离子注入低温掺杂

1、1 什么是离子注入什么是离子注入 离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表 层，以改变这种材料表层的物理或化学性质层，以改变这种材料表层的物理或化学性质 离子注入的基本过程离子注入的基本过程 v将某种元素的原子或携带该将某种元素的原子或携带该 元素的分子经离化变成带电元素的分子经离化变成带电 的离子的离子 v在强电场中加速，获得较高在强电场中加速，获得较高 的动能后，射入材料表层的动能后，射入材料表层 （靶）（靶） v以改变这种材料表层的物理以改变这种材料表层的物理 或化学性质或化学性质 5.1 什么是离子注入什么是离子注入 2

2、离子注入技术优点离子注入技术优点 n离子注入技术离子注入技术主要有以下几方面的主要有以下几方面的优点优点： （1）注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的 离子纯度高，能量单一，从而离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源保证了掺杂纯度不受杂质源 纯度的影响纯度的影响即掺杂纯度高即掺杂纯度高。 （2）注入剂量在注入剂量在1011一一1017离子离子cm2的较宽范围内，同一的较宽范围内，同一 平面内的平面内的杂质均匀度可保证在杂质均匀度可保证在1 1的精度的精度。大面积均大面积均 匀掺杂匀掺杂 （3）离子注入离子注入温度低温度低，衬底

3、一般是保持在室温或低于，衬底一般是保持在室温或低于 400。因此，像。因此，像二氧化硅、氮化硅、光刻胶二氧化硅、氮化硅、光刻胶, ,铝等都可铝等都可 以用来作为选择掺杂的掩蔽膜以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。对器件制造中的对器件制造中的自对准掩自对准掩 蔽技术蔽技术给予更大的灵活性给予更大的灵活性，这是热扩散方法根本做不到的。，这是热扩散方法根本做不到的。 3 离子注入技术优点离子注入技术优点 （4）离子注入深度离子注入深度是随离子能量的增加而增加。是随离子能量的增加而增加。 可精确控制掺杂浓度和深度可精确控制掺杂浓度和深度 （5）根据需要可从几十种元素中挑选合适的根据需要可从几十种元素中挑选合适

4、的N型或型或P型型 杂质进行掺杂。杂质进行掺杂。能容易地掺入多种杂质能容易地掺入多种杂质 （6）离子注入时的衬底离子注入时的衬底温度较低（小于温度较低（小于600 600 ），这，这 样就可以样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷避免高温扩散所引起的热缺陷。同时同时横向横向 效应比热扩散小得多。效应比热扩散小得多。 （7 7）表面浓度不受固溶度限制，表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度可做到浅结低浓度 或或 深结高浓度深结高浓度。 4 离子注入技术缺点离子注入技术缺点 n会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加 以改进以改进 n设备相对复杂、相对昂贵（尤

5、其是超低能量离设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离 子注入机）子注入机） n有不安全因素，如高压、有毒气体有不安全因素，如高压、有毒气体 5 基个概念：基个概念： n （1）靶靶：被掺杂的材料。：被掺杂的材料。 n （2）一束离子轰击靶时，其中一部分离子）一束离子轰击靶时，其中一部分离子 在靶面就被反射，不能进入靶内，称这部在靶面就被反射，不能进入靶内，称这部 分离子为分离子为散射离子散射离子，进入靶内的离子成为，进入靶内的离子成为 注入离子注入离子。 6 离子注入掺杂离子注入掺杂分为 两个步骤两个步骤： -离子注入离子注入 -退火再分布退火再分布。 7 离子注入离子注入 在在离子注入离子

6、注入中，中，电离的杂质离子经静电场加速电离的杂质离子经静电场加速 打到晶圆表面。在掺杂窗口处，杂质离子被注入裸打到晶圆表面。在掺杂窗口处，杂质离子被注入裸 露的半导体本体露的半导体本体，在其它部位杂质离子则被半导体在其它部位杂质离子则被半导体 上面的保护层屏蔽。上面的保护层屏蔽。 通过通过测量离子电流测量离子电流可严格可严格控制剂量。控制剂量。 通过通过控制静电场控制静电场可以可以控制杂质控制杂质离子的离子的穿透深度穿透深度。 8 退火处理退火处理 通常，通常，离子注入的深度较浅且浓度较大，离子注入的深度较浅且浓度较大， 必须使它们重新分布必须使它们重新分布。同时同时由于高能粒子的撞由于高能粒

