硅集成电路工艺基础

硅集成电路工艺基础第一页，共七十六页，2022年，8月28日②有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先沉积一层杂质，这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充。杂质分布形式：高斯分布随着扩散时间增大，表面杂质浓度降低，结深增大，pn结处的杂质浓度梯度变缓。上节课内容小结第二页，共七十六页，2022年，8月28日两步扩散：采用两种扩散结合的方式。预扩散：较低温度，恒定表面源扩散，提供扩散杂质源主扩散：较高温度，有限表面源扩散，目的是控制表面浓度和扩散深度杂质最终分布形式：D预t预<<D主t主，主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函数分布。上节课内容小结第三页，共七十六页，2022年，8月28日影响杂质分布的其他因素:Si中的点缺陷（替位、空位、间隙）杂质浓度（掺杂浓度高时）上节课内容小结氧化增强扩散：氧化区下，扩散增强，B，P，机理：间隙Si原子与替位B相互作用，杂质B以替位-间隙交替的方式运动，扩散速度快发射区推进效应：发射区正下方硼的扩散深度加深机理：磷空位对分解，增加空位的浓度，扩散加快产生过剩的间隙Si原子，第四页，共七十六页，2022年，8月28日上节课内容小结二维扩散：横向扩散

一般情况下，横向扩散的距离约为纵向扩散距离的75％-85％直接影响ULSI的集成度扩散工艺：固态源、液态源、气态源快速气相掺杂：RTP，形成超浅结气体浸没激光掺杂：浅结，突变结与离子注入一样形成浅结，却无注入损伤且无需退火第五页，共七十六页，2022年，8月28日第四章离子注入离子注入技术是用一定能量的杂质离子束轰击要掺杂的材料（称为靶，可以是晶体，也可以是非晶体），一部分杂质离子会进入靶内，实现掺杂的目的。离子注入是集成电路制造中常用的一种掺杂工艺，尤其是浅结主要是靠离子注入技术实现掺杂。第六页，共七十六页，2022年，8月28日1952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。1954年前后，Shockley提出来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。1955年，英国的W.D.Cussins发现硼离子轰击锗晶片时，可在n型材料上形成p型层。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己基本完成，离子注入技术开始在半导体器件生产中得到广泛应用。1968年，采用离子注入技术制造出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。1972年以后对离子注入现象有了更深入的了解，目前离子注入技术已经成为甚大规模集成电路制造中最主要的掺杂工艺。离子注入的发展历史第七页，共七十六页，2022年，8月28日4.1、核碰撞和电子碰撞4.2、注入离子在无定形靶中的分布4.3、注入损伤4.4、热退火4.5、离子注入系统及工艺本章主要内容第八页，共七十六页，2022年，8月28日4.1、核碰撞和电子碰撞1963年，林华德(Lindhard)，沙夫(Scharff)和希奥特(Schiott)。

LSS理论（注入离子在靶内的分布理论）：注入离子在靶内的能量损失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)总能量损失为它们的和。

第九页，共七十六页，2022年，8月28日核碰撞：是注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。

因注入离子与靶原子的质量一般为同一数量级，每次碰撞之后，注入离子都可能发生大角度的散射，并失去一定的能量。靶原子核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进入间隙，并留下一个空位，形成缺陷。第十页，共七十六页，2022年，8月28日由于两者的质量相差非常大(104)，每次碰撞中，注入离子的能量损失很小，而且散射角度也非常小，也就是说每次碰撞都不会改变注入离子的动量，虽然经过多次散射，注入离子运动方向基本不变。电子碰撞：是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬时地形成电子-空穴对。第十一页，共七十六页，2022年，8月28日一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻止本领就定义为

电子阻止本领定义为根据LSS理论，单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子损失能量为

注入离子在靶内运动的总路程核阻止本领和电子阻止本领第十二页，共七十六页，2022年，8月28日、核阻止本领把注入离子和靶原子看成是两个不带电的硬球，半径分别为R1和R2。碰撞前：R1，M1，Vl，E0

