半導(dǎo)體工藝原理-離子注入摻雜工藝(611)(貴州大學(xué))

1摻雜之離子注入工藝微電子工藝

--定域摻雜工藝2本章重點(diǎn)3什么是離子注入離化后的原子在強(qiáng)電場(chǎng)的加速作用下，注射進(jìn)入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)

離子注入的基本過(guò)程將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電的離子在強(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得較高的動(dòng)能后，射入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)4離子注入特點(diǎn)5離子注入過(guò)程是一個(gè)非平衡過(guò)程，高能離子進(jìn)入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失能量，最后停下來(lái)。停下來(lái)的位置是隨機(jī)的，大部分不在晶格上，因而沒(méi)有電活性。8核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)-LSS理論阻止本領(lǐng)（stoppingpower）：材料中注入離子的能量損失大小單位路程上注入離子由于核阻止和電子阻止所損失的能量(Sn(E),Se(E))。核阻止本領(lǐng)：來(lái)自靶原子核的阻止，經(jīng)典兩體碰撞理論。電子阻止本領(lǐng)：來(lái)自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。9-dE/dx：能量隨距離損失的平均速率E：注入離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x處的能量Sn(E)：核阻止本領(lǐng)/截面(eVcm2)Se(E)：電子阻止本領(lǐng)/截面（eVcm2)N:靶原子密度～5

1022cm-3forSiLSS理論能量E的函數(shù)能量為E的入射粒子在密度為N的靶內(nèi)走過(guò)x距離后損失的能量10核阻止離子注入與靶原子核碰撞，離子能量轉(zhuǎn)移到原子核上，結(jié)果將使離子改變運(yùn)動(dòng)方向，而靶原子核可能離開原位，成為間隙原子核，或只是能量增加。核阻止本領(lǐng)能量為E的注入離子在單位密度靶內(nèi)運(yùn)動(dòng)單位長(zhǎng)度時(shí)，損失給靶原子核的能量。11核阻止本領(lǐng)注入離子與靶內(nèi)原子核之間兩體碰撞兩粒子之間的相互作用力是電荷作用摘自J.F.Gibbons,Proc.IEEE,Vol.56(3),March,1968,p.295核阻止能力的一階近似為：例如：磷離子Z1=15,m1=31注入硅Z2=14,m2=28,計(jì)算可得：Sn~550keV-mm2m——質(zhì)量，Z——原子序數(shù)下標(biāo)1——離子，下標(biāo)2——靶對(duì)心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移：12核阻止兩球體彈性碰撞托馬斯?費(fèi)米屏蔽函數(shù)核阻止本領(lǐng)曲線最簡(jiǎn)屏蔽函數(shù)碰撞參數(shù)p≤r1+r2離子與靶間勢(shì)函數(shù)考慮電子屏蔽時(shí)離子與靶核之間相互作用13電子阻止注入離子與靶中的束縛電子或自由電子碰撞，能量轉(zhuǎn)移到電子上。離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，離子方向不變，能量稍減，而束縛電子被激發(fā)或電離，自由電子發(fā)生移動(dòng)。電子阻滯本領(lǐng)14電子阻止本領(lǐng)把固體中的電子看成自由電子氣，電子的阻止就類似于粘滯氣體的阻力（一階近似）。電子阻止本領(lǐng)和注入離子的能量的平方根成正比。離子速度15非局部電子阻止局部電子阻止不改變?nèi)肷潆x子運(yùn)動(dòng)方向電荷/動(dòng)量交換導(dǎo)致入射離子運(yùn)動(dòng)方向的改變（<核間作用）電子阻止本領(lǐng)16總阻止本領(lǐng)（Totalstoppingpower）核阻止本領(lǐng)在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）電子阻止本領(lǐng)在高能量下起主要作用核阻止和電子阻止相等的能量17表面處晶格損傷較小射程終點(diǎn)（EOR）處晶格損傷大18EORdamageCourtesyAnn-ChatrinLindberg(March2002).19R：射程（range）離子在靶內(nèi)的總路線長(zhǎng)度Rp：投影射程（projectedrange）

R在入射方向上的投影

Rp：標(biāo)準(zhǔn)偏差（Straggling），投影射程的平均偏差

R

：橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差（Traversestraggling）,垂直于入射方向平面上的標(biāo)準(zhǔn)偏差。射程分布：平均投影射程Rp，標(biāo)準(zhǔn)偏差

