第四章 离子注入

1、离子注入河北工业大学微电子研究所河北工业大学微电子研究所 离子注入技术始于20世纪60年代。离子注入技术大大推动了半导体器件和集成电路的发展,从而使集成电路的生产进入超大规模时代。19521952年年,美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善半导体的特性。19541954年前后年前后，shockley提出采用离子注入技术能够制造半导体器件,并且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。19551955年年,英国的W.D.Cmsins发现硼离子轰击锗晶片时，可在N型材料上形成P型层。到了1960年,对离子射程的计算和测量、辐射损伤效应以及沟道效应等方面的重要研究已基本完成。离子注入技术开

2、始在半导体器件生产上得到广泛应用。19681968年，年，报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分布的变容二极管以及铝栅自对准MOS晶体管。19721972年后年后对离子注入现像有了更深入的了解,并且采用离子注入技术制造具有不少独特优点的砷化镓高速集成电路。 目前，离子注入技术已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。 n离子注入的概念：离子注入的概念：将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术。n掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定。n离子注入特点：离子注入特点：n掺杂的均匀性好、污染小n温度低：小于400n可以精确控制杂质分布

3、（数量和深度）n可以注入各种各样的元素、无固溶度的限制n横向扩展比扩散要小得多。n可以对化合物半导体进行掺杂硅片工艺流程中的离子注入硅片工艺流程中的离子注入注入扩散测试/拣选刻蚀抛光光刻完成的硅片无图形硅片硅片起始薄膜硅片制造 (前端) 硬膜掩蔽（氧化硅或氮化硅）注入后退火光刻胶掩蔽控制杂质浓度和深度控制杂质浓度和深度低掺杂浓度 (n, p) 和浅结深 (xj)Mask掩蔽层Silicon substratexj低能低剂量快速扫描束扫描掺杂离子离子注入机高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结深 (xj)Beam scan高能大剂量慢速扫描MaskMaskSilicon substratexjIo

4、n implanter离子注入机离子注入机离子注入机离子注入机Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side4.1 核碰撞和电子碰撞（核、电子阻止本领、射程估计）4.2 注入离子在无定形靶中的分布（纵向分布、横向效应、沟道效应和浅结的形成）4.3 注入损伤（级联碰撞、简单晶格损伤、非晶形成）4.4 退火（硅的退火特性、硼、磷退火特性，退火中的扩散效应、快速退火）目录目录4.1 4.1 核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞 设一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻止本领可定义为:

5、 （4.1）同样，电子阻止本领定义为: （4.2） nndxdEES eedxdEES在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为: （4.3）如果知道了Sn(E)和Se(E)，就可以直接对上式积分，求出注入离子在靶内运动的总路程: （4.4）E0为注入离子的起始能量。 ESESdxdEen 0000)()(EenEenESESdEESESdER在p=0时，两球将发生正面碰撞，此时传输的能量最大，用表示： （4.5）实际上注入离子与靶原子之间还存在着相互作用力（吸引力或排斥力）。若忽略外围电子的屏蔽作用，这两个粒子之间的作用力实际上就是库仑力： （4.6）而注入离子与靶原子之间

6、的相应势函数形式为 （4.7）其中Z1和Z2分别为两个粒子的原子序数，r为距离(只考虑库仑作用时，对运动缓慢而质量较重的注入离子来说，所得结果与实验不太符合)。022121222421EMMMMUMTM 2212rZZqrF 2212rZZqrV当考虑电子屏蔽作用时，注入离子与靶原子之间的相互作用的势函数可用下面形式表示： （4.8）其中f(r/a)是电子屏蔽函数，a为屏蔽参数（其大小和玻尔半径同数量级）。一般地说，当r由零变时，应该由1变到零。f(r/a)的最简单形式可选取下面形式： （4.9）那么注入离子与靶原子之间的势函数与距离的平注入离子与靶原子之间的势函数与距离的平方成反比。方成反比

7、。 arfrZZqrV212raarf( (一一).).射程的概念射程的概念杂质离子的射程和投影射程杂质离子的射程和投影射程入射离子束硅衬底对单个离子停止点RpDRp杂质分布注入能量对应射程图注入能量对应射程图注入能量 (keV)Projected Range, Rp (mm)101001,0000.010.11.0BPAsSb注入到硅中注入杂质原子能量损失注入杂质原子能量损失SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-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(二二)核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞不同靶材、不同注入离子的Ec

8、不同，对于硅靶：B注入时Ec=15ev,P注入Ec=150ev。注入能量Ec，主要以电子阻止形式损失能量，核阻止损失的能量可以忽略,则射程： 则入射离子主要以核阻止形式损失能量，射程： 在LSS理论中，把固体中的电子看为自由电子气。电子的阻止就类似于黏滞气体的阻力，在注入离子常用能量范围内，电子的阻止本领：其中V为注入离子的速度，系数Ke与注入离子的原子序数、质量、靶材料的原子序数以及质量有着微弱的关系。无定形靶为一常数。 21EkCVESee211EkR cEE 02EkR 4.2.1 4.2.1 注入离子的纵向分布注入离子的纵向分布* 注入离子的分布计算注入离子的分布计算1.平均投影射程R