R2，M2碰撞后：R1，M1，Ul，E1，1

R2，M2，U2，E2，2两球之间的碰撞距离用碰撞参数p表示，只有在p≤(R1+R2)时才能发生碰撞和能量的转移。第十三页，共七十六页，2022年，8月28日在p=0时，两球将发生正面碰撞，此时传输的能量最大，用TM表示：

不考虑电子屏蔽作用时，注入离子与靶原子之间的势函数为库仑势：

其中Z1和Z2分别为两个粒子的原子序数，r为距离。考虑电子屏蔽作用，注入离子与靶原子之间的势函数用下面形式表示：

其中f(r/a)为电子屏蔽函数。第十四页，共七十六页，2022年，8月28日如果屏蔽函数为：

此时注入离子与靶原子核碰撞的能量损失率为常数，用S0n表示。如果采用用托马斯-费米屏蔽函数，核阻止本领与离子能量的关系Sn(E)如图所示。低能量时核阻止本领随离子能量呈线性增加，在某个能量达到最大值高能量时，因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换，核阻止本领变小。托马斯-费米屏蔽函数核阻止本领与离子能量的关系第十五页，共七十六页，2022年，8月28日As,P,B在硅中的核阻止本领和电子阻止本领与能量的关系的计算值对硅靶来说，注入离子不同，其核阻止本领达到最大的能量值是不同的。第十六页，共七十六页，2022年，8月28日、电子阻止本领在LSS理论中，把固体中的电子看为自由电子气，电子阻止类似于黏滞气体的阻力。在注入离子的常用能量范围内，电子阻止本领Se(E)同注入离子的速度成正比，即和注入离子能量的平方根成正比：其中V为注入离子的速度，系数ke与注入离子的原子序数和质量、靶材料的原子序数和质量有着微弱的关系。在粗略近似下，对于无定形硅靶来说，ke为一常数。第十七页，共七十六页，2022年，8月28日、射程的粗略估计根据LSS理论，得到核阻止本领和电子阻止本领曲线，其中和是无量纲的能量和射程参数。注入离子的能量可分为三个区域：低能区：核阻止本领占主要地位，电子阻止可以被忽略。中能区：核阻止本领和电子阻止本领同等重要，必须同时考虑。高能区：电子阻止本领占主要地位，核阻止本领可以忽略。但这个区域的能量值，一般超出了工艺的实际应用范围。属于核物理的研究课题。第十八页，共七十六页，2022年，8月28日射程估算：如果注入离子能量比Ec大很多，则离子在靶内主要以电子阻止形式损失能量，可按下式估算射程如果注入离子的能量E<<Ec，离子在靶内主要以核阻止形式损失能量，则得射程R的表达式为核阻止本领与电子阻止本领比较一级近似：核阻止本领S0n和入射离子能量E无关。电子阻止本领和注入离子的速度（能量的平方根）成正比。临界能量：如图所示，在E=Ec处核阻止与电子阻止本领相等。第十九页，共七十六页，2022年，8月28日4.2、注入离子在无定形靶中的分布注入离子在靶内分布是与注入方向有关系，一般来说，离子束的注入方向与垂直靶表面方向的夹角比较小，假设离子束的注入方向是垂直靶表面的。任何一个注入离子，在靶内所受到的碰撞是一个随机过程。即使是能量相等的同种离子，在靶内发生每次碰撞的偏转角和损失能量、相邻两次碰撞之间的行程、离子在靶内所运动的路程总长度、以及总长度在入射方向上的投影射程(注入深度)都是不相同的。如果注入的离子数量很少，它们在靶内分布是很分散的，但是，如果注入大量的离子，那么这些离子在靶内将按一定统计规律分布。第二十页，共七十六页，2022年，8月28日、纵向分布n(x)：距离靶表面为x处的离子浓度(离子数/cm3)Nmax：峰值浓度,Rp：平均投影射程，离子注入深度的平均值ΔRp为Rp标准偏差一级近似下，无定形靶内的纵向浓度分布可用高斯函数表示：第二十一页，共七十六页，2022年，8月28日注入离子分布在Rp的两边，具体分布情况由Rp决定，Rp与Rp的近似关系为注入剂量:则有则离子浓度可表示为注入离子二维分布示意图第二十二页，共七十六页，2022年，8月28日与注入离子与靶原子的相对质量有关B：峰值靠近表面一侧的离子数量高于另一侧（轻，大角度散射）As：x>Rp一侧有较多的离子分布（重，散射角小）尽管如此，实践中通常仍利用理想高斯分布来快速估算注入离子在非晶靶以及单晶靶材料中的分布。一级近似得到的高斯分布，在峰值附近与实际分布符合较好，距峰值较远时有一定偏离。第二十三页，共七十六页，2022年，8月28日

