离子注入和快速退火工艺

1、离子注入和快速退火工艺离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程。注入能量介于1keV到1Me之间，注入深度平均可达10nm10um离子剂量变动范围从用于阈 值电压调整的1012/cm3到形成绝缘层的1018/cm3。相对于扩散工艺，离子注入的 主要好处在于能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。高能的离子由于与衬底中电子和原子核的碰撞而失去能量，最后停在晶格内某一深度。平均深度由于调整加速能量来控制。 杂质剂量可由注入时监控离子电 流来控制。主要副作用是离子碰撞引起的半导体晶格断裂或损伤。因此，后续的退化处理用来去除这些损伤。mito0 U f 弟蚩在曲片工艺輕屮館丛片

2、AliwkvhnUh ib ijdi 中 设并地捉和束阖套. '壬三芝兰和嗣抿 申准聚利舅干 n車阀控路桎r 40 kV阳7 2中筍能凤周于注人机班理圏1 离子分布M离子射程兄及投鏗射程给的示总图一个离子在停止前所经过的总距离，称为射程 R。此距离在入射轴方向上的投影称为投影射程Rp投影射程的统计涨落称为投影偏差c p。沿着入射轴的垂 直的方向上亦有一统计涨落，称为横向偏差c丄。f?(x)= texp-J"。，下图显示了离子分布，沿着入射轴所注入的杂质分布可以用一个高斯分布函 数来近似：S为单位面积的离子注入剂量，此式等同于恒定掺杂总量扩散关系式。沿x轴移动了一个Rp。回忆公

3、式:对于扩散，最大浓度为x = 0;对于离子注入，位于Rp处。在(x Rp)=± (T p处，离子浓度比其峰值降低了 40%在土 2 c p处则将为10%在土 3 c p处为1% 在土 4 c p处将为0.001%沿着垂直于入射轴的方向上，其分布亦为高斯分布，可 用：表示。因为这种形式的分布也会参数某些横向注入。2 离子中止使荷能离子进入半导体衬底后静止有两种机制。一是离子能量传给衬底原子核，是入射离子偏转，也使原子核从格点移出。设E是离子位于其运动路径上某点x处的能量，定义核原子中止能力：dEctx二是入射离子与衬底原子的电子云相互作用，通过库仑作用，离子与电子碰撞失去能量，电子则

4、被激发至高能级或脱离原子。定义电子中止能力：ax离子能量随距离的平均损耗可由上述两种阻止机制的叠加而得：芈*伍) + 5")ax如果一个离子在停下来之前，所经过的总距离为 R,则尺二r心rJd JoE0为初始离子能量，R为射程。核阻止过程可以看成是一个入射离子硬球与衬底核硬球之间的弹性碰撞M1其中系数ke是原子质量和原子序数的弱相关函数。 硅的ke值107(eV)1/2/cm 砷化傢的ke值为3X 107(eV)1/2/cm离子中止两种机制：疋离子能量传给衬底原子核，疋入射离子偏转，也使原子核从格点移出。二是入射离子与衬底原子的电子云相互作用， 通过库仑作用, 离子与电子碰撞失去能量

5、，电子则被激发至高能级或脱离原子。O静陆之殳感离/-Z.于r硅晶俸岛格弘氮®® ® ® ®睡子丈觎撞MW MM *阪人卯寓于fil!量tke¥用-5*.3*于的拽中止曜打EfEhFiL亍中I卜训力电子式罐扌电硅中电子中止能力如虚线所示，交叉能量点是Sn(E)=Se(E)。一旦Sn(E)和Se(E)已知，可计算处射程范围。可以用下述近似方程式来求得投影射程与投影:倉SirLz-i:PAaAiIlli lliilli i 1 I iidl1 t 1 1 llllli一耳7L1fJi l ill. iis-r1 4 I h 11 ilL10

