集成電路工藝原理

仇志軍zjqiu@邯鄲校區(qū)物理樓435室1大綱第一章前言第二章晶體生長第三章實驗室凈化及硅片清洗第四章光刻第五章

熱氧化第六章熱擴散第七章離子注入第八章薄膜淀積第九章刻蝕第十章后端工藝與集成第十一章未來趨勢與挑戰(zhàn)2上節(jié)課主要內(nèi)容LSS理論？阻止能力的含義？離子注入的雜質(zhì)分布？退火后？離子注入的主要特點？掩蔽膜的厚度？精確控制摻雜，淺結(jié)、淺摻雜，純度高，低溫，多種掩模，…非晶靶。能量損失為兩個彼此獨立的過程(1)核阻止與(2)電子阻止之和。能量為E的入射粒子在密度為N的靶內(nèi)走過x距離后損失的能量。掩膜層能完全阻擋離子的條件：3總阻止本領（Totalstoppingpower）核阻止本領在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）電子阻止本領在高能量下起主要作用核阻止和電子阻止相等的能量4離子注入的溝道效應溝道效應（Channelingeffect）當離子沿晶軸方向注入時，大部分離子將沿溝道運動，幾乎不會受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠。5110111100傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向6濃度分布由于溝道效應的存在，在晶體中注入將偏離LSS理論在非晶體中的高斯分布，濃度分布中出現(xiàn)一個相當長的“尾巴”產(chǎn)生非晶化的劑量沿<100>的溝道效應7表面非晶層對于溝道效應的作用BoronimplantintoSiO2BoronimplantintoSi8B質(zhì)量比As輕，當以約7°角度進行離子注入硅襯底時，B的尾區(qū)更大。因為：溝道效應：當離子沿晶軸方向注入時，大部分離子將沿溝道運動，幾乎不會受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠（很深）。傾斜角度注入表層非晶化：預非晶化，大劑量注入，非晶SiO2膜1）B碰撞后傳遞給硅的能量小，難以形成非晶層2）B的散射大，容易進入溝道。非晶9減少溝道效應的措施

對大的離子，沿溝道軸向(110)偏離7－10o用Si，Ge，F(xiàn)，Ar等離子注入使表面預非晶化，形成非晶層（Pre-amorphization）增加注入劑量（晶格損失增加，非晶層形成，溝道離子減少）表面用SiO2層掩膜10表面處晶格損傷較小射程終點（EOR）處晶格損傷大11EORdamageCourtesyAnn-ChatrinLindberg(March2002).12晶格損傷：高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列碰撞，可能使靶原子發(fā)生位移，被位移原子還可能把能量依次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的空位－間隙原子對及其它類型晶格無序的分布。這種因為離子注入所引起的簡單或復雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。什么是注入損傷(Si)SiSiI+SiV13損傷的產(chǎn)生移位原子：因碰撞而離開晶格位置的原子。移位閾能Ed：使一個處于平衡位置的原子發(fā)生移位，所需的最小能量.(對于硅原子,Ed15eV)E<Ed

無位移原子Ed<E<2Ed

有位移原子E>2Ed

級聯(lián)碰撞注入離子通過碰撞把能量傳給靶原子核及其電子的過程，稱為能量傳遞過程14損傷區(qū)的分布重離子每次碰撞傳輸給靶的能量較大，散射角小，獲得大能量的位移原子還可使許多原子移位。注入離子的能量損失以核碰撞為主。同時，射程較短，在小體積內(nèi)有較大損傷。重離子注入所造成的損傷區(qū)域小，損傷密度大。質(zhì)量較靶原子輕的離子傳給靶原子能量較小，被散射角度較大，只能產(chǎn)生數(shù)量較少的位移靶原子，因此，注入離子運動方向的變化大，產(chǎn)生的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較大。呈鋸齒狀。15離子注入損傷估計100KeVB離子注入損傷初始核能量損失：30eV/nm,硅晶面間距:0.25nm,每穿過一個晶面能量損失:30eV/nmX0.25nm=7.5eV<Ed(15eV).當能量降到50KeV,穿過一個晶面能量損失為15eV,該能量所對應的射程為:150nm.位移原子數(shù)為:150/0.25=600,如果移位距離為:2.5nm,那么損傷體積:(2.5)2X150=3X10-18cm3.損傷密度:2X1020cm-3,

