离子注入和快速退火实用工艺

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1MeV之间，注入深度平均可达10nm~10um,离子剂量变动X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。1离子分布（叮离子射程尺及投影射程念的示童医（叮离子射程尺及投影射程念的示童医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op。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o丄。如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。回忆公式：X2—)4Dt对于扩散，最大浓度为x=0；对于离子注入，位于Rp处。在〔x—Rp〕=±op处，离子浓度比其峰值降低了40%。在±2op处如此将为10%。在±3op处为1%。在±4op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：.2、■三y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：dFSQ=(〒)"ax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，电子如此被激发至高能级或脱离原子。定义电子中止能力：dEdxdEdx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:dE—=5；(£)+5；(£)ax如果一个离子在停下来之前，所经过的总距离为R,如此J。S„(£)+5；(£)E0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

转移给M2的能量为:(」呵+胚)°电子中止能力与入射离子的速度成正比：n—V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。砷化镓的ke值为3X107(eV)1/2/cm离子中止两种机制：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。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，电子如此被激发至高能级或脱离原子。I5D0Se(E帝能*杂成离能力如虚线所示，交叉能【射心之一1-I 3M{原子式砸拥®Se(E帝能*杂成离能力如虚线所示，交叉能【射心之一1-I 3M{原子式砸拥®©「被矍抵的硅原-F®®@七⑨亡量点Sn—横卞吐

•2®电于中止=Se(E)o一旦Sn(E)和握与投影偏差：WOkeV-/I3IJ1SCVrU—IQkcY1 —n—jII丨200 4轴 ftOO «0Q 1000AM*子能量(teV)3畦对神、瓠需密子的按中止龍力虽⑹卜电子中止.箱力曲我的宝点对电这两种屮止能力梅芳时的能册・——Rr•…环Si-Z--/z-</:——Rr•…环Si-Z--/z-</:/11II1111i111nn—LJLUim10100BPASBB2—O.IO.O1: Rp: 6Z QLGaAsr—•H_"I■ ■11//"严-Z:2111imi^////哆111111111ti1iHi10100100010000.001入射离子能M(keV) 入射离子能量(keV)(a)B、P和As在硅中'的投影射程、(b)H、Ze和Tc在碎化粽中】的投影射投妙偏羞和横向偏差 程、投形偏差和横向偏差图7・6投影射程、投影偏差和横向偏差比较3离子注入的沟道效应前述高斯分布的投影射程与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＞,硅和砷化镓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—样，这表示在如下图中。然而即使只偏离＜111＞晶向7度，仍会有一个随距离而成指数级exp(-x/入)变化的尾区，其中入的典型的数量级为。衬底定位时有意偏离晶向情况下的杂质分布。离子束从＜111＞轴偏离7度入射。图7-7靶定位时有意偏离蟹］情况下的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偏离〈111〉轴7°2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离子进入的角度与通道<100><110><111>沟道效应降低的技巧1、覆盖一层非晶体的外表层、将硅芯片转向或在硅芯片外表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)］。此方法大局部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外表，可在硅芯片外表产生一个随机层［图(c)］，这种方法需使用昂贵的离子注入机。离子注入离子注入离子注入°损伤的离子注入离子注入离子注入°损伤的°晶格o晶格O5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局部，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，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。如如下图〔b〕可以E晶材料所r—疵面转变为所示。可以E晶材料所r—疵面转变为利用一个判据，即认为注入数量级上一样。对于100keV利用一个判据，即认为注入数量级上一样。对于100keV离于却人囲，芮吗孑注人引屉的天氏态量应该与融化材料所需的能量密度〔1021keV/cm3离于却人囲，芮吗孑注人引屉的天氏态6退火由于离子注入所造成的损伤区与畸形团，使迁移率和寿命等半导体参数受到影响。此外，大局部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与窄杂质分布的需求。快速热退火〔RTA〕是一种采用各种能源、退火时间X围很宽〔100s到纳秒〕的退火工艺。RTA可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，■局部或全部消除硅片中的损伤，少数载流子的寿命与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，在真空或氮、氩等气体的保护下对衬底作退火处理。缺点：去除缺陷不完全，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与所含剂量有关CC舉.茨弋空:沪 iCC舉.茨弋空:沪 i屮 |屮 lD*御虽俩子樹鈕与團7-11师％的目和瞬漓于越麽活所需的退我渤度与注丸业的关廉'硼的退火特性1区单调上升：点缺陷、陷井缺陷消除、自由载流子增加團7-11师％的目和瞬漓于越麽活所需的退我渤度与注丸业的关廉'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。癱的暹火特桂图中给出的是瑚离子Ml50keVetl能量和三个不同剂量注入硅中的退火特性o如閣所示』可以把退火遍度分为三亍区域°1.0SxlO—/cmQ150keV^§-Ts=2iC//电嫩活比例P2.5x10I八7詁014/“高温阶罠牡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600°C〜800°CT主毛不叵珀刊至梓也弋£勻电五于気2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600°C〜800°CT主毛不叵珀刊至梓也弋£勻电五于気2刑旦岂JA为于近止蓝愷（二!“的A乐1L瑚10T3-25°Cl§*30min1181x10040214；//•* 玉;二27/ ---II无定卡T ——丄也匸-IUJ；UJ&UJ'；UJS/LU