在能量一定的情况下，轻离子比重离子的射程要深。B，P，As在无定型硅和热氧化SiO2中的投影射程和能量的关系第二十四页，共七十六页，2022年，8月28日、横向分布横向效应：注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。离子束沿x方向入射，注入离子的空间分布函数f(x,y,z)：

其中ΔY扣ΔZ分别为在Y方向和Z方向上的标准偏差。

ΔY=ΔZ=ΔR┴，ΔR┴为横向离散。第二十五页，共七十六页，2022年，8月28日

在掩膜边缘(即-a和+a处)的浓度是窗口中心处浓度的50％。而距离大于+a和小于-a各处的浓度按余误差下降。通过一狭窄掩膜窗口注入的离子，掩膜窗口的宽度为2a，原点选在窗口的中心，y和z方向如图所示。第二十六页，共七十六页，2022年，8月28日

(a)杂质B、P、Sb通过lμ宽掩膜窗口注入到硅靶中的等浓度曲线(b)杂质P以不同能量注入硅靶中的等浓度曲线横向效应与注入离子的种类和离子能量有关第二十七页，共七十六页，2022年，8月28日硼、磷和砷入射到无定形硅靶中时，ΔRp和ΔR┴与入射能量的关系第二十八页，共七十六页，2022年，8月28日、沟道效应沟道效应：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶面平行时，将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。由于沟道效应，使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾。第二十九页，共七十六页，2022年，8月28日为了避免沟道效应，可使晶体的主轴方向偏离注入方向，使之呈现无定形状态，会发生大量碰撞。偏离的典型值为7°。第三十页，共七十六页，2022年，8月28日部分沟道效应，在两次碰撞之间有沟道效应存在。第三十一页，共七十六页，2022年，8月28日、浅结的形成对于轻杂质，形成浅结非常困难。降低注入离子能量：注入离子能量几个keV但是在低能情况下，沟道效应变得非常明显。增大偏离角度。在低能注入时，离子束的稳定性是一个问题，由于空间电荷效应，离子束发散。解决办法是采用宽束流，降低束流密度。预先非晶化：注B前，先以重离子高剂量注入，使Si形成非晶表面层。使沟道效应减小。完全非晶化层在退火后结晶质量好。第三十二页，共七十六页，2022年，8月28日4.3、注入损伤离子注入技术的最大优点，就是可以精确地控制掺杂杂质的数量及深度。但是，在离子注入的过程中，衬底的晶体结构也不可避免地受到损伤。离子注入前后，衬底的晶体结构发生变化。第三十三页，共七十六页，2022年，8月28日①如果传递的能量小于移位阈能Ed，被碰原子只是在平衡位置振动，将获得的能量以振动能的形式传递给近邻原子，表现为宏观热能。②如果传递的能量大于Ed而小于2Ed