7、子的撞 击，导致硅结构的击，导致硅结构的晶格发生损伤晶格发生损伤。 为恢复晶格损伤，为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行在离子注入后要进行 退火处理。退火处理。在退火的同时，掺入的杂质同在退火的同时，掺入的杂质同 时向半导体体内进行时向半导体体内进行再分布再分布。 9 5.2 5.2 离子注入原理离子注入原理 在离子注入的设备中，在离子注入的设备中，用用“等离子体发生器等离子体发生器” 来制造工艺所要注入的离子来制造工艺所要注入的离子。 因为离子带电荷，可以用加速场进行加速，并因为离子带电荷，可以用加速场进行加速，并 且借助于磁场来改变离子的运动方向。且借助于磁场来改变离子的运动方向。 10 n

8、当具有高能量的离子注入到固体靶面以后，这些当具有高能量的离子注入到固体靶面以后，这些 高能粒子将与固体靶面的原子与电子进行多次碰高能粒子将与固体靶面的原子与电子进行多次碰 撞，撞，这些碰撞将逐步削弱粒子的能量，最后由于这些碰撞将逐步削弱粒子的能量，最后由于 能量消失而停止运动，形成一定的杂质分布。能量消失而停止运动，形成一定的杂质分布。 n离子在硅体内的离子在硅体内的注入深度和分布状态注入深度和分布状态与射入时所与射入时所 加的加的电场强度、离子剂量、衬底晶向电场强度、离子剂量、衬底晶向等有关等有关 11 n通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下，通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下， 注入

9、的深度将随电场的强度增加而增加。注入的深度将随电场的强度增加而增加。 n用离子注入法形成的分布，其用离子注入法形成的分布，其浓度最大值浓度最大值不在不在 硅片表面，而是在深入硅体一定距离。这段距硅片表面，而是在深入硅体一定距离。这段距 离大小与注入粒子能量、离子类型等有关离大小与注入粒子能量、离子类型等有关。 12 离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应 沟道效应（沟道效应（Channeling effect） 当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运 动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变，动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变， 可以走

10、得很远。可以走得很远。 离子注入的杂质分布还离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系与衬底晶向有关系。 13 沿沿 轴的硅晶格视图轴的硅晶格视图 Used with permission from Edgard Torres Designs Figure 17.28 14 110 111 100 倾斜旋转硅片后的无序方向倾斜旋转硅片后的无序方向 15 沟道效应的存在，将使得对注入离子在深沟道效应的存在，将使得对注入离子在深 度上难以控制，度上难以控制，尤其对大规模集成电路制尤其对大规模集成电路制 造更带来麻烦。如造更带来麻烦。如MOS器件的结深通常只器件的结深通常只 有有0.4um左右，有了这种沟

11、道效应万一注入左右，有了这种沟道效应万一注入 距离超过了预期的深度，就使元器件失效。距离超过了预期的深度，就使元器件失效。 因此，因此，在离子注入时，要考虑到这种沟道在离子注入时，要考虑到这种沟道 效应效应，也就是说要，也就是说要抑止这种现象的产生。抑止这种现象的产生。 16 目前常用的解决方法有三种目前常用的解决方法有三种 n （1 1）是将硅片相对注入的离子运动方向倾）是将硅片相对注入的离子运动方向倾 斜一个角度，斜一个角度，7 7度左右最佳；度左右最佳； n （2 2）是对硅片表面铺上一层非结晶系的）是对硅片表面铺上一层非结晶系的 材料，使入射的注入离子在进入硅片衬底之前，材料，使入射的

12、注入离子在进入硅片衬底之前， 在非结晶层里与无固定排列方式的非结晶系原在非结晶层里与无固定排列方式的非结晶系原 子产生碰撞而散射，这样可以减弱沟道效应；子产生碰撞而散射，这样可以减弱沟道效应； （表面用表面用SiO2层掩膜层掩膜） 减少沟道效应的措施减少沟道效应的措施 How can we form ultrashallow junction in todays CMOS devices? 17 n （3 3）是用）是用Si, Ge, F, ArSi, Ge, F, Ar等离子对硅片表面先进等离子对硅片表面先进 行一次离子注入，使表面预非晶化，形成非晶层行一次离子注入，使表面预非晶化，形成非晶

