集成电路工艺基础-04-离子注入

集成电路工艺基础——04-离子注入第一页，共52页。离子注入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1MeV之间，注入深度平均可达10nm～10um。离子剂量变动范围，从用于阈值电压调整的1012/cm2到形成绝缘埋层的1018/cm2。相对于扩散，它能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。离子注入已成为VLSI制程上最主要的掺杂技术。一般CMOS制程，大约需要6~12个或更多的离子注入步骤。第二页，共52页。离子注入应用隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断调整阈值电压用的沟道掺杂CMOS阱的形成浅结的制备在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为一种主流技术。第三页，共52页。使带电粒子偏转，分出中性粒子流中性束路径类似电视机，让束流上下来回的对圆片扫描离子注入系统的原理示意图第四页，共52页。离子源是产生离子的部件。将被注入物质的气体注入离子源，在其中被电离形成正离子，经吸极吸出，由初聚焦系统，聚成离子束，射向磁分析器。吸极是一种直接引出离子束的方法，即用一负电压（几伏到几十千伏）把正离子吸出来。产生离子的方法有很多，目前常用的利用气体放电产生等离子体。离子注入系统原理-离子源第五页，共52页。从离子源吸出的离子束中，包括多种离子。如对BCl3气体源，一般包括H+、B+、Cl+、O+、C+等。在磁分析器中，利用不同荷质比的离子在磁场中的运动轨迹不同，可以将离子分离，并选出所需要的一种杂质离子。被选离子通过可变狭缝，进入加速管。离子注入系统原理-磁分析器第六页，共52页。离子源通过加热分解气体源如BF3或AsH3成为带正电离子（B＋或As＋）。加上约40KeV左右的负电压，引导这些带正电离子移出离子源腔体并进入磁分析器。选择磁分析器的磁场，使只有质量/电荷比符合要求的离子得以穿过而不被过滤掉。被选出来的离子接着进入加速管，在管内它们被电场加速到高能状态。离子注入系统原理第七页，共52页。被掺杂的材料称为靶。由加速管出来的离子先由静电聚焦透镜进行聚焦，再进行x、y两个方向的扫描，然后通过偏转系统注入到靶上。扫描目的：把离子均匀注入到靶上。偏转目的：使束流传输过程中产生的中性离子不能到达靶上。注入机内的压力维持低于10－4Pa以下，以使气体分子散射降至最低。离子注入系统原理第八页，共52页。离子注入的优缺点优点：注入的离子纯度高可以精确控制掺杂原子数目，同一平面的掺杂均匀性得到保证，电学性能得到保证。温度低：小于400℃。低温注入，避免高温扩散所引起的热缺陷；扩散掩膜能够有更多的选择掺杂深度和掺杂浓度可控，得到不同的杂质分布形式非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制横向扩散效应比热扩散小得多离子通过硅表面的薄膜注入，防止污染。可以对化合物半导体进行掺杂第九页，共52页。离子注入的优缺点缺点：产生的晶格损伤不易消除很难进行很深或很浅的结的注入高剂量注入时产率低设备价格昂贵（约200万美金）第十页，共52页。4.1核碰撞和电子碰撞高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点停止下来第十一页，共52页。核碰撞和电子碰撞注入离子在靶内能量损失方式核碰撞(注入离子与靶内原子核间的碰撞）质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离开原来所在晶格位置，进入晶格间隙，并留下一个空位，形成缺陷。第十二页，共52页。核碰撞和电子碰撞注入离子在靶内能量损失方式电子碰撞(注入离子与靶原子周围电子云的碰撞）能瞬时形成电子-空穴对两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，散射角度也小，虽然经过多次散射，注入离子运动方向基本不变。电子则被激发至更高的能级（激发）或脱离原子（电离）。第十三页，共52页。