，被碰原子成为移位原子，并留下一个空位。这个移位原子具有的能量小于Ed，不能使与它碰撞的原子移位。③如果靶原子获得的能量大于2Ed

，被碰原子移位之后，还具有很高的能量，在运动过程中，可以使与它碰撞的原子发生移位。这种不断碰撞的现象称为“级联碰撞”。、级联碰撞注入离子与靶内原子碰撞，将能量传递给靶的过程称为能量淀积过程。第三十四页，共七十六页，2022年，8月28日级联碰撞的结果会使大量的靶原子移位，产生大量的空位和间隙原子，形成损伤。当级联碰撞密度不太大时，只产生孤立的、分开的点缺陷。如果级联碰撞的密度很高时，缺陷区就会互相重叠，加重损伤程度，甚至使注入区域的晶体结构完全受到破坏，变为非晶区。第三十五页，共七十六页，2022年，8月28日、简单晶格损伤如果注入的是轻离子，或者是小剂量的重离子，注入离子在靶中产生简单晶格损伤。对于轻离子，开始时能量损失主要由电子阻止引起，不产生移位原子。注入离子的能量随注入深度的增加而减小，当能量减小到小于交点Ec时，核阻止将起主导作用，几乎所有的晶格损伤都产生于Ec点以后的运动中。大多数情况下，每个注入离子只有一小部分能量对产生间隙-空位缺陷有贡献。对重离子来说，主要是通过核碰撞损失能量，产生的损伤较大。在基片上的一些局部区域，即使只受到小剂量重原子的轰击，也将遭受足够的损伤，甚至变为非晶态层。核阻止本领与电子阻止本领比较第三十六页，共七十六页，2022年，8月28日、非晶的形成注入离子的能量越高，产生移位原子数目就越多，就更容易形成非晶区。离子注入时的靶温对晶格损伤情况也起着重要的影响，在其他条件相同的情况下，靶温越高，损伤情况就越轻，这是因为在离子注入同时，存在一个自退火过程。如果单位时间通过单位面积注入的离子数(剂量率)越大，自退火效应将下降，产生非晶区的临界剂量也将减小。--影响注入损伤程度的因素注入损伤不仅与注入离子的能量、质量有关，而且与离子的注入剂量以及靶温和晶向等因素有关。随着温度升高形成非晶层的临界剂量增大，这是因为温度越高，自退火效应越显著。第三十七页，共七十六页，2022年，8月28日4.4、热退火注入离子所造成的晶格损伤，对材料的电学性质将产生重要的影响。如载流子迁移率下降、少子的寿命减少等。另外，离子注入的掺杂机理与热扩散不同，在离子注入中，是把杂质离子强行射入晶体内，被射入的杂质原子大多数都存在于晶格间隙位置，起不到施主或受主的作用。所以，采用离子注入技术进行掺杂的硅片，必须消除晶格损伤，并使注入的杂质进入晶格位置以实现电激活。热退火：在一定温度下，将注有杂质离子的硅片经过适当时间的热处理，使硅片中的损伤,部分或绝大部分消除，少子寿命和迁移率得到恢复，掺入的杂质被激活，这样的处理过程称为热退火。第三十八页，共七十六页，2022年，8月28日、硅材料的热退火特性退火的温度和时间，退火方式等都要根据实际情况而定。低剂量所造成的损伤，一般在较低温度下退火就可以消除。

第三十九页，共七十六页，2022年，8月28日热退火的重结晶过程第四十页，共七十六页，2022年，8月28日第四十一页，共七十六页，2022年，8月28日第四十二页，共七十六页，2022年，8月28日第四十三页，共七十六页，2022年，8月28日第四十四页，共七十六页，2022年，8月28日第四十五页，共七十六页，2022年，8月28日第四十六页，共七十六页，2022年，8月28日第四十七页，共七十六页，2022年，8月28日第四十八页，共七十六页，2022年，8月28日、硼的热退火特性电激活比例:自由载流子数p和注入剂量Ns的比