13、层 (Pre-amorphization)(Pre-amorphization) 然后进入离子注入。然后进入离子注入。 n 这三种方法都是利用增加注入离子与其他原子碰这三种方法都是利用增加注入离子与其他原子碰 撞来降低沟道效应。工业上常用前两种方法。撞来降低沟道效应。工业上常用前两种方法。 18 Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side 5.35.3离子注入设备离子注入设备 19 离子注入机分类离子注入机分类 离子注入机按能量高低分为：离子注入机按能量高低分为： 低能离子注入机低能离

14、子注入机 中能离子注入机中能离子注入机 高能离子注入机高能离子注入机 兆能离子注入机兆能离子注入机 离子注入机按束流大小分为：离子注入机按束流大小分为： 小束流离子注入机小束流离子注入机 中束流离子注入机中束流离子注入机 强流离子注入机强流离子注入机 超强流离子注入机超强流离子注入机 20 离子注入系统的组成离子注入系统的组成 n离子源离子源 （Ion Source) n磁分析器磁分析器 (Magnetic analyzer) n加速管加速管 （Accelerator) n聚焦和扫描系统聚焦和扫描系统 (Focus and Scan system) n工 艺 腔工 艺 腔 ( 靶 室 和 后

15、台 处 理 系 统靶 室 和 后 台 处 理 系 统 T a r g e t Assembly) 21 离子源离子源 分析磁体分析磁体 加速管加速管 粒子束粒子束 等离子体等离子体 工艺腔工艺腔 吸出组件吸出组件 扫描盘扫描盘 从从离子源引出的离子离子源引出的离子经过经过磁分析器选择出需要的离子磁分析器选择出需要的离子， 分析后的分析后的离子加速离子加速以提高离子的能量，再经过以提高离子的能量，再经过两维偏转两维偏转 扫描器扫描器使离子束均匀的注入到材料表面，用电荷积分仪使离子束均匀的注入到材料表面，用电荷积分仪 可精确的测量注入可精确的测量注入离子的数量离子的数量，调节注入离子的能量可，调节

16、注入离子的能量可 精确的控制离子的精确的控制离子的注入深度注入深度。 22 a）离子源）离子源 源源 在半导体应用中，为了操作方便，在半导体应用中，为了操作方便， 一般采用气体源，如一般采用气体源，如BF3,BCl3,PH3,ASH3等等 如用固体或液体做源材料，一般先加热，如用固体或液体做源材料，一般先加热， 得到它们的蒸汽得到它们的蒸汽，再导入放电区。，再导入放电区。 离子注入系统的组成离子注入系统的组成 23 注入材料形态选择注入材料形态选择 材料气态固态 硼BF3- 磷PH3红磷 砷AsH3固态砷，As2O3 锑Sb2O3 24 离子源（离子源（Ion Source) 用来产生离子的装

17、置。用来产生离子的装置。 原理是原理是利用灯丝利用灯丝(filament)发出的发出的自由电子自由电子在在 电磁场作用下，获得足够的能量后电磁场作用下，获得足够的能量后撞击分子或撞击分子或 原子，使它们电离成离子原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出，由，再经吸极吸出，由 初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器 25 b)b)质量分析器（磁分析器质量分析器（磁分析器magnet analyzer)magnet analyzer) 利用利用不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的 不同将离子分离不同将离子分离，选出所需的杂质离子。选出所需的

18、杂质离子。被被 选离子束通过可变狭缝，进入加速管。选离子束通过可变狭缝，进入加速管。 26 分析磁体分析磁体 石磨 离子源 分析磁体 粒子束 吸出 组件 较轻离子 重离子 中性离子 27 磁分析器的原理是利用磁场中运动的带电磁分析器的原理是利用磁场中运动的带电 粒子所受洛仑兹力的偏转作用。在带电粒粒子所受洛仑兹力的偏转作用。在带电粒 子速度垂直于均匀磁场的情况下，洛仑兹力子速度垂直于均匀磁场的情况下，洛仑兹力 可用下式表示可用下式表示 这里这里v是离子速度，是离子速度，q是离子电荷，是离子电荷，M是离子质量，是离子质量， B是磁场强度，是磁场强度，r是离子圆周运动的半径是离子圆周运动的半径 q

