激光退火：利用高能量密度的激光束輻射退火材料表面，引起被照區(qū)域的溫度突然升高，達(dá)到退火效果。激光退火的主要特點(diǎn)：退火區(qū)域受熱時(shí)間非常短，因而損傷區(qū)中雜質(zhì)幾乎不擴(kuò)散，襯底材料中的少數(shù)載流子壽命及其他電學(xué)參數(shù)基本不受影響利用聚焦得到細(xì)微的激光束，可對(duì)樣品進(jìn)行局部選擇退火通過選擇激光的波長和改變能量密度，可在深度上和表面上進(jìn)行不同的退火過程，因而可以在同一硅片上制造出不同結(jié)深或者不同擊穿電壓的器件。第五十八頁，共七十六頁，2022年，8月28日第五十九頁，共七十六頁，2022年，8月28日連續(xù)波激光退火：是固-固外延再結(jié)晶過程。使用的能量密度為1-100J/cm2，照射時(shí)間約100s。由于樣品不發(fā)生溶化，而且時(shí)間又短，因此注入雜質(zhì)的分布幾乎不受任何影響。電子束退火：退火機(jī)理與激光退火一樣，只是用電子束照射損傷區(qū)，使損傷區(qū)在極短時(shí)間內(nèi)升到較高溫度，通過固相或液相外延過程，使非晶區(qū)轉(zhuǎn)化為結(jié)晶區(qū)，達(dá)到退火目的。電子束退火的束斑均勻性比激光好，能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)50％左右，但電子束能在氧化層中產(chǎn)生中性缺陷。寬帶非相干光源：主要是鹵燈和高頻加熱方式，是一種很有前途的退火技術(shù)，目前用得較多。其設(shè)備簡單、生產(chǎn)效率高，沒有光干涉效應(yīng)，而又能保持快速退火技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)，退火時(shí)間一般為10-100秒。第六十頁，共七十六頁，2022年，8月28日離子注入深度通過控制離子束能量來控制，而摻雜濃度的控制可通過控制注入離子劑量來實(shí)現(xiàn)。是兩個(gè)獨(dú)立控制過程。由于離子注入的直進(jìn)性，注入雜質(zhì)是按掩膜的圖形近于垂直入射，橫向效應(yīng)比熱擴(kuò)散小很多，這一特點(diǎn)有利于器件特征尺寸的縮小。（圖）離子注入時(shí)，襯底一般是保持在室溫或低于400℃，可選掩蔽膜很多，如光刻膠、SiO2、Si3N4和Al等。而擴(kuò)散必須是能耐高溫的材料。注入離子是通過質(zhì)量分析器選取，純度高，能量單一，保證了摻雜純度不受雜質(zhì)源純度的影響?？梢跃_控制摻雜原子數(shù)目，注入劑量的范圍較寬(1011-1017/cm2)，同一平面內(nèi)的雜質(zhì)均勻性和重復(fù)性可精確控制在±1％以內(nèi)。（即使是高濃度擴(kuò)散也只能控制在5-10%）離子注入時(shí)的襯底溫度低，避免了高溫?cái)U(kuò)散所引起的熱缺陷。離子注入的主要特點(diǎn)第六十一頁，共七十六頁，2022年，8月28日第六十二頁，共七十六頁，2022年，8月28日?氣體系統(tǒng)?電控系統(tǒng)?真空系統(tǒng)?離子束線控制、離子注入系統(tǒng)4.5、離子注入系統(tǒng)及工藝第六十三頁，共七十六頁，2022年，8月28日?氣體系統(tǒng)特殊的傳送系統(tǒng)來操作危險(xiǎn)氣體；用氬氣來凈化系統(tǒng)及校準(zhǔn)離子束。?電控系統(tǒng)高壓系統(tǒng)（離子能量，從而控制結(jié)深）；射頻系統(tǒng)（一些離子源需要用射頻電源來產(chǎn)生離子）。?真空系統(tǒng)需要高真空來加速離子以及減少碰撞；真空度為10-5-10-7torr；使用分子泵和低溫泵；排空系統(tǒng)。?離子束線控制離子源；提取電極；磁分析器；后加速器；等離子體溢注系統(tǒng)；底部分析器。第六十四頁，共七十六頁，2022年，8月28日離子束線控制——離子源熱鎢絲發(fā)射熱電子；熱電子與源氣分子碰撞使之分解并離子化；離子被從源艙提取并加速進(jìn)入離子束管線。射頻離子源微波離子源第六十五頁，共七十六頁，2022年，8月28日離子束線控制——提取電極加速電極將提取離子的能量加速到50keV。磁分析器需要如此高的離子能量，來選擇合適的離子樣品。第六十六頁，共七十六頁，202