对于低剂量的情况，随退火温度上升，电激活比例增大。能量为150keV的硼离子以三个不同剂量注入硅中的等时退火特性第四十九页，共七十六页，2022年，8月28日对于高剂量情况，可以把退火温度分为三个区域：在区域I中，随退火温度上升，点缺陷的移动能力增强，因此间隙硼和硅原子与空位的复合几率增加，使点缺陷消失，替位硼的浓度上升，电激活比例增加，自由载流子浓度增大。当退火温度在500-600℃的范围内，点缺陷通过重新组合或结团，降低其能量。因为硼原子非常小，和缺陷团有很强的作用，很容易迁移或被结合到缺陷团中，处于非激活位置，因而出现随温度的升高而替位硼的浓度下降的现象，也就是自由载流子浓度随温度上升而下降的现象（逆退火特性）。在区域Ⅲ中，硼的替位浓度以接近于5eV的激活能随温度上升而增加，这个激活能与升温时Si自身空位的产生和移动的能量一致。产生的空位向间隙硼处运动，因而间隙硼就可以进入空位而处于替位位置，硼的电激活比例也随温度上升而增加。第五十页，共七十六页，2022年，8月28日实际退火条件，要根据注入时靶温、注入剂量及对材料性能的要求来选择。注入剂量低，不发生逆退火现象，退火温度不需要太高。1012/cm2，800度，几分钟。室温注入与靶温较高时注入时，产生非晶区的临界剂量不同，退火要求也不同。第五十一页，共七十六页，2022年，8月28日、磷的热退火特性图中虚线所表示的是损伤区还没有变为非晶层时的退火性质，实线则表示非晶层的退火性质。对于11015/cm2和51015/cm2时所形成的非晶层，退火温度在600℃左右，低于剂量为1014左右没有形成非晶层时的退火温度，这是因为两种情况的退火机理不同。非晶层的退火效应是与固相外延再生长过程相联系的，在再生长过程中，V族原子实际上与硅原子是难以区分，被注入的V族原子P在再结晶过程中与硅原子一样，同时被结合到晶格位置上。第五十二页，共七十六页，2022年，8月28日在实际情况中，注入离子分布的不均匀，同一退火条件下，退火效果也不同，因此，要根据实际需要，选择最佳退火条件。第五十三页，共七十六页，2022年，8月28日上节课内容小结离子注入：掺杂工艺，浅结能量损失核碰撞：缺陷、损伤，级联碰撞，非晶区电子碰撞：沟道效应，杂质分布拖尾，避免晶体的主轴方向偏离注入方向，7°注入离子在靶内分布：高斯分布（一级近似）实际分布偏离：B偏向表面，As偏向深部横向效应：比扩散小得多，与注入离子种类和能量有关第五十四页，共七十六页，2022年，8月28日轻杂质，浅结的形成：降低注入离子能量：注入离子能量几个keV但是在低能情况下，沟道效应变得非常明显。增大偏离角度。在低能注入时，离子束的稳定性是一个问题，由于空间电荷效应，离子束发散。解决办法是采用宽束流，降低束流密度。预先非晶化：注B前，先以重离子高剂量注入，使Si形成非晶表面层。使沟道效应减小。完全非晶化层在退火后结晶质量好。上节课内容小结第五十五页，共七十六页，2022年，8月28日上节课内容小结热退火：在一定温度下，将注有杂质离子的硅片经过适当时间的热处理消除晶格损伤使注入的杂质进入晶格位置以实现电激活根据实际情况，选择最佳退火条件，T，t。第五十六页，共七十六页，2022年，8月28日、热退火过程中的扩散效应注入离子在靶内的分布近似认为是高斯分布。但是热退火过程使高斯分布有明显的展宽，偏离了注入时的分布，尤其是尾部出现了较长的按指数衰减的拖尾。实际上，热退火温度比热扩散时的温度要低得多。在退火温度下，对于完美晶体中的杂质来说，扩散系数是很小的，甚至可以忽略。但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度下，杂质扩散效果也是非常显著的。这是因为离子注入所造成的晶格损伤：硅内的空位数比完美晶体中多得多晶体内存在大量的间隙原子其它各种缺陷使扩散系数增大，扩散效应增强。