Rp，橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差

R

非晶靶中注入離子的濃度分布2注入離子在無(wú)定形靶中的分布20射（行）程：R投影射程：RPRRp注入離子散射過(guò)程M1>M2;b=1/3入射離子質(zhì)量靶原子質(zhì)量21As,P,B在硅中核、電子阻止本領(lǐng)與能量關(guān)系計(jì)算值能量損失與射程R22射程粗略估計(jì)低能區(qū)中能區(qū)高能區(qū)核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)曲線23射程粗略估計(jì)不同靶和不同注入離子，其Ec值不同。硅靶注入輕離子硼，Ec約為15keV，重離子磷，Ec大約為150keV。

注入離子的初使能量比Ec大很多，在靶內(nèi)主要電子阻止損失能量，核阻止可忽略：R≈k1E01/2E<<Ec

，電子阻止可忽略，入射離子主要以核阻止形式損失能量：R≈k2E0核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)的比較24高斯分布函數(shù)注入離子在靶內(nèi)受到的碰撞是隨機(jī)的，所以雜質(zhì)分布也是按幾率分布的。離子進(jìn)入非晶層（穿入距離）的分布接近高斯分布。ΔRp：投影射程的標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔR⊥：橫向離散25投影射程Rp:RpDRpDR

RpDRpDR

RpDRpDR

26縱向分布離子注入的實(shí)際分布在峰值附近和高斯分布符合較好27注入離子的真實(shí)分布真實(shí)分布非常復(fù)雜，不服從嚴(yán)格的高斯分布當(dāng)輕離子硼（B）注入到硅中，會(huì)有較多的硼離子受到大角度的散射（背散射），會(huì)引起在峰值位置與表面一側(cè)有較多的離子堆積；重離子散射得更深。28縱向分布硼比硅原子質(zhì)量輕得多，硼離子注入就會(huì)有較多的大角度散射。被反向散射的硼離子數(shù)量也會(huì)增多，因而分布在峰值位置與表面一側(cè)的離子數(shù)量大于峰值位置的另一側(cè)，不服從嚴(yán)格的高斯分布。砷等重離子和硼輕離子的分布正好相反。29橫向分布橫向效應(yīng)指的是注入離子在垂直于入射方向平面內(nèi)的分布情況由LSS理論計(jì)算得到的硼、磷和砷入射到無(wú)定形硅靶中ΔR┴與入射能量的關(guān)系如圖所示30橫向分布3135keVAs注入120keVAs注入橫向效應(yīng)影響MOS晶體管的有效溝道長(zhǎng)度。32離子注入的溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)（Channelingeffect）當(dāng)離子沿晶軸方向注入時(shí)，大部分離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)，幾乎不會(huì)受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠(yuǎn)。33110111100傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無(wú)序方向34溝道效應(yīng)襯底為單晶材料，離子束準(zhǔn)確的沿著晶格方向注入，其縱向分布峰值與高斯分布不同。一部分離子穿過(guò)較大距離。這就是溝道（滲透）效應(yīng)。1.8?35注入離子劑量

理論上可以由離子電流大小來(lái)量度:（ion/cm2） 其中：I為電流；t為時(shí)間；A為注入面積。 實(shí)際上高能離子入射到襯底時(shí)，一小部分與表面晶核原子彈性散射，而從襯底表面反射回來(lái)，未進(jìn)入襯底，這叫背散射現(xiàn)象.36濃度分布由于溝道效應(yīng)的存在，在晶體中注入將偏離LSS理論在非晶體中的高斯分布，濃度分布中出現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的“尾巴”產(chǎn)生非晶化的劑量沿<100>的溝道效應(yīng)37表面非晶層對(duì)于溝道效應(yīng)的作用BoronimplantintoSiO2BoronimplantintoSi38減少溝道效應(yīng)的措施

