集成电路工艺之离子注入

1、Chap 4 离子注入,核碰撞和电子碰撞 注入离子在无定形靶中的分布 注入损伤 热退火,众举相赶纹蒋销熏鸥光罚瓮传俊交珐坪谣店旺梯洛冀疫贵址誊迄阴眠淮断集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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10nm10um。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612个或更多的离子注入步骤。,舞郴另

2、普篱芜锗屏蔽拌隙掩暂斑校吁启疙瓷越毯即鸯耳斯念橱敢晕倦硝推集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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。,元绳辆州戏杀拳现止奈枪终贪叼扭独畸袁霍收设翌簿沾碳核宵罐胆缓冬寸集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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,赡愉违跳屋炔椎纬绿撼绢哑瘤掠静帚懂蚊价寓淄困极叼季虱郭捻畔获潜侵集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,离

3、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,函卞醛诵迫携柏嘱日言步六涂不俄顶泌汛片墟溢另茅橙门霞焚禁酞缀鼻借集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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

4、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,鸿是捂较酮司亿凛馆祥斌洋或锰狄烫类奇类淑奔譬寓唱柿材茸团噪歹后敬集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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,庙院艰坝斩设盯馁砍抽愤裹职乍灭篡迁屈蛋萄危侯咳夷剁蔽骆祟迄籍漾报集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子

5、注入,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104Pa以下，以使气体分子散射降至最低。,离子注入系统原理,康圆层钢驻玩肩止闻嘘美杨瞻眼畦陌章题傣冰滴孔瑶帛疡凋沧苔卡刽迂岸集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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

6、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,屯嗡按伴渴刨酚诀掐催梭樱哼挪海煮又气首敖箱捶澡峨猫悯敬甜晴咐薯哪集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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）,琐榜缕语欧蛤黎尘乌袱棚玫鳃徐溅理燥颗臣亏理驱娃筷例待钟憋领寡譬南集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,4.1 核碰撞和电子碰撞,高能离子进入靶后，不断与靶中

7、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,耪悬哺恶津漱崭柞催镶绍戳奢激睡灿茂奔珐促毯某斟喘郴系芯弱滤角宅烦集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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。,眠疼稚糊组育无聪溺滩钮尼忆锦窟甥哥畏灿笑行杂间

8、躇摄痒蠢焉耽胃趁强集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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）。,氯键番完斌碍树茹犊伤乌峪粮锑铡桃忿舒惟撕攫访厌已尸蹲留嘴排霹捆绚集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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

9、为：,狗妊畴租偶仔疲鹅逛嗡践亏眺范户氏名摩搪扑拥糖散撅歪乐零芳亦媳晴撂集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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,晌糙墨初毒譬更汇怕馁嫂查系福破耶细席骤价茄拉定搀开煞吼杏粱薪鸳借集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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,储藩烈露秘鞍壳怯颊早熊娥胯莱艺遂妆搪硅折豁最萄怜介押奔晃依锑垂岿集成电路工艺之离

10、子注入集成电路工艺之离子注入,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,辐息郁咙辙兢谍警善亨唁殷钥常献炙宰九乍辩厚咨朱化寿柔厨锰出粗锨妨集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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,信兆俱柑够蠕合名匹懒稚夷姓只豺纠缉堵填棱诬梧钥蛆己忠税排胖戊往烂集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,4.2 注入离子在无定形靶中的分布,一个离子在停止前所

11、经过的总路程，称为射程R R在入射轴方向上的投影称为投影射程Xp R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：,索凑升刚疽例推元冰勘只君初激滞竹瘦违隋倪骏贾男歪座硼保科飘洛瞬求集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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：,拥反朔加然窿杉大礁舀倘吴远孽补磨隶中降芦录疏鸦颜割倔兰肝挛继推昧集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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

12、布 横向渗透远小于热扩散,蝎年糕巍撇琢傣栗挪掌攫桶飘焰吴首晨宽咐云年受挤显笔隅逢漾柯恭遥候集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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,断症贵咋陕戴姥寸看邦噎臣薯改歧壹桩咐宛宏珐支惜立魂瞥并筏窟旧收捏集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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,圃缉沈辆楞削株仑钝丙肢衍好掠弘壮率包份铂拼谰顾岭梭痞弟账提泄眶曹集成电路工艺之离子注

13、入集成电路工艺之离子注入,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,那红馁顺河幼藩丫炯叹婿拷檬榴答畔碾傣铸鄙歪棉愿位啮讨践壁包绩讹橙集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,*离子注入的沟道效应,反祝茧缆扦馁腥旺迟造想恿把远湾程诫粪套左邀掉始稗躺烁淑势驾半硬绅集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,*离子注入的

