工艺之注入(四)12

1、集成电路工艺(gngy)原理北京大学(bi jn d xu)微电子学系Department of MicroelectronicsPeking University26 七月 2022共一百一十五页第四章 离子注入技术(jsh) 4.1 概述4.2 离子注入设备4.3 核碰撞和电子(dinz)碰撞4.4 注入离子在无定形靶中的分布4.5 注入损伤4.6 热退火4.7 离子注入技术在集成电路中的应用共一百一十五页离子注入是对半导体表面(biomin)附近区域进行掺杂的另一种方法。离子注入可以满足浅结、低温和精确控制的要求，已经成为重要的制造工艺。在离子注入工艺中，首先产生杂质离子，然后将这些离子

2、加速到5keV-1MeV的高能状态，接着把离子注入到半导体内。注入离子会使注入路径上的半导体原子移位，而这些离子不一定稳定在被移位原子的晶格位置上。接下来进行的退火（加热半导体）可以消除晶格损伤并且激活掺杂杂质。共一百一十五页在离子注入的过程中，硅片表面上的SiO2、Si3N4、光刻胶以及铝（Al）薄膜都可以作为掩蔽层。与扩散的情况类似，注入离子停止在掩蔽材料中，不能进入到掩蔽层下方的硅中。离子注入在集成电路制造中的主要应用：隔离工序中防止寄生(jshng)沟道用的沟道截断调整阈值电压用的沟道掺杂CMOS阱的形成源漏区域的形成浅结等共一百一十五页共一百一十五页4.1 概述定义：使待掺杂原子（分

3、子）电离，加速到一定能量并注入到晶体中，经退火激活杂质，达到掺杂目的。在六十年代以来，由于宇宙航行、电子对抗和各种功能电子计算机的发展，对半导体器件和电路提出了更高的要求，原有的生产工艺已不能满足这一要求，限制了半导体器件和电路性能的进一步提高。离子注入技术，正是适应(shyng)这种需要而发展起来的一种半导体掺杂新工艺，它可以使集成电路的速度提高一个数量级。共一百一十五页（最早）在1952年（晶体管发明后四年），贝尔实验室研究离子束轰击技术改善半导体特性（在半导体表面用H+离子轰击形成p-n结，制成了具有短波长响应的太阳能电池(dinch)）1954年，肖克莱提出新观点：认为采用离子注入技术

4、能够制造半导体器件，并预言这种方法可制造薄基区的高频晶体管1955年，英国的W. D. Gussins用离子注入技术在n型材料上形成p型掺杂（硼离子轰击Ge晶片，在n型材料上形成p型层，但当时对p-n结形成机理不很清楚，所以这一新技术没有得到人们重视）共一百一十五页随着原子能技术的发展，特别是离子束对物质轰击效果的深入研究，以及强离子束设备的出现，为离子注入技术的发展奠定了基础。同时，半导体器件工艺(gngy)需要进一步改进，寻求一种新的掺杂方法，于是在六十年代，离子注入技术又重新兴起。1961年第一个实用的离子注入器件问世（离子注入硅粒子探测器）1963年在Si中注入高浓度铯离子形成p-n结

5、1968年离子注入实现变容二极管，以及MOS晶体管1973年第一台商用离子注入机问世1973年以后，更深入的了解和更广泛的应用1980年后，大多数掺杂工艺已经全部采用离子注入；目前离子注入技术已成为特大规模集成电路（ULSI）制作中不可缺少的掺杂工艺共一百一十五页离子注入的优点：1离子纯度高，能量单一，保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。注入过程在高真空下进行，避免了污染。2可精确控制注入到硅中的掺杂原子数目 剂量：10111017cm-2范围；均匀性1%，而对于高浓度扩散只有 5% 10%，低浓度扩散均匀性更差 （同一平面内杂质均匀性与电特性密切相关，因此在大规模集成电路中，离子注入这一优点