對(duì)大的離子，沿溝道軸向(110)偏離7－10o用Si，Ge，F(xiàn)，Ar等離子注入使表面預(yù)非晶化，形成非晶層（Pre-amorphization）增加注入劑量（晶格損失增加，非晶層形成，溝道離子減少）表面用SiO2層掩膜39典型離子注入?yún)?shù)離子：P，As，Sb，B，In，O劑量：1011~1018cm-2能量：1–400keV可重復(fù)性和均勻性:±1%溫度：室溫流量：1012-1014cm-2s-140晶格損傷：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)生位移，被位移原子還可能把能量依次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的空位－間隙原子對(duì)及其它類型晶格無(wú)序的分布。這種因?yàn)殡x子注入所引起的簡(jiǎn)單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。3注入損傷(Si)SiSiI+SiV41高能離子在靶內(nèi)與晶格多次碰撞，從而導(dǎo)致靶的晶格損傷。碰撞有彈性碰撞和非彈性碰撞。注入離子通過(guò)碰撞把能量傳遞給靶原子核及其電子的過(guò)程，稱為能量淀積過(guò)程。42損傷的產(chǎn)生移位原子：因碰撞而離開晶格位置的原子。移位閾能Ed：使一個(gè)處于平衡位置的原子發(fā)生移位，所需的最小能量.(對(duì)于硅原子,Ed

15eV)碰撞中，當(dāng)轉(zhuǎn)移能量E>Ed移位閾能時(shí)，靶原子位移；若移位原子能量>2Ed時(shí)，移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，這種現(xiàn)象稱級(jí)聯(lián)碰撞。43移位原子的估算入射離子在碰撞過(guò)程中傳遞給靶原子的能量Ed<E<2Ed時(shí)，只能使一個(gè)原子移位。只有當(dāng)能量>2Ed時(shí)，才能增加移位原子的數(shù)目。估算一個(gè)以起始能量E0入射的離子，在碰撞過(guò)程中可以使靶內(nèi)原子移位的數(shù)目N(E)為44損傷特點(diǎn)損傷有三種：簡(jiǎn)單損傷；非晶區(qū)；非晶層。損傷主要與注入離子質(zhì)量、能量、劑量、劑量率有關(guān)；與靶溫有關(guān)。損傷峰值非常接近投影射程的75%損傷造成半導(dǎo)體電學(xué)特性衰退：載流子遷移率下降；少子壽命變短；pn結(jié)反向漏電。

45注入損傷形成非晶層的臨界劑量與溫度的關(guān)系靶溫一個(gè)B，E0≈80KeV，Rp≈250nm，480個(gè)Si移位，損傷原子約0.4％一個(gè)As，E0≈80KeV，Rp≈250nm，4000個(gè)Si移位，損傷原子約8％46損傷區(qū)的分布重離子每次碰撞傳輸給靶的能量較大，散射角小，獲得大能量的位移原子還可使許多原子移位。注入離子的能量損失以核碰撞為主。同時(shí)，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。質(zhì)量較靶原子輕的離子傳給靶原子能量較小，被散射角度較大，只能產(chǎn)生數(shù)量較少的位移靶原子，因此，注入離子運(yùn)動(dòng)方向的變化大，產(chǎn)生的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較大。呈鋸齒狀。47非晶化（Amorphization）注入離子引起的晶格損傷有可能使晶體結(jié)構(gòu)完全破壞變?yōu)闊o(wú)序的非晶區(qū)。與注入劑量的關(guān)系注入劑量越大，晶格損傷越嚴(yán)重。臨界劑量：使晶格完全無(wú)序的劑量。臨界劑量和注入離子的質(zhì)量有關(guān)4849505152損傷恢復(fù)機(jī)制

（DamageRecoveryMechanism）Annihilation:recombinationSiI+SiV

(Si)SiMonteCarlo模擬的I-V復(fù)合結(jié)果：短時(shí)間內(nèi)（10-2秒）800

C下，體內(nèi)的V在表面復(fù)合迅速完成，產(chǎn)生剩余的I，其表面復(fù)合相對(duì)較緩慢。在400

C以上，這些I可接合入{311}面形成棒/帶狀缺陷，并可以穩(wěn)定較長(zhǎng)時(shí)間。FrenkelI-Vpairs53TED漏電流大545556BP逆退火現(xiàn)象57退火時(shí)間為35分鐘58快速熱處理59RTP特點(diǎn)RTP系統(tǒng)采用輻射熱源對(duì)單片加熱，溫度測(cè)控由高溫計(jì)完成；RTP工藝使用范圍很廣，控溫在200~1300℃之間，升、降溫速度為20~250℃/秒，還可以控制工藝氣體，可完成復(fù)雜的多階段熱處理工藝。用RTP取代常規(guī)熱處理工藝避免了Si中雜質(zhì)再分布，還縮短工藝周期。60