6、10Q1000人射稱子能耐 V)入时离于堆屋(kvVlB, P和Az止吐中$的段嚣肘程、(町H、Zc和T?在辟比卑中的flt总射投匿18逆和損向M蛙程、找燃情咤和慣向值苑偏差:投越射程"投議側爹和横向*J$tt校3 离子注入的沟道效应前述高斯分布的投影射程及投影的标准偏差能很好地说明非晶硅或小晶粒 多晶硅衬底的注入离子分布。只要离子束方向偏离低指数晶向111，硅和砷化傢中的分布状态就如在非晶半导体中一样。 在此情况下，靠近峰值处的实际杂质 分布，可用“高斯分布函数”来表示，即使延伸到低于峰值一至两个数量级处也 一样，这表示在下图中。然而即使只偏离111晶向7度，仍会有一个随距离而成

7、指数级exp(-x/入)变化的尾区，其中入的典型的数量级为 0.1um。衬底定位时有意偏离晶向情况下的杂质分布。 离子束从111!由偏离7度入射。卯-入插歎井布的站區仙keVTgsfclJ,TLi1100.!U.4U.6D.8怪I 7-7IB崔位时冇驗倔离岛向册况下的杂质分布，图中离子車人射方向恫高门1"柚V 1指数型尾区与离子注入沟道效应有关，当入射离子对准一个主要的晶向 并被导向在各排列晶体原子之间时，沟道效应就会发生。图为沿<110>方向观测金刚石晶格的示意图。离子沿<110>方向入射，因为它与靶原子较远，使它在和 核碰撞时不会损伤大量能量。对沟道离子来

8、说，唯一的能量损伤机制是电子阻止， 因此沟道离子的射程可以比在非晶硅靶中大得多。4 离子进入的角度及通道<100> <110> <111>沟道效应降低的技巧1、覆盖一层非晶体的表面层、将硅芯片转向或在硅芯片表面制造一个损伤的表层。常用的覆盖层非晶体材料只是一层薄的氧化层图(a)，此层可使离子束的方向随机化，使离子以不同角度进入硅芯片而不直接进入硅晶体沟道。2、将硅芯片偏离主平面5-10度，也能有防止离子进入沟道的效果图(b) 此方法大部分的注入机器将硅芯片倾斜 7度并从平边扭转22度以防止沟道效应。3、先注入大量硅或锗原子以破坏硅芯片表面，可在硅芯片表面产生

9、一个随 机层图(c),这种方法需使用昂贵的离子注入机。5)经过I卜品体讥代圧的注入(b)平对准他轴的入射(O在和HL汀:的预先刪离子注入离十注入离子注入5 注入损伤与退火离子注入中，与原子核碰撞后转移足够的能量给晶格， 使基质原子离开晶格 位置而造成注入损伤（晶格无序）。这些离位的在也许获得入射能量的大部分， 接着如骨牌效应导致邻近原子的相继移位而形成一个沿着离子路径的树枝状的 无序区。当单位体积内移位的原子数接近半导体的原子密度时，单晶材料便成为非晶材料。轻离子的树枝状的无序区不同于重离子。 轻离子（11B+）大多数的能量损伤 起因于电子碰撞，这并不导致晶格损伤。离子的能量会减低至交叉点能量

10、， 而在 那里核阻止会成为主导。因此，晶格无序发生在离子最终的位置附近。如下图（a） 所示。重离子的能量损失主要是原子核碰撞，因此预期有大量的损伤。如下图（b） 所示。要估计将单晶转变为非晶材料所需的能量，可以利用一个判据，即认为注入量应该与融化材料所需的能量密度 （1021keV/cm3）在数量级上相同。对于100keV 的砷离子来说，形成非晶硅所需的剂量为吐£也心肘个离子皿 Eq6 退火由于离子注入所造成的损伤区及畸形团，使迁移率和寿命等半导体参数受到 影响。此外，大部分的离子在被注入时并不位于置换位置。 为激活被注入的离子 并恢复迁移率与其它材料参数，必须在适当的时间与温度下将