6、尤为重要）3衬底无需加热，可用光刻胶掩蔽 （SiO2、Si3N4、Al也可用来掩蔽，为自对准掩蔽技术提供了更多灵活性，这是扩散无法相比的）4通过控制注入能量和剂量，以及采用(ciyng)多次注入等，可得到各种形式杂质分布。共一百一十五页5掺杂不受杂质在衬底中的固溶度限制（但掺杂剂占据基质格点而变为激活杂质是有限的），对各种元素都可掺杂，使掺杂更为灵活6离子注入时，衬底温度低，避免改变内部杂质分布7注入具有直进性，横向效应小，有利于提高集成度8可实现化合物半导体掺杂 （化合物半导体在高温处理时组分会发生变化，采用离子注入可减弱或避免这种变化）9往往透过(tu u)薄膜（如SiO2）注入，薄膜起保

7、护作用，防止污染等。例如，可准确调节MOS器件阈值电压共一百一十五页离子注入的缺点：1入射离子(lz)对晶格有损伤（需要消除，但某些情况是无法完全消除的）2很浅和很深的注入分布无法实现 （沟道效应，要以一个角度注入无定形假设）3高剂量注入时，产率受限制 （尤其是与同时运行200片硅片的扩散工艺相比）4设备昂贵（一台最新系统超过2百万美金）共一百一十五页4.2 离子注入设备 进行离子注入必须考虑晶片产额与注入质量设备特点：大束流离子源、大容量靶室以及自动控制、超净室、高真空技术基本部件：离子源（氟化硼、砷烷和磷烷等） 离子加速质量分析器扫描室靶室加速可在质量分析之前或之后，先加速可降低离子在到达

8、圆片表面前丢失电荷的可能性，但需要一个(y )更大的磁铁到达硅片前有一个偏转磁场，除去中性粒子共一百一十五页共一百一十五页上图最左端的离子源产生所需的杂质离子。然后被加速的离子进入到质谱仪中，在这里过滤掉离子源产生的其它不需要的离子。最终形成的离子束被加速到预先设置的能量状态，经过聚焦之后，在晶片表面进行扫描。离子束扫描可以通过静电方式或者机械(jxi)移动晶片来完成，这两种方法相结合也可以完成扫描。与硅片相连的电极可以提供与注入离子电中和的电子。经过精确测量的每平方厘米内注入离子总数称作剂量，用符号f表示。它可以由注入电流对注入时间的积分求得。共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页共一百

9、一十五页下图为Intel Fab-9的离子注入终端台照片。从第一个图中可以看到两个舱门在工作台上相连接。左边的舱门开启，等待在片子传送带上装载片子，离子注入就在靠近右边舱门的地方进行。第二个图是一个放大了的片子传送带镜头和机械(jxi)臂，机械(jxi)臂可以自动地加载和卸载圆盘传送带。（图片由Intel公司提供。）共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页4.3 核碰撞(pn zhun)和电子碰撞(pn zhun)在集成电路制造中注入离子能量一般几十到几百keV（典型值5-500 keV）。这样的能量下，既要考虑注入离子与靶内自由电子和束缚电子的相互作用，也要考虑与原子核的相互作用1963年

10、，林华德(J. Lindhard)、沙夫 (Scharff)、希奥特 (H. E. Schiott) 确立了注入离子分布理论简称LSS理论LSS理论与实际结果较为符合共一百一十五页LSS理论认为离子在靶内的能量损失(snsh)可分为两个彼此独立的过程： （1）核碰撞（核阻止） （2）电子碰撞（电子阻止） 总的损失能量 =（1）+（2）共一百一十五页共一百一十五页核碰撞：注入离子(lz)与靶内原子核之间的相互碰撞特点： 散射角大； 可能产生缺陷（两者质量为同一数量级，每次碰撞后注入离子会有较大角度的散射，并失去一定能量；靶原子也获得能量，如果能量大于束缚能，会离开原来晶格位置，进入晶格间隙，并留

