集成电路制造工艺之离子注入

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1、恒定表面源扩散：扩散过程中，表面的杂质浓度Cs始终保持恒定。杂质分布形式：余误差分布随着扩散时间增大， 进入体内的杂质数量增加， 结深增大， pn结处的杂质浓度梯度变缓。上节课内容小结菲克第二定律：扩散方程有限表面源扩散：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 Rp一侧有较多

2、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。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4.2.2、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Y扣Z分别为在Y方向和Z方向上的标准偏差。Y= Z=R，R为横向离散。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-

3、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。(a) 杂质B、P、Sb通过l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硼、磷和砷入射到无定形硅靶中时，Rp和R与入射能量的关系4.2.3、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。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

4、为7。部分沟道效应，在两次碰撞之间有沟道效应存在。4.2.4、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。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

5、化。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 。如果传递的能量大于Ed而小于2 Ed ，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。如果靶原子获得的能量大于2 Ed ，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”。4.3.1、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。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

6、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。4.3.2、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，

7、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4.3.2、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

8、是因为温度越高，自退火效应 越显著。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。4.4.1、硅材料的热退火特性退

9、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。热退火的重结晶过程4.4.2、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

10、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。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

11、，产生非晶区的临界剂量不同，退火要求也不同。4.4.3、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。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

12、件。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

13、化层在退火后结晶质量好。上节课内容小结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。4.4.4、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

14、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）4.4.5、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

15、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。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

16、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。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