硅及雜質(zhì)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)激活能61。高功率激光束輻照。電子束

。高強(qiáng)度的光照

。其它輻射

RTP主要優(yōu)點(diǎn)是摻雜的再分布大大降低，對(duì)制備淺結(jié)器件特別有利6263RTP系統(tǒng)利用多排鹵化鎢燈對(duì)Si片進(jìn)行加熱，Si片旋轉(zhuǎn)；自動(dòng)載片控制和精確的溫度控制；工藝的全程控制，實(shí)時(shí)圖形曲線顯示，實(shí)時(shí)工藝參數(shù)采集、顯示和分析。

AG4100645離子注入設(shè)備與工藝6566磁分析器離子源加速管聚焦掃描系統(tǒng)靶rBF3：B++，B+，BF2+，F(xiàn)+,BF+，BF++B10B1167a）源（Source）：在半導(dǎo)體應(yīng)用中，為了操作方便，一般采用氣體源，如BF3，BCl3，PH3，ASH3等。如用固體或液體做源材料，一般先加熱，得到它們的蒸汽，再導(dǎo)入放電區(qū)。b)離子源（IonSource）：燈絲（filament）發(fā)出的自由電子在電磁場(chǎng)作用下，獲得足夠能量后撞擊源分子或原子，使它們電離成離子，再經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器氣體源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，...離子源：As，Ga，Ge，Sb，P，...68離子注入設(shè)備中科院沈陽(yáng)科儀真空室尺寸：Φ1000×1200漏率：<3.75×10-7Pa·L/S真空室極限真空度：3.75×10-5Pa

69離子注入工藝掩膜選?。弘x子注入在常溫進(jìn)行，所以光刻膠、二氧化硅薄膜、金屬薄膜等多種材料都可以作為掩膜使用。要求掩蔽效果達(dá)到99.99%。防止溝道效應(yīng)方法：硅片偏轉(zhuǎn)一定角度；隔介質(zhì)膜注入淺結(jié)工藝：分子注入BF2；降低諸如能量E0；非晶化，先注入Si+、Ge、Sb70溝道效應(yīng)的防止方法（111）硅一般采取偏離晶向7°，平行偏轉(zhuǎn)15°的注入方法

71注入方法直接注入 離子在光刻窗口直接注入Si襯底。射程大、雜質(zhì)重時(shí)采用。間接注入；通過(guò)介質(zhì)薄膜或光刻膠注入襯底晶體。間接注入沾污少，可以獲得精確的表面濃度。多次注入 通過(guò)多次注入使雜質(zhì)縱向分布精確可控，與高斯分布接近；也可以將不同能量、劑量的雜質(zhì)多次注入到襯底硅中，使雜質(zhì)分布為設(shè)計(jì)形狀。

726離子注入用途，和擴(kuò)散的比較Xj0.8Xj難熔柵SiO2Si

源

漏Xj難熔柵SiO2Si

源

漏淺注入層擴(kuò)散形成寄生電容大自對(duì)準(zhǔn)金屬柵結(jié)構(gòu)73對(duì)閾值電壓VT的控制對(duì)MOS管來(lái)說(shuō)，柵電極可控范圍是它下面極薄的溝道區(qū)，注入雜質(zhì)可看作全包含在耗盡層內(nèi)。Rp在SiO2/Si界面附近，Rp很小，適當(dāng)控制QT，就能得到希望的VT。源柵漏P-Si離子注入?yún)^(qū)SiO2SiO2/Si界面態(tài)面密度溝道區(qū)強(qiáng)反型體電荷74離子注入在集成電路中的應(yīng)用一、CMOS制造9-10differentI/Iidentified!75二、雙極型制造（Bipolarfabrication）。高能注入形成埋層。LOCOS下方的p-n結(jié)隔離。形成基區(qū)注入。砷注入多晶硅發(fā)射區(qū)。多晶電阻76三、其它應(yīng)用硅襯底背面損傷形成吸雜區(qū)

BacksideDamageLayerFormationforGettering形成SOI結(jié)構(gòu)Silicon-On-InsulatorUsingOxygenorHydrogenImplantation777879離子注入在2μmN