退火温度不同时注入杂质B分布（注入条件和退火时间相同）第五十七页，共七十六页，2022年，8月28日、快速退火快速退火：降低退火温度，或者缩短退火时间。快速退火技术：脉冲激光、脉冲电子束与离子束、扫描电子束、连续波激光以及非相干宽带光源(卤灯、电弧灯、石墨加热器)等，瞬时使硅片的某个区域加热到所需要温度，退火时间短(10-3-102秒)。脉冲激光退火：利用高能量密度的激光束辐射退火材料表面，引起被照区域的温度突然升高，达到退火效果。激光退火的主要特点：退火区域受热时间非常短，因而损伤区中杂质几乎不扩散，衬底材料中的少数载流子寿命及其他电学参数基本不受影响利用聚焦得到细微的激光束，可对样品进行局部选择退火通过选择激光的波长和改变能量密度，可在深度上和表面上进行不同的退火过程，因而可以在同一硅片上制造出不同结深或者不同击穿电压的器件。第五十八页，共七十六页，2022年，8月28日第五十九页，共七十六页，2022年，8月28日连续波激光退火：是固-固外延再结晶过程。使用的能量密度为1-100J/cm2，照射时间约100s。由于样品不发生溶化，而且时间又短，因此注入杂质的分布几乎不受任何影响。电子束退火：退火机理与激光退火一样，只是用电子束照射损伤区，使损伤区在极短时间内升到较高温度，通过固相或液相外延过程，使非晶区转化为结晶区，达到退火目的。电子束退火的束斑均匀性比激光好，能量转换率可达50％左右，但电子束能在氧化层中产生中性缺陷。宽带非相干光源：主要是卤灯和高频加热方式，是一种很有前途的退火技术，目前用得较多。其设备简单、生产效率高，没有光干涉效应，而又能保持快速退火技术的所有优点，退火时间一般为10-100秒。第六十页，共七十六页，2022年，8月28日离子注入深度通过控制离子束能量来控制，而掺杂浓度的控制可通过控制注入离子剂量来实现。是两个独立控制过程。由于离子注入的直进性，注入杂质是按掩膜的图形近于垂直入射，横向效应比热扩散小很多，这一特点有利于器件特征尺寸的缩小。（图）离子注入时，衬底一般是保持在室温或低于400℃，可选掩蔽膜很多，如光刻胶、SiO2、Si3N4和Al等。而扩散必须是能耐高温的材料。注入离子是通过质量分析器选取，纯度高，能量单一，保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。可以精确控制掺杂原子数目，注入剂量的范围较宽(1011-1017/cm2)，同一平面内的杂质均匀性和重复性可精确控制在±1％以内。（即使是高浓度扩散也只能控制在5-10%）离子注入时的衬底温度低，避免了高温扩散所引起的热缺陷。离子注入的主要特点第六十一页，共七十六页，2022年，8月28日第六十二页，共七十六页，2022年，8月28日♣气体系统♣电控系统♣真空系统♣离子束线控制、离子注入系统4.5、离子注入系统及工艺第六十三页，共七十六页，2022年，8月28日♣气体系统特殊的传送系统来操作危险气体；用氩气来净化系统及校准离子束。♣电控系统高压系统（离子能量，从而控制结深）；射频系统（一些离子源需要用射频电源来产生离子）。♣真空系统需要高真空来加速离子以及减少碰撞；真空度为10-5-10-7torr；使用分子泵和低温泵；排空系统。♣离子束线控制离子源；提取电极；磁分析器；后加速器；等离子体溢注系统；底部分析器。第六十四页，共七十六页，2022年，8月28日离子束线控制——离子源热钨丝发射热电子；热电子与源气分子碰撞使之分解并离子化；离子被从源舱提取并加速进入离子束管线。射频离子源微波离子源第六十五页，共七十六页，2022年，8月28日离子束线控制——提取电极加速电极将提取离子的能量加速到50keV。磁分析器需要如此高的离子能量，来选择合适的离子样品。第六十六页，共七十六页，202