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热退火问题：■简单、价廉■激活率不咼扩散效应:■产生二次缺陷，杆状位错。位错环、层错、位错网加剧扩散效应:犷歆效应热退戈的遍登与超扩散打审｝品盛村比，旻世得爹.但是，对十汪入埜的余反，即性在比较化的品度K，朵负扩放也是非帚亙著的-迓是凶刀汪人冉于加苣戍圧晶略拥仕，■■史足內的空伍密錐憊半衡盯晶萍中审空立誉度妾尢保埶弔外，由于罢子.主入也使晶讣内仔吐穴量的间阴原于相鑒科铁陷，迖业都M便扩散糸数増大』H散液竝堆强，因吐，也hi也称迪追火过程q■的耳或为増强h散，虹果退乂晶片満足半尢限犬条件，则圧入余质经退火

万在牲內旳士布仍録是高斯因虧，阻袄准嗚差妄右听修止°分布窗数的羔込式为:77(jl,/)-77(jl,/)-(2岸严仏砒|2D^2式屮旳扩散系鑿D，匕計E冋温匡下晶讣屮的才散东數要天丿L倍，县至儿十倍，tlK「小可迄入区E勺按怙小同，各赴的扩散系數D也有很大的差别°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RTA技术的比拟。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。块速退火快速退火可以分対:瀏光退火、电子束退火:、禽子束退火、非相干光退火等等匚苴退火时ra®10_11-102s^间，亦肺瞬态退火°忧点；先熔化，再结晶■时间快.杂质束不录扩散-RHT设备采用清华大学微电子所发明的红外光快速迪处理技术.诗技术采用高頻感应加热石英腔向的高纯度石星作対红外辐射热源，使晶片在石墨腔内迅速升温・通常约三秒可炷⑴血°C,而在加热区外迅遠降温-设备具有升温快，加热均匀I热处理后晶片不变形等忧点.反射器灯石英窗气体入口 芯片 IR温度计2«Eo、Mj各种瞬吋退火方法所需功率密度与退火吋间（昧冲持续吋间）的关系10~14反射器灯石英窗气体入口 芯片 IR温度计2«Eo、Mj各种瞬吋退火方法所需功率密度与退火吋间（昧冲持续吋间）的关系10~14xr108<o*®w4io'2退火时间(S)快速热退火表卜丄技术比较决定因素常规退火炉技术快速热退火技术加工形式分批式单片式炉况热壁冷壁加热速率低髙循环周期短温度监测炉晶片热繭计量A低尘埃间题存在最小化均匀性和重复性高低9注入相关工艺一屡次注入与掩蔽髙低在许多应用中，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，使外表变成非晶。此方法使杂质分布能准确地控制，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

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这种区域，必须要做一系列不同能量与剂量的注入〔屡次注入〕。屡次注入如如下图所示，用于形成一平坦的杂质分布。为了要在半导体衬底10'r的掩蔽层。此层要阻止i得。在某一深度d之后加计塩■&分布5?keV穿越深度d的剂量的百分比可由穿透系数T求得:10加计塩■&分布5?keV穿越深度d的剂量的百分比可由穿透系数T求得:1015EI7IH用爭底注人飛曲的克加杂帳分布'形成p-n结，注入时需要一层适宜小厚度可从离子的射程参数来求一旦得到了T,对任一恒定的Rp和op来说，都可以求得掩蔽层厚度d,对Si02、Si3N4与抗蚀剂来说，要阻挡99.99%的入射离子〔T=10-4〕所需的d值如如下图所示。图中内插图显示了在掩蔽材料内的注入物的分布。10倾斜角度离子注入,” ” 方向也缩写是很重要的。现代器件结构如轻掺杂漏极〔啰，需要在纵向和横向上准确控制杂质分布。垂直于外表的离子速度决.定注入分布的入＜1=1丄从厶心詹.LU当器件缩小到亚5阻寸程。如果硅芯片相对于离子束倾斜了一个很大的角度，如此10倾斜角度离子注入,” ” 方向也缩写是很重要的。现代器件结构如轻掺杂漏极〔啰，需要在纵向和横向上准确控制杂质分布。垂直于外表的离子速度决.定注入分布的入＜1=1丄从厶心詹.LU当器件缩小到亚5阻寸程。如果硅芯片相对于离子束倾斜了一个很大的角度，如此在倾斜角度离子注入时，需考虑硅芯片角度导致一个小阴影区61nm的阴影区。可能是器件产生一个预想不月影效应。较小的倾斜子束的入射角为7度，将导致一个0.010.0160keV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11高能量与大电流注入注入机能量可高体内深达好几个微米的厮60keVAs-^SL离子束达不用其能将杂质掺入半导。也可用于制作低D10 20 30 40 60 70BO -除度（HD1）11高能量与大电流注入注入机能量可高体内深达好几个微米的厮60keVAs-^SL离子束达不用其能将杂质掺入半导。也可用于制作低D10 20 30 40 60 70BO -除度（HD1）图7-156CikeV的碑离子注人酣中時与麺斛角度的函数关:借助高温下长时间的扩散14电阻埋层。例如，CMOS器件中距离外表深达到3um的埋层。大电流注入机〔10-20mA〕工作在25-30keVX围下，通常用于扩散技术中的预置处理。因为其总量能够准确控制。在预置后，掺杂剂可以用高温扩散步骤再分布，同时顺便将外表区的注入损伤修补。另一用途就是MOS器件的阈值电压调整，准确控制的杂质量经栅极氧化层注入沟道区。目前，已有能量X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:a:离子束注入面工：外表B:模拟的平面9:离子束方向与y轴方向