11、半导体退火。传统退火炉使用类似热氧化的整批式开放炉管系统。需要长时间和高温来消 除注入损伤。但会造成大量杂质扩散而无法符合浅结及窄杂质分布的需求。快速热退火（RTA是一种采用各种能源、退火时间范围很宽（100s到纳秒） 的退火工艺。RT柯以在最小的杂质再分布情况下完全激活杂质。退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、 氩等高纯气体的保护下， 经过适当时间的热处理，部分或全部消除硅片中的损伤，少数载流子的寿命及迁移率也会不同程度 的得到恢复， 电激活掺入的杂质分为普通热退火、硼的退火特性、磷的退火特性、扩散效应、快速退火 普通热退火：退火时间通常为15-30min，使用通常的扩散炉，在真空或

12、 氮、氩等气体的保护下对衬底作退火处理。缺点：清除缺陷不完全，注入 杂质激活不高，退火温度高、时间长，导致杂质再分布。7硼与磷的传统退火退火的特性与掺杂种类及所含剂量有关bUO205.硝乍唄目mi. “d. I 山 ujzl“i+Li. hmm.IO17to"io14肿10'*刑童信子盛心119闺mi鸵摊的唧和肃雋于融加活剧胃的it火卫ta为注人的天瘵'硼的退火特性1 区单调上升：点缺陷、陷井缺陷消除、自由载流子增加2 区出现反退火特性：代位硼减少，淀积在位错上3 区单调上升剂量越大，所需退火温度越高。1.0确的送火特it團中绐出酌是竝禽子曲SOkeVfif能量和三个

13、不同剂星注入睚中的退火特性-如阴所示可以把退火遍度分为三个医域.0.1IWlOkeVfflTs-25C ti=30mijinixHZQiXJl00 500 600700 800 900 10COTACC)磷的退火特性杂质浓度达1015以上时出现无定形硅退火温度达到600C800C-5小呂10040240D斜I产醐:EDDT心SCkeVM ls-2J*C i- iTiliiEOJ 320下空不同蒯扯第况下自缺流子虽与剂扭之比*冃兩 于逞畑曲c Ta j的兵求色3a*2r KL±-izs= E4JI«EFI X-1S 由左点总內某一IZWH趺闊-在虽4一盯-夕証茸土上祐在阿诽驛

14、商 同时柴生，册FSNU面熾刘”吋魅臥畀iS迂塢生叵手込0己 也熟田一1-14.、席林缶耳无定形无足形热退火问题：简单、价廉激活率不咼产生二次缺陷，杆状位错。位错环、层错、位错网加剧 扩散效应：旷散放应热退火的温曼与卿扩敵町的剧訂耻G曼低偉冬h徂 是 > 对于汪入区的殘底 > 即使Sbtlh的ifi度卜杂财r 故也皋菲席显者的-这是因対9玦篙子所喳感罰晶格損怪， 梗堆内的空伍巒度E热半葡町晶俸中审空应罄僅要丸禅罢. 另外，由于出子生入崔便品外内疔世天塑的间撕原子般 帕陪，这些都兰便扩敵累蛾増犬，H散皴理埠强.因此 疽射也称*噬火过程屮的罗議为増强H散-H谍退火晶片満足半尢国天条件则

15、注心盛经叫 后在靶网附片布仍建是高斯圍埜，但标惟偏差雯扫阴修止.分布函数的表这式为；-1工-' X应4加P“八“严闆站宀貳中的扩敞亲輕D,比相霞J£下M中的扩敢揺妥 丈几倍甚至几十倍I诃且-不同衽人区旳箭衍平同 >备匙 的拼散OD也有馆大的差克.8快速热退火一个具有瞬间光加热的快速热退火系统表为传统炉管与RTAJ术的比较。为获得较短的工艺时间，需在温度和工艺 的不均匀性、温度测量与控制、硅芯片的应力与产率间作取舍。抉逢退犬快速退火可以分为：瀏光退火*电子束退火、冨子束退火、非相干光退火等等。 苴退火时间在10_11-10冬之间”亦称瞬霑退火.忧曲；先熔化，再结晶时间快.