19、vB r Mv 2 (7-1) 28 这里这里Vext是吸极电压。是吸极电压。 M qV M E v ext 22 (7-2) 从等式从等式(7-1)和和(7-2)可以得到可以得到 ext V q M BqB Mv r2 1 (7-3) 29 c)c)加速管加速管(Acceleration tube)(Acceleration tube) 经过质量分析器出来的离子束，还要经过加速运动，经过质量分析器出来的离子束，还要经过加速运动， 才能打到硅片内部去。才能打到硅片内部去。 离子经过加速电极后，在静电场作用下加速到所需的能量离子经过加速电极后，在静电场作用下加速到所需的能量。 30 高能注入机的

20、线形加速器高能注入机的线形加速器 源 原子质量 分析磁体 线形加速器 最终能量 分析磁体 扫描盘 硅片 Figure 17.17 31 d)聚焦和扫描系统聚焦和扫描系统 (deflection and scanning ) 离子束离开加速管后进入控制区，先由静电聚焦透离子束离开加速管后进入控制区，先由静电聚焦透 镜使其聚焦。再进行镜使其聚焦。再进行x-y两个方向扫描，然后进入偏两个方向扫描，然后进入偏 转系统，束流被偏转注到靶上。转系统，束流被偏转注到靶上。 扫描是为了保证注入均匀性扫描是为了保证注入均匀性 32 扫描系统扫描系统 e)工艺腔工艺腔 包括真空排气系统包括真空排气系统,装卸硅片的

21、终端台装卸硅片的终端台,硅片传输系硅片传输系 统和计算机控制系统。统和计算机控制系统。 33 离子注入机的终端口离子注入机的终端口 Photograph provided courtesy of International SEMATECH Photo 17.3 34 离子注入过程演示离子注入过程演示 35 n离子注入中需控制以下工艺参数离子注入中需控制以下工艺参数 n1.剂量剂量(Q)：单位面积硅片表面注入的离子数：单位面积硅片表面注入的离子数 (cm-2) QIt/enA，其中其中I为束流为束流(安培安培)；t为注入时间；为注入时间； e为电子电荷，为为电子电荷，为1.610-19库仑；库

22、仑；n为离子电为离子电 荷数；荷数；A为注入面积。为注入面积。 n离子束电流是定义剂量的一个关键变量。大电离子束电流是定义剂量的一个关键变量。大电 流有利于提高硅片产量。流有利于提高硅片产量。 n通过控制剂量来控制掺杂浓度通过控制剂量来控制掺杂浓度 5.4离子注入的两个参数离子注入的两个参数 36 离子注入参数离子注入参数 n2.能量能量：离子在加速器中加速获得动能：离子在加速器中加速获得动能(KE)， 一般用电子电荷与电势差表示，单位为电子伏一般用电子电荷与电势差表示，单位为电子伏 (ev)。 nKEnV，n为离子的电荷状态，为离子的电荷状态，V为电势差。为电势差。 n注入机的能量越高，注入

23、硅片越深，射程越大。注入机的能量越高，注入硅片越深，射程越大。 37 有关射程的概念有关射程的概念 Rp：标准标准偏差（偏差（Straggling），），投影射程的平均偏差投影射程的平均偏差 R ：横向横向标准标准偏差（偏差（Traverse straggling）, 垂直于入射方向垂直于入射方向 平面上的标准偏差。平面上的标准偏差。 射程分布射程分布：平均投影射：平均投影射 程程Rp，标准偏差，标准偏差 Rp， 横向标准偏差横向标准偏差 R R：射程（：射程（range） 离子离子 在靶内的总路线长度在靶内的总路线长度 Rp（Xp）：投影射程：投影射程 （projected range） R

24、 在入射方向上的投影在入射方向上的投影 38 注入离子如何在体内静止？注入离子如何在体内静止？ LSS理论理论对在对在非晶靶非晶靶中注入离子的射程分布的研究中注入离子的射程分布的研究 n1963年，年，Lindhard, Scharff and Schiott首先确立了注入首先确立了注入 离子在靶内分布理论，简称离子在靶内分布理论，简称 LSS理论理论。 n该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独 立的过程立的过程 (1) 核阻止核阻止/碰撞（碰撞（nuclear stopping） (2) 电子阻止电子阻止/碰撞碰撞 （electr

