集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理與工藝哈爾濱工業(yè)大學(xué)/田麗離子注入第五章離子注入JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU5.1概述5.2離子注入原理5.3注入離子在靶中的分布5.4注入損傷5.5退火5.6離子注入設(shè)備與工藝5.7離子注入的其它應(yīng)用5.8離子注入與熱擴(kuò)散比較及摻雜新技術(shù)目錄CONTENTS5.1概述什么是離子注入：將含雜質(zhì)的化合物分子電離，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下離子被加速射入靶材料的表層，以改變這種材料表層的性質(zhì)。離子注入過(guò)程用離子注入方法，將一定劑量的Ⅲ、Ⅵ族雜質(zhì)注入到半導(dǎo)體晶片的特定區(qū)域，再進(jìn)行退火，激活雜質(zhì)，修復(fù)晶格損傷，從而獲得所需的雜質(zhì)濃度，形成pn結(jié)。5.2離子注入原理5.2.1與注入離子分布相關(guān)的幾個(gè)概念射程R：離子在靶內(nèi)移動(dòng)的總路線長(zhǎng)度；投影射程xP：在入射方向上離子射程的投影距離；射程的橫向分量xi：在與入射方向垂直的方向上離子射程的投影距離。R=l1+l2+l3…射程分布：大量入射離子投影射程的統(tǒng)計(jì)分布，即靶內(nèi)入射離子濃度分布注入離子的二維分布5.2.1與注入離子分布相關(guān)的幾個(gè)概念投影射程標(biāo)準(zhǔn)偏差（

Rp）：是平均投影射程的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)平均投影射程（Rp）：正是離子濃度最大值位置橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差（

R

）：是射程的平均橫向分量的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)。

5.2離子注入原理入射離子與原子核的碰撞，即核阻擋的能量損失過(guò)程；入射離子與電子的碰撞，即電子阻擋的能量損失過(guò)程。在集成電路制造中，注入離子的能量一般為5~500keV，進(jìn)入靶內(nèi)的離子不僅與靶內(nèi)的自由電子和束縛電子發(fā)生相互作用，而且與靶內(nèi)原子核相互作用。LSS理論認(rèn)為注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)立的部分：5.2.2離子注入相關(guān)理論基礎(chǔ)5.2離子注入原理能量為E的一個(gè)注入離子與靶原子核碰撞，離子能量轉(zhuǎn)移到原子核上，結(jié)果使離子改變運(yùn)動(dòng)方向，而靶原子核可能離開原位，成為間隙原子，或只是能量增加。碰撞參數(shù)p≤r1+r2核阻止本領(lǐng)（Sn）：能量為E的注入離子在單位密度靶內(nèi)運(yùn)動(dòng)單位長(zhǎng)度時(shí)，損失給靶原子核的能量。1.核碰撞5.2.2離子注入相關(guān)理論基礎(chǔ)5.2離子注入原理碰撞參數(shù)p≤r1+r2正面碰撞，p=0，能量轉(zhuǎn)移最大：假設(shè)注入離子與靶內(nèi)原子之間是彈性碰撞忽略外圍電子的屏蔽，注入離子與靶內(nèi)原子間勢(shì)函數(shù)：

考慮電子屏蔽時(shí)離子與靶核之間相互作用勢(shì)函數(shù)：

核阻止本領(lǐng)5.2離子注入原理托馬斯?費(fèi)米屏蔽函數(shù)核阻止本領(lǐng)（核能量損失率）與入射離子能量關(guān)系最簡(jiǎn)屏蔽函數(shù)：

核阻止本領(lǐng)5.2離子注入原理2.電子碰撞注入離子與靶內(nèi)白由電子及束縛電子之間的碰撞。電子阻止本領(lǐng)和入射離子的速度成正比：?jiǎn)挝宦烦躺献⑷腚x子的總能量損失：