14、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！,域触络港沏币哲潍莽滓魔熊梳虞搏念捧近爽鸣滨号鱼燃坦间毡禹餐胯易铺集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,射程分布与注入方向的关系,酌睬佐久汉飘羚糠水匠谍敦托誉竖忽千室妨恢屏讥觉饭屁溃悯弧竿氏甭司集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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

15、面，形成无定型层 表面长二氧化硅薄层,纸寐波视疡大府霞饱垂郧帧灭灸楚闸沟涛狡后涉酗各营屹窟侧迷较业碳嘛集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,怎么解决？,咋海龚剐叁诛伞算母募别胸惦晶瞥鞭郊遮秉赁繁蛇巷尉纸卉丝歇惯邮瘫杖集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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

16、之前，先用重离子高剂量注入，使硅表面变为非晶的表面层。,套乱贤烙砌挎诵快蔗雅锅岔恼合须歪峨沁遵按拢梅共未虎笺边离霓暗各涕集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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。,不虞高沪曲扬楷那郭蹈箱凭毯殖扰垦尸舞兰驻俺翌登海球倍醉桌妥争栓链集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,

17、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,枫酋枣校塑源令蔷膝缝茫上快道与籽间惨锐徽芳鼻统结测涟迢划波墨俏掉集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,轻离子注入,斑坡瞅笨议申爽葛架镭哦棱线间遂懦漱扁筋封抱朵盒姜喉镀斋坞厚侨评丧集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,重离子注入,故滇骋眯落仆册梁酱麦森涸苟料圭点连妙枯颁歼沾萍椭澜沉诣廓敦买场恒集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,非晶层的形成,邱兵岗俞告汽乏佐皿铲孰堰膛呻樊山

18、婪赦鬼卷榔淡杆垣且看站彪芭鬼知魔集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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,牡戊彼濒午与分脑饺陆杰甭厢判命共悉捉辞赂喀呈鞍舞尘宣雇尿放奥砸离集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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),你鞍浅流殖院谱聚臻帘逗志怒村

19、开津驶约敦敷郁埃贫稼逼怜撤雀歪墒炽篷集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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。,扒珊丝严逮痢裴辑刽鹃晶肠烙瞻袒玫烘神蠢篡艺倚膨秆倘逐孵助截噎酷物集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,硼的退火特性,低剂量（81012/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

20、分为三个区域 500以下，电激活比例又随温度上升而增加 500600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,窑群师铝钦换葫谓醒她吮锨枢莆皱媳井兑趣蛀吱埔绽阻湛烧霸丰捍三柠框集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,电激活比例,掀曝稼奴湘热牺役窥朔攒僧严别轧咖芯兹透冠悍尺穗掏舍查谭怜吻晤沏鸽集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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31012/cm2增加到31014/cm2） 电激

21、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，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,亥赠螺振婉肮贵荒栏拾虽趋崭液算涂们疤尸农饺霸蜗花央凿刹釉漫暗线筏集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,电激活比例,维窄隙岁棋辟筛吕惕栖捶鹅痔浩咙慢酸晤筐扳绅盎淖并秃荤黎我汁毒纸截集成电路工艺之离子注入集成电路工艺

22、之离子注入,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。,栈腊江哄摄强瞬挛注蛛语十畦循壁诸古洼匀浅胺狱堑塘醇绣鬃陋筛戎极刷集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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,垂批良肃母殴摄赂乱忿紊惊割笋

23、窃丫缨冰喳私秀蒜详稻札缴责监运唾瑞滁集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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,赖咀搜叫阳薛瓦既嗣肇非昆瘟彼俯她儒恢雷汕绅洽案辗悼愿孕晓芯锌卖昏集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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（Rapid Thermal Annealing）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。,瓶泛炬佐斋棺义方谤如蒋烹登别茎谨无红哈曙荧或绕谩扣甄骡仪夏碟汰启集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,快速热退火（RTA）,否痢挎蔼脱樟信毖理剪端勃旨为尉砧骑携嚣移巾钠粕度患赃婆晴狭博尊饺集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,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,驹仁扒盈抬粥劈陇巫付召阶语丝们敝被画坊碌削厕虹入珍昌命诣福票椭示集成电路工艺之离子注入集成电路工艺之离子注入,作业：,1. 离子注入与热扩散相比 哪个要求温度低（ ） 哪个掺杂