25、onic stopping） n总能量损失为两者的和总能量损失为两者的和 39 核阻止本领与电子阻止本领核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论理论 阻止本领（阻止本领（stopping power）：材料中注入离子的能量损失大小：材料中注入离子的能量损失大小 单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量 (Sn(E), Se(E) )。 q核阻止本领核阻止本领：来自靶：来自靶原子核原子核的阻止，经典两体碰撞理论。的阻止，经典两体碰撞理论。 q电子阻止本领电子阻止本领：来自靶内：来自靶内自由电子和束缚电子自由电子和束缚电子的阻止。的阻止。 4

26、0 41 42 注入杂质能量损失注入杂质能量损失 SiSiSiSiSiSi SiSiSiSiSiSi SiSiSiSiSiSi SiSiSiSiSi Si X-射线 电子碰撞 原子碰撞 被移动的硅原子 携能杂 质离子 硅晶格 43 ESESN dx dE en -dE/dx：能量随距离损失的平均速率：能量随距离损失的平均速率 E：注入离子在其运动路程上任一点：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量处的能量 Sn(E)：核阻止本领：核阻止本领/截面截面 (eVcm2) Se(E)：电子阻止本领：电子阻止本领/截面（截面（eVcm2) N: 靶原子密度靶原子密度 5 1022 cm-3 for S

27、i e e n n dx dE N ES dx dE N ES 1 , 1 LSS理论理论 能量能量E的函数的函数 能量为能量为E的的 入射粒子在入射粒子在 密度为密度为N的的 靶内走过靶内走过x 距离后损失距离后损失 的能量的能量 44 总阻止本领（总阻止本领（Total stopping power） v核阻止本领在低能量下起主要作用（核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端注入分布的尾端） v电子阻止本领在高能量下起主要作用电子阻止本领在高能量下起主要作用 核阻止和电核阻止和电 子阻止相等子阻止相等 的能量的能量 45 离子离子 E2 B 17 keV P 150 keV As,

28、Sb 500 keV n n n e 46 表面处晶格表面处晶格 损伤较小损伤较小 射程终点（射程终点（EOR） 处晶格损伤大处晶格损伤大 47 注入离子的浓度分布注入离子的浓度分布 在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶 内的纵向浓度分布可近似取内的纵向浓度分布可近似取高斯函数高斯函数形式形式 2 2 1 exp p p P R Rx CxC 200 keV 注入注入 元素元素 原子质量原子质量 Sb 122 As 74 P 31 B 11 Cp 48 ppC RdxxCQ 2 Q：为离子注入剂量（：为离子注入剂量（Dose）, 单位为单位为

29、 ions/cm2，可以，可以 从测量积分束流得到从测量积分束流得到 2 2 exp 2 )( p p p R Rx R Q xC p p P R Q R Q C 4 . 0 2 由由 ， 可以得到：可以得到： 49 注入掩蔽层注入掩蔽层掩蔽层应该多厚？掩蔽层应该多厚？ B m Pm C R Rx CxC P P 2 * 2 * * 2 exp)(* 如果要求掩膜层能完全阻挡离子如果要求掩膜层能完全阻挡离子 xm为恰好能够完全阻挡离子的为恰好能够完全阻挡离子的 掩膜厚度掩膜厚度 Rp*为离子在掩蔽层中的平均为离子在掩蔽层中的平均 射程，射程， Rp*为离子在掩蔽层中为离子在掩蔽层中 的射程标准

30、偏差的射程标准偏差 50 * * * ln2 PP B P PPm RmR C C RRx 解出所需的掩膜层厚度：解出所需的掩膜层厚度： 穿过掩膜层的剂量：穿过掩膜层的剂量： * * 2 * * * 2 erfc 22 1 exp 2 p Pm x p P p P R RxQ dx R Rx R Q Q m 余误差函数余误差函数 51 离子注入退火后的杂质分布离子注入退火后的杂质分布 Dt x Dt Q txC 4 exp 2 , 2 2 2 exp 2 p p p R Rx R Q xC 00 2 2 )( tD R p DtR Rx DtR Q txC P P P 22 exp 22 ,

31、2 2 2 Dt D0t0Dt 一个高斯分布在退火后一个高斯分布在退火后 仍然是高斯分布，其标仍然是高斯分布，其标 准偏差和峰值浓度发生准偏差和峰值浓度发生 改变。改变。 52 离子注入小结：离子注入小结： (1) 注入离子在靶内的纵向浓度分布可注入离子在靶内的纵向浓度分布可 近似取高斯函数形式近似取高斯函数形式 (2) 在平均投影射程在平均投影射程 x=Rp 处有一最高处有一最高 浓度，最大浓度与注入剂量关系浓度，最大浓度与注入剂量关系 (3) 平均投影射程两边，注入离子浓度平均投影射程两边，注入离子浓度 对称地下降。离平均投影射程越远，对称地下降。离平均投影射程越远， 浓度越低。浓度越低。