11、下一个空位，形成缺陷。）共一百一十五页电子碰撞：注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞。特点： 形成电子-空穴对； 能量损失小，运动方向基本不变。（碰撞能形成电子-空穴对；由于两者质量相差(xin ch)大（104量级），每次碰撞注入离子能量损失小，而且散射角度也小，注入离子运动方向基本不变）共一百一十五页为描述离子在靶内能量损失的具体情况，引入核阻止本领和电子阻止本领一个注入离子在运动(yndng)路程上任一点x处的能量为E，则可定义： 核阻止本领： 电子阻止本领：共一百一十五页单位距离离子(lz)损失能量：知道了Sn(E)和Se(E)，可对上式积分，求出注入离子在靶内运动的总路程R共

12、一百一十五页总路程 E0：注入离子起始能量(nngling) Sn (E) +Se (E) =F（物理意义：所受的阻力） 共一百一十五页4.3.1 核阻止本领核阻止本领可理解为能量为E的一个注入离子在单位密度(md)靶内走过单位长度时损失给靶的能量共一百一十五页弹性碰撞动量守恒：pi+pt=p0 pi、pt为入射球和靶球的最终动量，p0为入射球最初动量角动量守恒：Li+Lt=L0=p0b能量守恒: pi2/2mi+pt2/2mt=p02/2m0b为碰撞参数（假定不发生散射情况下两个(lin )原子中心的最近距离）。当b=0时，正面碰撞，传输能量最大 TM=0.5mtvt2=4mimtE0/(m

13、i+mt)2共一百一十五页 自身(zshn)能量函数 b越小，核阻止越大 mi/mt越接近，核阻止越大共一百一十五页库仑(kln)散射考虑库仑势能：V(r)=q2Z1Z2/40r引入电子屏蔽函数: f(r/a) a为屏蔽参数（与波尔半径a0同数量级）a=0.88a0/(Z11/3+Z21/3)1/2 r0, f(r/a)1 r, f(r/a)0相互作用势函数: V(r)=q2Z1Z2/40rf(r/a)共一百一十五页简单的f(r/a)形式：f(r/a)=a/r 则V(r)=aq2Z1Z2/40r2 势函数与距离平方成反比，则入射离子(lz)与靶原子核碰撞的能量损失率为常数，用Sn0表示 托马斯

14、费米屏蔽函数：f(r/a)=a/r(a/r)2+31/2 能量损失率与离子能量关系(gun x) （低能时弹性碰撞，不破坏键；高能时传输能量小）共一百一十五页4.3.2 电子阻止本领在LSS理论中，把固体(gt)中的电子看成是自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气体的阻力。电子阻止本领Se(E)同注入离子的速度成正比：Se(E)Cvke(E)1/2v为注入离子速度，ke与离子和靶材料的原子序数及质量弱相关。对于无定形硅靶，ke近似为常数。共一百一十五页4.3.3 射程粗略估计LSS理论中的简化参数(cnsh)（为运算方便而引入）折合距离：=(RNM1M24a2)/(M1+M2)2=0R折合能量：

15、=40EaM2/Z1Z2q2(M1+M2)=0E 、为无量纲的射程和能量参数，N为单位体积内原子数。因为：d=0dRd=0dE所以有：d/d = 0/0dE/dR 共一百一十五页由和E可导出碰撞损失通用曲线(qxin)Sn(E)=aq2Z1Z2M1/0(M1+M2)(dE/d)n (dE/d)的大小也表示了Sn(E)的大小Se(E)与(dE/d)的关系同于上式，即与(dE/d)成正比共一百一十五页共一百一十五页常用的硅掺杂剂的核阻止和电子阻止本领随注入(zh r)能量的变化关系共一百一十五页1.低能区：核阻止占主导(zhdo)，电子阻止可忽略2.中能区：同时考虑核阻止和电子阻止3.高能区：电子