核碰撞和电子碰撞核阻止本领说明注入离子在靶内能量损失的具体情况，一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻止本领定义为：电子阻止本领定义为：第十四页，共52页。核碰撞和电子碰撞在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为：注入离子在靶内运动的总路程第十五页，共52页。低能量时，核阻止本领随能量的增加而线性增加，Sn(E)会在某一中等能量时达到最大值。高能量时，由于高速粒子没有足够的时间和靶原子进行有效的能量交换，所以Sn(E)变小。核阻止本领第十六页，共52页。电子阻止本领电子阻止本领同注入离子的速度成正比，即与注入离子能量的平方根成正比。V为注入离子速度，Ke与注入离子和靶的原子序数、质量有微弱关系，粗略估计时，可近似为常数第十七页，共52页。核碰撞和电子碰撞不同能区的能量损失形式低能区：以核碰撞为主中能区：核碰撞、电子碰撞持平高能区：以电子碰撞为主第十八页，共52页。4.2注入离子在无定形靶中的分布一个离子在停止前所经过的总路程，称为射程RR在入射轴方向上的投影称为投影射程XpR在垂直入射方向的投影称为射程横向分量Xt平均投影射程Rp：所有入射离子的投影射程的平均值标准偏差：第十九页，共52页。注入离子在无定形靶中的分布对于无定形靶（SiO2、Si3N4、光刻胶等），注入离子的纵向分布可用高斯函数表示：其中：第二十页，共52页。注入离子在无定形靶中的分布横向分布（高斯分布）入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布横向渗透远小于热扩散第二十一页，共52页。高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。轻离子/重离子入射对高斯分布的影响实践中，用高斯分布快速估算注入离子在靶材料中的分布。注入离子在无定形靶中的分布第二十二页，共52页。随能量增加，投影射程增加能量一定时，轻离子比重离子的射程深。射程与能量的关系注入离子在无定形靶中的分布第二十三页，共52页。以上讨论的是无定形靶的情形。无定形材料中原子排列无序，靶对入射离子的阻止作用是各向同性的一定能量的离子沿不同方向射入靶中将会得到相同的平均射程。实际的硅片——单晶在单晶靶中，原子是按一定规律周期地重复排列，而且晶格具有一定的对称性。靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而与晶体取向有关。**离子注入的沟道效应第二十四页，共52页。**离子注入的沟道效应第二十五页，共52页。**离子注入的沟道效应定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿沟道运动。沟道离子唯一的能量损失机制是电子阻止，因此注入离子的能量损失率就很低，故注入深度较大。离子方向=沟道方向时………离子因为没有碰到晶格而长驱直入………效果：在不应该存在杂质的深度发现杂质——多出了一个峰！第二十六页，共52页。射程分布与注入方向的关系第二十七页，共52页。怎么解决？？？倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入方向，典型值为7°。先重轰击晶格表面，形成无定型层表面长二氧化硅薄层第二十八页，共52页。怎么解决？？？第二十九页，共52页。浅结的形成为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器件的短沟效应，要求减小CMOS的源/漏结的结深形成硼的浅结较困难，目前采用的方法：硼质量较轻，投影射程深，故采用BF2分子注入法F的电活性、B的扩散系数高B被偏转进入主晶轴的几率大降低注入离子的能量形成浅结低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差。预先非晶化注B之前，先用重离子高剂量注入，使硅表面变为非晶的表面层。第三十页，共52页。注入后发生了什么………晶格损伤和无定型层靶原子在碰撞过程中，获得能量，离开晶格位置，进入间隙，形成间隙－空位缺陷对；脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可使得被碰靶原子脱离晶格位置。缺陷的存在使得半导体中载流子的迁移率下降，少子寿命缩短，影响器件性能。