32、 p p p R Q R Q C 4 . 0 2 2 2 1 exp p p p R Rx CxC 53 晶格损伤晶格损伤:高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞碰撞， 可能使靶原子发生可能使靶原子发生位移位移，被位移原子还可能把能量依次传，被位移原子还可能把能量依次传 给其它原子，结果产生一系列的给其它原子，结果产生一系列的空位间隙原子对空位间隙原子对及其它及其它 类型晶格无序的分布。这种类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简单或因为离子注入所引起的简单或 复杂的缺陷统称为晶格损伤复杂的缺陷统称为晶格损伤。 什么是注入损伤什么是注入损伤(晶格损伤

33、晶格损伤) 非晶化非晶化(Amorphization) q注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完 全破坏变为无序的非晶区。全破坏变为无序的非晶区。 54 损伤的产生损伤的产生 n移位原子移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。：因碰撞而离开晶格位置的原子。 n移位阈能移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移：使一个处于平衡位置的原子发生移 位，所需的最小能量位，所需的最小能量. (对于硅原子对于硅原子, Ed 15eV) n注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子 的过程，称为的过程，称为能量传递过程能量传

34、递过程 55 注入离子与靶内原子碰撞时，可能出注入离子与靶内原子碰撞时，可能出 现现3种情况：种情况： n碰撞过程传递的能量碰撞过程传递的能量小于小于Ed，不会有移位原，不会有移位原 子产生。子产生。 n碰撞过程传递的能量碰撞过程传递的能量大于大于Ed而小于而小于2 Ed,产生产生 一个移位原子，一个空位。此移位原子不会使一个移位原子，一个空位。此移位原子不会使 与它碰撞的原子移位与它碰撞的原子移位 n大于大于2 Ed后后，产生的移位原子还会使与它碰撞，产生的移位原子还会使与它碰撞 的原子移位，增加移位原子的数目。的原子移位，增加移位原子的数目。 56 移位原子的估算移位原子的估算 v估算一个

35、以起始能量估算一个以起始能量E0入射的离子，在碰撞过程入射的离子，在碰撞过程 中可以使靶内原子移位的数目中可以使靶内原子移位的数目N(E)为为 d E E EN 2 )( 0 57 非晶化（非晶化（Amorphization） q注入离子引起的晶格损伤有注入离子引起的晶格损伤有 可能使晶体结构完全破坏变可能使晶体结构完全破坏变 为无序的非晶区。为无序的非晶区。 q与注入剂量的关系与注入剂量的关系 q注入剂量越大，晶格损伤注入剂量越大，晶格损伤 越严重。越严重。 q临界剂量：使晶格完全无临界剂量：使晶格完全无 序的剂量。序的剂量。 q临界剂量和注入离子的质临界剂量和注入离子的质 量有关量有关 5

36、8 损伤的去除退火损伤的去除退火 n损伤对电特性影响损伤对电特性影响 * 注入杂质不在替代位置载流子浓度低注入杂质不在替代位置载流子浓度低 * 晶格缺陷多散设中心多载流子迁移率低，寿晶格缺陷多散设中心多载流子迁移率低，寿 命低命低pn结漏电结漏电 n退火的作用退火的作用 * 高温下原子发生振动，重新定位或发生再结晶高温下原子发生振动，重新定位或发生再结晶 （固相外延），使（固相外延），使晶格损伤恢复晶格损伤恢复 * 杂质原子从间隙状态转变为替位状态，成为受主杂质原子从间隙状态转变为替位状态，成为受主 或施主中心或施主中心电激活电激活 *恢复电子和空穴迁移率恢复电子和空穴迁移率 注意：退火过程中

37、应避免大幅度的杂质再分布注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布 59 硅单晶的退火硅单晶的退火 修复硅晶格结构 并激活杂质硅键 b) 退火后的硅晶格a) 注入过程中损伤的硅晶格 粒子束 60 a) 高温炉退火高温炉退火 ：传统的退火方式，传统的退火方式，一定温度下，一定温度下， 通通Ar、N2或或 在真空条件下在真空条件下 *方法简单方法简单 * 不能全部消除缺陷不能全部消除缺陷 * 对高剂量注入激活率不够高对高剂量注入激活率不够高 * 杂质再分布杂质再分布 退火分类退火分类 61 b）快速热退火）快速热退火 （RTA: Rapid Thermal Annealing ） n用极快的升温和在