注入離子與靶內(nèi)原子核周圍電子云通過(guò)互作用，使離子失去能量，束縛電子被激發(fā)或電離、自由電子發(fā)生移動(dòng)，而且會(huì)瞬時(shí)形成電子-空穴對(duì)。電子阻止本領(lǐng)：125.2.2離子注入相關(guān)理論基礎(chǔ)5.2離子注入原理5.2.3幾種常用雜質(zhì)在硅中的原子阻止本領(lǐng)與能量關(guān)系離子原子量與硅比較H+1輕B+11輕O+16輕Si28p+31接近BF2+11+2×19重Ge+72.5重As+75重Sb+122重5.2離子注入原理5.2離子注入原理

核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)曲線5.2離子注入原理高能離子與低能離子高能離子注入不同深度核與電子阻止本領(lǐng)的對(duì)比5.3注入離子在靶中的分布5.3.1縱向分布設(shè)注入離子初始能量為E0，求進(jìn)入靶面后的射程：射程R與平均投影射程Rp和投影標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔRp之間的關(guān)系為:E和R的緩變函數(shù)M1>M2;b=1/3一束離子射入非晶靶，因注入離子在靶內(nèi)受到的碰撞是隨機(jī)的，所以注入離子射程也是按幾率分布。0x(atoms/cm3)(atoms/cm2)高斯分布函數(shù)5.3注入離子在靶中的分布5.3.1縱向分布5.3.2橫向效應(yīng)

5.3注入離子在靶中的分布5.3注入離子在靶中的分布雜質(zhì)注入到非晶硅靶中的等濃度曲線不同雜質(zhì)，在E0相同，原子量越小，橫向效應(yīng)越大，注入的也越深。同種雜質(zhì)，隨著E0增加，橫向效應(yīng)逐漸變大，注入的也逐漸變深。無(wú)定形硅靶中B、P和As的ΔRp、ΔR⊥與E0關(guān)系5.3注入離子在靶中的分布橫向效應(yīng)的影響35keV注入As120keV注入As5.3注入離子在靶中的分布5.3.3單晶靶中的溝道效應(yīng)(111)Si(100)Si(110)Si1.8?硅片傾斜旋轉(zhuǎn)后無(wú)序方向離子束準(zhǔn)確地沿著晶向注入，進(jìn)入溝道的離子幾乎不會(huì)受到原子散射，這部分離子能量損失小，將穿過(guò)較大距離，這種現(xiàn)象稱為溝道效應(yīng)。5.3注入離子在靶中的分布臨界角

晶軸方向上面是〈111〉Si，下面是〈100〉Si注入離子束與靶片晶向夾角比Ψc大得多時(shí)，很少發(fā)生溝道效應(yīng)，可用臨界角來(lái)描述發(fā)生溝道效應(yīng)的界限。硅中常用雜質(zhì)的臨界角與能量關(guān)系5.3注入離子在靶中的分布沿Si<110>晶向的溝道效應(yīng)由于溝道效應(yīng)的存在，在晶體中的注入離子濃度將偏離高斯分布函數(shù)，實(shí)際濃度分布中出現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的“尾巴”。Rp偏離<110>晶向8°5.3注入離子在靶中的分布表面非晶層對(duì)于溝道效應(yīng)的作用為避免溝道效應(yīng)，實(shí)際離子注入常隔著氧化層進(jìn)行；或用Si，Ge，As等離子先預(yù)注入，使窗口表面形成非晶層，然后再注入雜質(zhì)離子。5.3注入離子在靶中的分布增大注入劑量對(duì)溝道效應(yīng)的作用產(chǎn)生了非晶化層5.3.4影響注入離子分布的其它因素5.3注入離子在靶中的分布背散射：指高能離子束入射到靶片時(shí)，一小部分與表面原子彈性散射，而從靶片表面反射回來(lái)的現(xiàn)象。輕離子注入：由于靶原子核的大角度反向散射，會(huì)引起在峰值與表面一側(cè)有較多的離子堆積。5.3.4影響注入離子分布的其它因素4.3注入離子在靶中的分布重離子注入：與靶原子核的散射角小，會(huì)引起比峰值更遠(yuǎn)一側(cè)有較多的離子堆積。注入離子越輕平均投影射程越遠(yuǎn)，射程標(biāo)準(zhǔn)偏差也越大。5.3注入離子在靶中的分布常用雜質(zhì)在Si、SiO2中E0與Rp及ΔRp、ΔR⊥5.4注入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，位移原子還可把能量依次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的空位(V)－間隙原子(I)對(duì)，以及其它類型晶格無(wú)序的分布。這種因?yàn)殡x子注入所引起的簡(jiǎn)單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。(Si)SiSiI+SiV5.4注入損傷5.4.1級(jí)聯(lián)碰撞碰撞：有彈性和非彈性碰撞。移位原子：因碰撞而離開晶格位置的原子，又稱反沖原子。移位閾能Ed：使一個(gè)處于平衡位置的原子發(fā)生移位所需的最小能量，硅原子：Ed≈15eV。級(jí)聯(lián)碰撞：指碰撞中靶原子位移，該移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移的現(xiàn)象。5.4注入損傷入射離子與靶原子碰撞的三種情況：EE<Ed