9、p，标准偏差DR通过查表根据靶材（Si，SiO2， Ge），杂质离子(B，P，As)能量（keV）2.单位面积注入电荷：Qss I t /A，I：注入束流，t: 时间，A：扫描面积（园片尺寸）3.单位面积注入离子数(剂量)： Ns Qss/q =(I t) /(q A)4.最大离子浓度：NMAX=RNsD2*注入离子分布注入离子分布nN(x)=Nmax nN(x):距表面x处的浓度,nDRp:查表所得的标准偏差nNmax:峰值浓度(x=Rp处)nRp:平均投影射程D221expppRRx*离子注入结深计算离子注入结深计算BpppSjNRRxRNxNDD221exp2)(DDBspppjNNRR

10、Rx21ln2n横向系数: B Sb,约0.5但比热扩散小(0.75-0.85)4.2.2 4.2.2 横向效应横向效应4.2.3 4.2.3 沟道效应沟道效应n入射离子的阻挡作用与晶体取向有关,n可能沿某些方向由原子列包围成直通道沟道，离子进入沟道时，沿沟道前进阻力小，射程要大得多。沿沿 轴的硅晶格视图轴的硅晶格视图Used with permission from Edgard Torres Designs离子入射角与沟道离子入射角与沟道Used with permission from Edgard Torres Designsn解决办法，偏离此方向，以大于临界角注入。离子注入到无定形靶

11、中的高斯分布情况离子注入到无定形靶中的高斯分布情况4.2.4 4.2.4 浅结的形成浅结的形成 随集成度的提高，为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器件的短沟道效应。要求减小CMOS的源、漏结的结深。而且CMOS器件还要求高的表面掺杂浓度、低接触电阻以及小的结漏电流。 浅结制造困难较多，如硼注入形成浅P结，问题很多，见书上（P90)， 降低注入能量形成浅结，但低能注入时的沟道效应明显，离子束稳定性，尤其需大束流注入的源、漏区和发射区，问题更严重。由空间电荷效应造成（带电离子相互排斥造成的。离子的能量低、飞行时间长、导致离子束发散），可利用宽束流和缩短路径加以解决。 预先非晶化是一种实现预先非晶

12、化是一种实现P+P+结的比较理想方法结的比较理想方法。在注硼前，以重离子高剂量注入形成表面非晶层，以减小沟道效应；也可注入不激活物质如Si+、Ce+、Sb形成非晶层。注入Si+结深下降20。注入Ce+ 结深下降40，具有更小的缺陷和漏电流。浅浅 结结180 nm20 栅氧化层厚度54 nm 砷注入层多晶硅栅4.34.3、注入损伤与退火、注入损伤与退火4.3.1 级联碰撞 因碰撞而离开晶格位置的原子称为移位原子。注入离子通过碰撞把能因碰撞而离开晶格位置的原子称为移位原子。注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程，称为能量淀积。量传递给靶原子核及其电子的过程，称为能量淀积。碰撞的两种形式

13、同时存在，当注入离子能量较高时，以非弹性碰撞为主，能量较低时，主要为弹性碰撞，在集成电路制造中，离子注入主要为弹性碰撞。 碰撞产生移位原子。使处于晶格位置的原子发生移位所需最小能量成为移位阈能（Ed）。注入离子与靶内原子碰撞，存在三种形式传递能量Ed2Ed，被碰撞原子本身可以离开晶格，并留下一个空位。被碰撞原子移位后能量还很高，不断与其它原子碰撞。硅的Ed14ev-15ev，一般会小于该能量范围，主要是由于各向异性、碰撞的反冲方向、非弹性碰撞的能量损失、替位碰撞等等。 移位原子也称为反冲原子，与入射离子碰撞产生移位的原子，移位原子又会和相邻原子碰撞，形成级联碰撞。造成大量靶原子的移位，形成大量

14、空位和间歇原子，形成损伤。级联碰撞密度不大时，只产生孤立、分开的点缺陷，密度大时，加重损伤程度，甚至造成非晶层。解决解决：退火、激活一一. .损伤形式损伤形式1、孤立的点缺陷或缺陷群，2、局部非晶层，一般与低剂量的重原子注入有关，3、非晶层，局部非晶层的相互重叠，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离子束二二. .移位原子数的估算移位原子数的估算三非晶层的形成三非晶层的形成四四. . 损伤区的分布损伤区的分布轻离子，电子碰撞为主，位移少，晶格损伤小，损伤体积计算见P105重离子，原子碰撞为主，位移多，晶格损伤大,损伤体积计算见P105 4.22式4.4

15、4.4 热退火热退火n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，n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，n电激活掺入的杂质n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n1 1普通热退火普通热退火 n 退火时间通常为15-30min，使用通常的扩散炉，在真空或氮、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。2硼的退火特性区单调上升：点缺陷、陷井缺陷消除、自由载流子增加区出现反退火特性：代位硼减少，淀积在位错上区单调上升剂量越大，所需退火温度越高。3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600800热退火的特点n简单、价廉n激活率不高n产生二次缺陷，位错环、层错、位错