16、阻止占主导，核阻止可忽略 （超出半导体应用范围，为核物 理范畴） 共一百一十五页共一百一十五页一级近似下：核阻止本领与入射离子(lz)能量E无关，f(r/a)=a/r Sn0=2.810-15Z1Z2/Z1/3M1/(M1+M2) (eVcm2) 其中 Z1/3=(Z12/3+Z22/3)1/2 （Z1, M1, Z2, M2分别为入射离子和靶原子的原子序数和质量） Se(E)=Cv=ke(E)1/2 ke既与入射离子种类有关，也与靶材料有关 对于非晶靶，ke0.210-15 (eV)1/2cm2 共一百一十五页讨论： Se=Sn0的阈值(y zh)能量Ec 对于硅靶，令Se=Sn0 有 Ec

17、1/2=Sn0/ke =1414Z1/(14)2/3+(Z1)2/31/2M1/(M1+28) （使用了无定形硅的(ke)Si，Z214，M228） 注意：Ec的单位为eV当硼为入射离子(Z1=5, M1=11)：Ec10keV当磷为入射离子(Z1=15, M1=31)：Ec200keV共一百一十五页 当入射能量E0Ec，核阻止为主要 -dE/dxNSn0 NSi=51022/cm3 R=(0.7)Z1/3/Z1Z2(M1+M2)/M1E0（eV） （对于重离子，当E0Ec，电子阻止(zzh)占主导 R20(E0)1/2 注入损伤发生在SnSe的范围 低能注入：损伤可在整个弹道上发生 高能注入

18、：损伤发生在弹道之末共一百一十五页4.4 注入离子在无定形靶中的分布 集成电路中采用离子注入主要是掺杂，因此对离子在靶内分布情况十分关心。进入靶的离子不断通过(tnggu)碰撞损失能量，最后停止在某一位置，但碰撞是随机的。大量入射离子按一定的统计规律分布。 注入离子在靶内的分布与注入方向有一定的关系。一般来说，离子束注入方向与靶表面垂直方向的夹角比较小，因此假设离子束注入方向垂直于靶表面。共一百一十五页50 keV的B注入(zh r)硅中的蒙特卡罗模拟共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页4.4.1 纵向分布根据LSS理论，一级近似下，注入离子浓度分布为（高斯分布，同有限表面

19、源分布一样）： N(x)=Nmaxexp-(x-Rp)2/2Rp2 N(x)为x位置的注入离子浓度 Nmax为峰值浓度 Rp为平均投影射程（垂直入射下，即射程的平均值） Rp为标准偏差，Rp=(xp-Rp)21/2，表示xp的分散情况 一般(ybn)地：R/Rp=1+bM2/M1 b是R和E的缓变函数。知道R后可通过上式求出Rp共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页分布特点(tdin)： x=Rp时，N(x)出现最大值单位面积注入离子总数所以即Nmax与注入剂量D成正比。 共一百一十五页共一百一十五页注入离子(lz)分布可写成： 共一百一十五页共一百一十五页 平

20、均投影射程两边注入离子浓度对称下降(xijing)， 离开Rp越远, 下降越快。在x=Rp2Rp处，N/Nmax1/10在x=Rp3Rp处，N/Nmax1/100Rp与Rp的关系： Rp 2/3(M1M2)1/2/(M1+M2) Rp 共一百一十五页 结深的计算 对浓度分布求解(qi ji) 令xj-Rp=KRp N衬底浓度Nmaxexp(-K2/2) K2=-2ln(N衬底浓度/Nmax) 所以： xj=Rp KRp=Rp2ln(Nmax / N衬底浓度)1/2Rp 共一百一十五页结深Xj的计算(j sun)共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页LSS理论假定(jidng)