，無(wú)移位原子，表現(xiàn)為宏觀熱能。Ed<E<2Ed

，只能使一個(gè)原子移位，出現(xiàn)第一級(jí)反沖原子。E>2Ed

，發(fā)生級(jí)聯(lián)碰撞，出現(xiàn)第二級(jí)反沖原子、第三極反沖原子…，產(chǎn)生大量空位與自間隙原子。級(jí)聯(lián)碰撞使大量靶原子移位，導(dǎo)致晶格高密度損傷。對(duì)于同種類靶（如硅片），不同注入離子的級(jí)聯(lián)碰撞情況不同。5.4注入損傷5.4.2簡(jiǎn)單晶格損傷每次碰撞傳給靶原子的能量小，只能產(chǎn)生少量移位原子。同時(shí)，入射離子散射角度大，運(yùn)動(dòng)方向變化就大。輕離子注入產(chǎn)生的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較大，呈鋸齒狀。每次碰撞傳輸給靶原子的能量大，易發(fā)生級(jí)聯(lián)碰撞。同時(shí)，入射離子散射角小，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。輕離子入射：重離子入射：在臨界劑量開始形成連續(xù)非晶層5.4注入損傷5.4.3非晶層的形成晶格損傷有三種：點(diǎn)缺陷損傷復(fù)合體非晶層晶格損傷主要與注入離子劑量、質(zhì)量、能量、劑量率，以及靶溫有關(guān)：注入劑量越大，晶格損傷越嚴(yán)重。簡(jiǎn)單晶格損傷臨界劑量5.4注入損傷臨界劑量注入離子原子量越小，臨界劑量越大；靶溫升高，臨界劑量上升；注入離子能量升高，臨界劑量降低；注入離子劑量率上升，臨界劑量下降；沿某晶軸方向入射，臨界劑量高于隨機(jī)入射。5.5退火離子注入后必須進(jìn)行退火，就是將硅片在某一高溫下保持一段時(shí)間，使雜質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入替位，有電活性；并修復(fù)晶格，使損傷區(qū)域“外延生長(zhǎng)”為晶體，恢復(fù)或部分恢復(fù)硅的遷移率，少子壽命。退火效果與溫度、時(shí)間、方式有關(guān)。常規(guī)退火溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)效果越好。5.5退火5.5.1硅材料的熱退火特性考慮效果修復(fù)晶格：退火溫度在600oC以上，時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)小時(shí)。雜質(zhì)激活：退火溫度在650－900oC，時(shí)間10－30分鐘。退火工藝條件取決于注入離子質(zhì)量、劑量、能量、靶溫、晶格損傷類型，以及退火效果等。另外，還應(yīng)考慮高溫時(shí)的雜質(zhì)再分布現(xiàn)象。注入劑量低劑量簡(jiǎn)單損傷，在較低溫度下退火就可以消除。高劑量形成非晶區(qū)，400℃時(shí)硅中無(wú)序群才開始分解，在550-600℃硅重新結(jié)晶，雜質(zhì)隨著結(jié)晶進(jìn)入格點(diǎn)電激活。5.5退火5.5.2硼的退火特性ions/cm2低于500℃Ⅰ區(qū)或高于600℃Ⅲ區(qū)，p/Ns都隨溫度上升而單調(diào)增大；在500~600℃的Ⅱ區(qū)，出現(xiàn)逆退火現(xiàn)象。逆退火現(xiàn)象低劑量注入，p/Ns隨溫度上升而單調(diào)增大。高劑量注入，可以將退火溫度分為三個(gè)區(qū)：5.5退火硼逆退火現(xiàn)象產(chǎn)生原因分析晶格損傷以點(diǎn)缺陷為主，低于500℃時(shí)，隨退火溫度上升間隙硼與空位復(fù)合幾率增加，電激活比例增大；溫度升高在500-600℃范圍時(shí)，點(diǎn)缺陷通過(guò)重新組合或結(jié)團(tuán)，凝聚為位錯(cuò)環(huán)等缺陷團(tuán)。因?yàn)榕鹪有?，并和缺陷團(tuán)有很強(qiáng)的作用，易從格點(diǎn)位置又遷移或被結(jié)合到缺陷團(tuán)中，因而出現(xiàn)隨溫度的升高而替位硼的濃度反而下降的逆退火現(xiàn)象。超過(guò)600℃空位濃度增加，硼進(jìn)入空位，所以硼的電激活比例又隨溫度上升而增加。5.5退火5.5.3磷的退火特性較低劑量注入，退火特性與硼相似，