38、目标温度用极快的升温和在目标温度( (一般是一般是1000 )1000 )短暂的短暂的 持续时间对硅片进行处理。注入硅片的退火通常在通持续时间对硅片进行处理。注入硅片的退火通常在通 入入ArAr或或N N2 2的的快速热处理机快速热处理机(RTP)(RTP)中进行。中进行。 n快速的升温过程和短暂的持续时间能够在晶格缺陷的快速的升温过程和短暂的持续时间能够在晶格缺陷的 修复、激活杂质和最小化杂质扩散三者之间取得优化。修复、激活杂质和最小化杂质扩散三者之间取得优化。 nRTP主要优点是主要优点是掺杂的再分布大大降低，对制备浅掺杂的再分布大大降低，对制备浅 结器件特别有利结器件特别有利 62 。高

39、功率激光束辐照。高功率激光束辐照 。电子束。电子束 。高强度的光照。高强度的光照 。其它辐射。其它辐射 快速热退火，快速热退火， Rapid Thermal Processing（RTP） 63 64 离子注入在工艺集成中的发展趋势离子注入在工艺集成中的发展趋势 不同注入工艺的实例不同注入工艺的实例 n深埋层深埋层 n倒掺杂阱倒掺杂阱 n穿通阻挡层穿通阻挡层 n阈值电压调整阈值电压调整 n轻掺杂漏区轻掺杂漏区 (LDD) n源漏注入源漏注入 n多晶硅栅多晶硅栅 n沟槽电容器沟槽电容器 n超浅结超浅结 n绝缘体上硅绝缘体上硅 (SOI) 65 注入埋层注入埋层 n-wellp-well p Ep

40、i layer p+ Silicon substrate p+ Buried layer 倒掺杂阱倒掺杂阱 应用埋层的一个重要原因是应用埋层的一个重要原因是控制控制CMOS电路中的闭电路中的闭 锁效应。锁效应。当寄生的晶体管导致器件意外开启时，就当寄生的晶体管导致器件意外开启时，就 会发生闭锁效应。它能导致芯片的完全失效。会发生闭锁效应。它能导致芯片的完全失效。 闭锁效应在硅片制造阶段用硅片外延的方法或用大闭锁效应在硅片制造阶段用硅片外延的方法或用大 剂量离子注入形成埋层进行控制剂量离子注入形成埋层进行控制 66 倒掺杂阱倒掺杂阱 n-wellp-well p+ 埋层 p+ Silicon s

41、ubstrate N杂质p-type dopant p+n+ 倒掺杂阱是指注入杂质浓度的峰值在硅片表面倒掺杂阱是指注入杂质浓度的峰值在硅片表面 下一定深度处，改进了晶体管下一定深度处，改进了晶体管抵抗闭锁效应和抵抗闭锁效应和 穿通的能力穿通的能力 67 防止穿通防止穿通 n-wellp-well p+ Buried layer p+ Silicon substrate n-type dopantp-type dopant p+ p+ n+ n+ 68 阈值电压调整的注入阈值电压调整的注入 n-well p-well p+ Buried layer p+ Silicon substrate n-

42、type dopantp-type dopant p+ p+ p n+ n+ n 69 源漏区形成源漏区形成 + + + + + + +- - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - n-wellp-well p+ Buried layer p+ Silicon substrate p+ S/D implantn+ S/D implant 侧墙 氧化 硅 DrainSourceDrainSource b) p+ 和n+ 源漏注入 (分两步进行) + + + + + + +- - - - - - - - - n-wellp-well p+ Buried layer p+ Silicon substrate p-channel transistor p LDD implant n-channel transistor n LDD implant Drain SourceDrain Source 多晶 硅栅 a) p 和n 轻掺杂源漏注入 (分两步进行) 70 沟槽电容器的垂直侧墙上杂质注入沟槽电容器的垂直侧墙上杂质注入 n+ dopant n+ p+ 倾斜注入 形成电容器的沟槽 71 超超 浅浅 结结 180 nm 20 栅氧化层厚度 54 nm 砷注入层