21、：凡理论上落在靶外的离子，都假定(jidng)积聚在靶的表面。因此实际靶表面浓度超过高斯分布所预料的表面浓度与实际的偏差：对于轻离子注入到重靶中的情况，离子质量比靶原子轻，易受大角度散射，那么分布在峰值位置与表面一侧的离子数量大于峰值位置的另一侧重离子注入相反两个相联的半高斯分布泊松分布（更精确）共一百一十五页共一百一十五页4.4.2 横向效应 横向效应是指注入离子在垂直于入射方向的平面内的分布情况，横向效应直接(zhji)影响MOS器件的有效沟道长度。共一百一十五页1972年日本的古川等人在LSS理论基础上考虑离子的三维分布，提出注入离子的空间分布函数如下： （考虑一个半径(bnjng)很小

22、的束流） Y、Z为y方向和z方向的标准偏差 对于非晶靶，各向同性：YZRtRt为横向离散共一百一十五页横向离散不但与注入离子(lz)种类有关，也与入射离子(lz)能量有关。由LSS理论计算的B、P、As、Sb的Rt如上图共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页通过窄窗口注入，在y轴的分布当aRt时，N(x, a)N(x)在窗口附近为余误差(wch)分布（半无穷大源的结果） 共一百一十五页轻离子横向效应大于重离子，但都比扩散小扩散：比值0.750.85注入：B为0.5所以短沟道MOS必须(bx)采用离子注入技术共一百一十五页4.4.3 离子注入中的沟道效应共一百一十五页共一百一十

23、五页共一百一十五页4.4.4 多电荷(dinh)离子注入和分子注入共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页4.4.5 掩蔽造成的剂量(jling)损失共一百一十五页共一百一十五页4.5 注入(zh r)损伤注入过程中，靶内原子获得能量，如果大于产生一个空位的能量，就会打出靶原子，形成间隙-空位缺陷对，被打出的靶原子如果有足够的能量，在运动中与其它靶原子碰撞时也可能使被碰原子脱离晶格位置，因此会在离子运动的路径上产生大量缺陷，使晶格受损伤。 共一百一十五页4.5.1 级联碰撞能量淀积注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子（原子核及电子）碰撞形式： 弹性碰撞（总机械能守恒

24、） 非弹性碰撞（转化为其它形式能量）两种碰撞形式同时存在，高能时非弹性占优，低能时弹性占优移位原子：因碰撞而离开晶格位置(wi zhi)的原子称为移位原子，移位原子又称为反冲原子移位阈能Ed：使晶格位置的原子发生移位所需的最小能量共一百一十五页三种情形：（1）TEd，无移位原子产生(chnshng) （原子只在晶格位置振动，将振动传给周围原子宏观热）（2）EdT2Ed，产生多个移位原子级联碰撞Si靶: Ed14eV-15eV（比四个Si-Si健大） （对于完整性不足的晶格要小于这一值）共一百一十五页级联碰撞的结果会使大量靶内原子发生位移，产生大量空位和间隙原子，形成损伤。级联密度不大时，只产生

25、孤立的、分开的点缺陷；如果密度高，缺陷会重叠，加重了损伤程度，甚至使注入的区域形成非晶区。损伤种类包括：（1）产生孤立的点缺陷或缺陷群（注入离子(lz)每次传递的能量Ed）（2）形成局部非晶态区域（移位原子数目接近半导体原子密度时为非晶态区域；这种情况与低剂量的重离子注入有关）（3）损伤的积累形成非晶态层（即随剂量的增加，局部非晶态区域相互重叠形成非晶态层）第一、二类为简单晶格损伤，第三类为非晶层形成 （大量移位原子存在，未退火时注入区域呈高电阻）共一百一十五页无论哪一种晶格损伤(snshng)，移位原子的数量通常大于注入离子的数量共一百一十五页4.5.2 简单晶格(jn )损伤轻离子注入：特

26、点：注入离子运动方向变化大，损伤密度小，不重叠，区域大，形如“锯齿形”。重离子注入：特点：散射角小，传递能量大，损伤区域小，损伤密度大，呈“旋转椭球形”什么是临界剂量？超过此剂量不存在晶体的长程有序，且衬底表面呈现无定形态共一百一十五页共一百一十五页4.5.3 非晶的形成（1）与入射离子剂量的关系（2）与靶温的关系；温度升高，损伤下降 （自退火过程，与周围的空位复合；低温下临界剂量恒定）（3）与剂量率的关系；剂量率增加，自退火效应下降，临界剂量下降。（剂量率：单位时间通过单位面积的注入(zh r)离子数）（4）与入射离子能量的关系：N(E)E0 （5）与晶向的关系：随机入射临界剂量小 （沟道效