p/Ns隨溫度上升而單調(diào)增大。當(dāng)劑量大于1015/cm2時(shí)，損傷區(qū)為非晶層，出現(xiàn)了不同退火機(jī)理，溫度不到600℃，就發(fā)生了無(wú)定形層的固相外延生長(zhǎng)。磷與硅沒(méi)有區(qū)別地同時(shí)以替位方式結(jié)合入晶格，完全退火。5.5退火5.5.4高溫退火引起的雜質(zhì)再分布注入?yún)^(qū)的雜質(zhì)，即使在比較低的溫度退火，擴(kuò)散效果也非常顯著，這是因?yàn)殡x子注入的晶格損傷造成硅內(nèi)空位密度及其它缺陷數(shù)量大增的緣故。熱退火過(guò)程中的擴(kuò)散是增強(qiáng)擴(kuò)散。退火時(shí)間為35分鐘5.5退火5.5.5二次缺陷二次缺陷二次缺陷就是退火留下的復(fù)雜損傷。二次缺陷隨離子注入劑量及退火溫度而變化?？梢杂绊戄d流子遷移率、少子壽命等，因而直接影響半導(dǎo)體器件的特性。離子注入后進(jìn)行熱氧化時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生更大的層錯(cuò)和位錯(cuò)環(huán)，稱為三次缺陷。三次缺陷可使二極管的反向漏電流變大。5.5退火5.5.6退火方式及快速熱處理技術(shù)快速退火都是在瞬時(shí)將硅片的某個(gè)區(qū)域加熱到高溫，一般在100秒內(nèi)就完成了退火，因此，避免了雜質(zhì)再分布，降低了二次缺陷。5.5退火快速熱處理技術(shù)快速熱處理（Rapidthermalprocessing,RTP）是將晶片快速加熱到設(shè)定溫度，進(jìn)行短時(shí)間快速熱處理的方法，熱處理時(shí)間在10-3-102s之間。近年來(lái)，RTP已成為IC制造必不可少的工藝技術(shù)，被用于快速熱氧化、離子注入后的退火、金屬硅化物的形成和快速熱化學(xué)薄膜淀積等。RTP設(shè)備內(nèi)部示意圖5.6離子注入設(shè)備與工藝5.6.1離子注入機(jī)中科院沈陽(yáng)科儀設(shè)備5.6離子注入設(shè)備與工藝離子注入設(shè)備5.6離子注入設(shè)備與工藝5.6.2離子注入工藝流程選源→制備掩膜→（確定工藝方法、參數(shù)）注入→退火1.選源根據(jù)摻雜類型、用途來(lái)選取采用那種源，常用氣態(tài)源BF3，BCl3，PH3，ASH3。掩膜厚度由掩蔽效果確定，一般要求掩蔽效達(dá)99.99%。2.制備掩膜光刻膠、二氧化硅、金屬等多種材料薄膜都可以作為掩膜使用，5.6離子注入設(shè)備與工藝3.確定工藝方法、參數(shù)直接注入，硅片偏轉(zhuǎn)大于臨界角間接注入，通常是隔著SiO2膜注入先注入Si+、Ge+、Sb+使硅表面非晶化再注入所需離子，（ions/cm2）為防止溝道效應(yīng)，可采取的方法：劑量：1011~1018ions/cm2能量：5–500keV流量：1012-1014ions/cm2.s注入工藝參數(shù)：離子劑量理論上可由離子電流計(jì)算:5.6離子注入設(shè)備與工藝4.退火溫度/℃時(shí)間/min效