杂质未激活在注入的离子中，只有少量的离子处在电激活的晶格位置。第三十一页，共52页。注入损伤级联碰撞？简单晶格损伤孤立的点缺陷或缺陷群（注入离子每次传递给硅原子的能量约等于移位阈能）局部的非晶区域（单位体积的移位原子数目接近半导体的原子密度）非晶层注入离子引起损伤的积累第三十二页，共52页。轻离子注入第三十三页，共52页。重离子注入第三十四页，共52页。非晶层的形成第三十五页，共52页。注入后需要做什么……退火：定义：又叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火作用激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用消除损伤第三十六页，共52页。注入后需要做什么……退火：退火方式：炉退火快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)第三十七页，共52页。注入后需要做什么……退火：原理高温下，原子振动能↑，移动能力↑，可使复杂损伤分解为简单缺陷（如空位、间隙原子等），简单缺陷以较高的迁移率移动，复合后缺陷消失。高温下，非晶区域损伤恢复发生在损伤区与结晶区的交界面，即由单晶区向非晶区通过固相外延或液相外延而使整个非晶区得到恢复。第三十八页，共52页。硼的退火特性低剂量（8×1012/cm2）电激活比例随温度上升而增加高剂量（1014/cm2和1015/cm2）退火温度可以分为三个区域500℃以下，电激活比例又随温度上升而增加500～600℃范围内，出现逆退火特性晶格损伤解离而释放出大量的间隙Si原子，这些间隙Si原子与替位B原子接近时，可以相互换位，使得B原子进入晶格间隙，激活率下降。600℃以上，电激活比例又随温度上升而增加第三十九页，共52页。电激活比例第四十页，共52页。虚线表示的是注入损伤区还没有变成非晶区的退火特性（剂量从3×1012/cm2增加到3×1014/cm2）电激活比例随温度上升而增加。剂量升高时，退火温度相应升高，才能消除更为复杂的无规则损伤。实线表示的是非晶区的退火特性（剂量大于1015/cm2），退火温度降低为600℃左右非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程相联系在再生长过程中，Ⅴ族原子实际上与硅原子难以区分，它们在再结晶的过程当中，作为替位原子被结合在晶格位置上。所以在相对很低的温度下，杂质可被完全激活。磷的退火特性第四十一页，共52页。电激活比例第四十二页，共52页。热退火过程中的扩散效应热退火的温度与热扩散的温度相比，要低得多。但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度下，杂质扩散也是非常显著的。这是因为离子注入所造成的晶格损伤，使硅内的空位密度比热平衡时晶体中的空位密度要大得多。离子注入也是晶体内存在大量的间隙原子和多种缺陷，这些都会使得扩散系数增加，扩散效应增强。热退火中的扩散称为增强扩散。第四十三页，共52页。热退火过程中的扩散效应注入杂质经退火后在靶内的分布仍然是高斯分布标准偏差需要修正扩散系数明显增加第四十四页，共52页。热退火过程中的扩散效应高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数衰减的拖尾第四十五页，共52页。快速热退火（RTA）传统热退火的缺点不能完全消除缺陷，产生二次缺陷高剂量注入时的电激活率不够高高温长时间热退火会导致明显的杂质再分布快速退火（RapidThermalAnnealing）技术在氮气或惰性气体的气氛下，极短的时间内，把晶片温度提高到1000℃以上。第四十六页，共52页。快速热退火（RTA）第四十七页，共52页。快速热退火（RTA）作用：*消除由注入所产生的晶格损伤*恢复材料少子寿命和载流子迁移率*杂质激活第四十八页，共52页。作业：1.离子注入与热扩散相比哪个要求温度低（）哪个掺杂纯度高（）哪个高浓度掺杂不受固溶度限制（）哪个掺杂均匀性好（）哪个可精确控制掺杂浓度、分布和注入深度（）哪个横向效应小（）A.离子注入B.热扩散第四十九页，共52页。2.离子注入掺杂纯度高，是因为（）.A.杂质源的纯度高B.注入离子是通过质量分析器选出来的3.减弱或消除沟道现象的措施有：（）入射方向偏离沟道轴向入射方向平