27、应）共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页4.6 热退火（即在一定温度下进行热处理） 注入离子造成晶格损伤(snshng)，对材料的电学性质将产生重要影响散射中心增加载流子迁移率下降缺陷中心增加非平衡少子寿命下降 （导致pn结漏电增加）注入会产生很多间隙杂质，与扩散不同；需要处于晶格位置才可起施主或受主作用，必须在注入后进行退火处理热退火作用： 消除损伤 激活杂质共一百一十五页共一百一十五页4.6.1 硅材料的热退火特性低剂量损伤的消除 Sb+ 1013/cm2 300摄氏度退火可消除非晶区的恢复：复杂损伤分解点缺陷(quxin)、简单缺陷(quxin) （空位，间隙原子，迁移速度快） 高

28、温下复合 （使缺陷消失）非晶层的恢复：通过固相外延（SPE）完成（以未损伤的下面衬底作为样板进行晶体恢复） 600下硅再生长速率大于300 /min （600，30分钟可生长1 微米，比任何注入的非晶化深度要大多了）共一百一十五页共一百一十五页共一百一十五页载流子激活温度低于寿命(shumng)、迁移率恢复温度杂质Ea3.5 eV （空间形变）硅Ea5.5 eV硅原子进入晶格位置慢 （激活即杂质原子进入晶格位置后，还存在的硅间隙原子可能会影响迁移率和寿命）共一百一十五页4.6.2 硼的退火特性150 keV，注B，退火时间30 min（改变退火温度）I区：500度以下，点缺陷减少，自由载流子浓

29、度增加。（B激活，缺陷中心减少）II区：500度至600度，生成大尺寸二次缺陷，出现大量间隙B，自由载流子浓度下降逆退火特性：T，电激活下降。（B间隙多，缺陷中心增加）III区：替位B增加，自由载流子浓度增加（高于5 eV激活能温度，产生(chnshng)Si空位）共一百一十五页对于低剂量的B注入(zh r)，不发生逆退火效应共一百一十五页4.6.3 磷的退火特性退火机理无定形：固相外延(wiyn)（P与Si无区别），退火温度（600 0C）低；为了降低固相外延留下的残余缺陷，需要再进行高温（如1000 0C）退火非无定形：依靠扩散，退火温度高（为消除复杂的损伤，退火温度必须随注入剂量的增大而

30、相应提高）共一百一十五页共一百一十五页4.6.4 热退火过程中的扩散效应高斯分布展宽（实际上，退火温度比扩散温度低，但）注入后存在晶格损伤空位密度、间隙(jin x)原子、缺陷 扩散系数退火后分布： Rp为0时，是扩散的一半 共一百一十五页共一百一十五页4.6.5 快速热处理（RTP）炉退火：温度处理时间长（要缓慢升降温）RTP：脉冲激光、脉冲电子束或离子束、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带光源等特点：瞬时使样品加热至极高温度，在较短时间内（0.001100 s内）完成退火例：厚1000埃的非晶区激光辐照800几秒内完成退火效果（杂质扩散仅几埃）常用(chn yn)的RTP设备：非相干宽带光源（卤灯、电弧灯、高频加热等），其设备简单、生产效率高、温度梯度小，退火时间为10-100 s大部分RTP方法所需能量密度为1.0 J/cm2左右共一百一十五页4.7 离子注入技术(jsh)在集成电路中的应用4.7.1 对MOS晶体管阈值电压的控制4.7.2 自对准形成源漏区4.7.3 双极中制作(zhzu)薄基区，自对准形成p区4.7.4