大約是原子密度0.4%.100KeVAs離子注入損傷平均核能量損失：1320eV/nm,損傷密度:5X1021cm-3,

大約是原子密度10%,該數(shù)值為達到晶格無序所需的臨界劑量,即非晶閾值.1617非晶化（Amorphization）注入離子引起的晶格損傷有可能使晶體結(jié)構(gòu)完全破壞變?yōu)闊o序的非晶區(qū)。與注入劑量的關系注入劑量越大，晶格損傷越嚴重。臨界劑量：使晶格完全無序的劑量。臨界劑量和注入離子的質(zhì)量有關18損傷退火（DamageAnnealing）被注入離子往往處于半導體晶格的間隙位置，對載流子的輸運沒有貢獻；而且也造成大量損傷。注入后的半導體材料：雜質(zhì)處于間隙n<<ND；p<<NA

晶格損傷，遷移率下降；少子壽命下降熱退火后：nn=ND(p=NA)

bulk

019損傷退火的目的恢復晶格——去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復其原有完美晶體結(jié)構(gòu)激活雜質(zhì)——讓雜質(zhì)進入電活性（electricallyactive）位置－替位位置。電性能還原——恢復載流子遷移率和少子壽命注意：退火過程中應避免大幅度的雜質(zhì)再分布2021損傷恢復機制

（DamageRecoveryMechanism）Annihilation:recombinationSiI+SiV(Si)SiMonteCarlo模擬的I-V復合結(jié)果：短時間內(nèi)（10-2秒）800C下，體內(nèi)的V在表面復合迅速完成，產(chǎn)生剩余的I，其表面復合相對較緩慢。在400C以上，這些I可接合入{311}面形成棒/帶狀缺陷，并可以穩(wěn)定較長時間。FrenkelI-Vpairs22該{311}缺陷帶在較高溫度下（800～1000C）即可退火修復，但是釋放出大量填隙原子I。損傷小于臨界值，這些{311}缺陷可以完全分解，回復完美晶體。損傷高于臨界值，則{311}缺陷可能變成穩(wěn)定的位錯環(huán)，該位錯環(huán)位于EOR，并難以去除。TED漏電流大23常規(guī)熱退火

一定溫度下，通常在Ar、N2或真空條件下退火溫度取決于注入劑量及非晶層的消除。修復晶格：退火溫度600oC以上，時間最長可達數(shù)小時雜質(zhì)激活：退火溫度650－900oC，時間10－30分鐘

*方法簡單*不能全部消除缺陷*對高劑量注入激活率不夠高*雜質(zhì)再分布2425。高功率激光束輻照。電子束

。高強度的光照

。其它輻射

RTP主要優(yōu)點是摻雜的再分布大大降低，對制備淺結(jié)器件特別有利b）快速熱退火，RapidThermalProcessing（RTP）2627282930離子注入在集成電路中的應用一、CMOS制造9-10differentI/Iidentified!31二、雙極型制造（Bipolarfabrication）。高能注入形成埋層。LOCOS下方的p-n結(jié)隔離。形成基區(qū)注入。砷注入多晶硅發(fā)射區(qū)。多晶電阻32三、其它應用硅襯底背面損傷形成吸雜區(qū)

BacksideDamageLayerFormationforGettering形成SOI結(jié)構(gòu)Silicon-On-InsulatorUsingOxygenorHydrogenImplantation333435本節(jié)課主要內(nèi)容什么是離子注入損傷？退火的目的是什么