16、杂虎朿不卫扩散RHT设备采用清竿大字说电子所发明的红外光快速昭理技术诩技菇素用 恵圾感应加规石英腔內的高现度石墨作対红外辐射迩源，便品片在石爰腔内迅速 升温通常约三秒可达I00FX而在抑热区外迅遼降温-该设备具有升温快加 热均匀 > 热处理后晶片不变形等忧点表41 技术比较决定圍累常规退火炉技术快谨热迫火技术加工形式分fit式邀片式炉况热壁冷壁加热谨率低猫环周期短温度监测炉阳片热戲计議高低尘埃问题存在廉小化均匀性和垂垠性低生产救率髙低9注入相关工艺多次注入及掩蔽在许多应用中，除了简单的高斯分布外其它的杂质分布也是需要的。例如硅 内预先注入惰性离子，使表面变成非晶。此方法使杂质分布能准确地

17、控制， 且近 乎百分百的杂质在低温下激活。在此情况下，深层的非晶体层是必须，为了得到 这种区域，必须要做一系列不同能量与剂量的注入（多次注入）。多次注入如下图所示，用于形成一平坦的杂质分布。为了要在半导体衬底中预先选择的区域里形成 p-n结，注入时需要一层合适 的掩蔽层。此层要阻止一定比例的入射离子其最小厚度可从离子的射程参数来求 得。在某一深度d之后的注入量对回忆式积分可得：卜心）=穿越深度d的剂量的百分比可由穿透系数 T求得:一旦得到了 T,对任一恒定的Rpffic p来说，都可以求得掩蔽层厚度d,对SiO2、 Si3N4与抗蚀剂来说，要阻挡99.99%的入射离子（T= 10-4）所需的d

18、值如下图所 示。图中内插图显示了在掩蔽材料内的注入物的分布。0,0 J 1toLOO1000E (keV)图卜M 掩蟆救率为舲 朋轴时,碍（一J.SiaNa'和光致抗I*剧f）的小厚度"10倾斜角度离子注入当器件缩小到亚微米尺寸时，将杂质分布垂直方向也缩写是很重要的。 现代 器件结构如轻掺杂漏极（LDD ，需要在纵向和横向上精确控制杂质分布。垂直 于表面的离子速度决定注入分布的投影射程。如果硅芯片相对于离子束倾斜了一 个很大的角度，则等效离子能量将大为减少。在倾斜角度离子注入时，需考虑硅芯片上掩蔽图案的阴影效应。较小的倾斜 角度导致一个小阴影区。女口高为0.5um的掩蔽层，离

19、子束的入射角为7度,将导致 一个61nm勺阴影区。可能是器件产生一个预想不到的串联电阻。60keV砷入射到硅中，相对浓度分布为离子束倾斜角度的函数，内插图所示 是倾斜角度离子注入的阴影区昭7-15 WkfV的徘萬子注人耐:由时与用料角虑的蘭賀关系. 葬中插图戦示城蘭离予ft人理戒的蔽代城11高能量与大电流注入注入机能量可高达1.5-5MeV,且已用作多种新型用途。主要利用其能将杂质 掺入半导体内深达好几个微米的能力而不需要借助高温下长时间的扩散。 也可用 于制作低电阻埋层。例如，CMO器件中距离表面深达1.5到3um勺埋层。大电流注入机（10-20mA工作在25-30keV范围下，通常用于扩散技术中的 预置处理。因为其总量能够精确控制。在预置后，掺杂剂可以用高温扩散步骤再 分布，同时顺便将表面区的注入损伤修补。另一用途就是 M0器件的阈值电压调 整，精确控制的杂质量经栅极氧化层注入沟道区。目前，已有能量范围介于150-200keV的大电流离子注入。主要用途是制作高 品质硅层，通过向硅层中注入氧来生成二氧化硅从而使该硅层与衬底绝缘。 这种 氧注入隔离（SIMOX是一种绝缘层上硅（SOI）的关键技术。2.8离子注入主要参数：离子注入的几何说明：a :离子束注入面 刀：表面B :模拟的平