果45030雜質(zhì)電活性部分激活，遷移率20~50%恢復(fù)。550同上低劑量B（1012ions/cm2）激活，遷移率50%恢復(fù)。600同上非晶→單晶，大劑量P（1015ions/cm2）激活，遷移率恢復(fù)達(dá)50%。800同上大劑量B，20%激活，其他元素50%激活。95010雜質(zhì)全部激活，遷移率、少子壽命恢復(fù)。典型熱退火工藝條件及效果5.7離子注入的其它應(yīng)用5.7.1淺結(jié)的形成隨著芯片特征尺寸的縮小，結(jié)深要求越來(lái)越淺，而現(xiàn)代摻雜工藝的最大挑戰(zhàn)是超淺結(jié)的形成。形成淺結(jié)的方法主要有：降低注入離子能量;分子注入法，如B+注入采用BF2+，在Si中分解出原子B;預(yù)先非晶化：先注入Si+、Ge+、Sb+，再注入所需離子，如B+。5.7離子注入的其它應(yīng)用5.7.2調(diào)整MOS管的閾值電壓VTn-SiPPSiO2VT

SiO2SiO2BMOS管VT可定義為：使硅表面處在強(qiáng)反型狀態(tài)下所必須的柵壓。通過(guò)薄的柵氧化層進(jìn)行溝道區(qū)域注入，然后經(jīng)過(guò)適當(dāng)退火達(dá)需要的雜質(zhì)濃度，便能實(shí)現(xiàn)調(diào)整VT的目的。5.7離子注入的其它應(yīng)用5.7.3自對(duì)準(zhǔn)硅柵結(jié)構(gòu)n-SiSiO2PSi柵n-SiSiO2PAlXj0.8Xj擴(kuò)散形成寄生電容大B5.7離子注入的其它應(yīng)用5.7.4離子注入在SOI結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用O+4×1017~2×1018atoms/cm2→退火→外延A氧化→注氫H+5×1016atoms/cm2→兩步熱處理鍵合B注氧注氧隔離（SIMOX）技術(shù)制作SOI片的工藝流程：智能剝離（SmartCut）技術(shù)制作SOI片的工藝流程：5.8離子注入與熱擴(kuò)散比較及摻雜新技術(shù)5.8.1離子注入與熱擴(kuò)散技術(shù)比較內(nèi)容熱擴(kuò)散離子注入動(dòng)力高溫、雜質(zhì)的濃度梯度，平衡過(guò)程動(dòng)能，5-500KeV，非平衡過(guò)程雜質(zhì)濃度受固溶度限制摻雜濃度過(guò)高、過(guò)低