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1、集成电路制造技术第四章 离子注入,西安电子科技大学微电子学院戴显英2013年9月,本章主要内容,离子注入特点离子注入设备原理离子注入机理离子注入分布离子注入损失注入退火离子注入与热扩散对比,4.1 离子注入特点,定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。特点:注入温度低:对Si，室温；对GaAs,400。（避免了高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜。）掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在1（高浓度扩散510）；能精确控制浓度分布及结深，特别适合制作高浓度、浅结、突变型分布。,4.1 离
2、子注入特点,无污染:注入离子纯度高，能量单一。（质量分析器；背景真空度高）横向扩散小：有利于器件特征尺寸的缩小。不受固溶度限制:原则上各种元素均可掺杂。注入深度随离子能量的增加而增加。（诸多优点，使离子注入成为IC工艺的主要掺杂技术）缺点：损伤(缺陷)较多:必须退火。成本高,4.2 离子注入设备原理,离子注入设备结构 离子源；质量分析器；加速器；偏束板；扫描器；靶室,离子注入系统的原理示意图,1.离子源作用：产生注入用的离子。原理：杂质原子高能电子轰击（电子放电）注入离子类型：高频，电子振荡，溅射2.磁分析器（质量分析器）作用：将所需离子分选出来。原理：带电离子在磁场中受洛伦磁力作用，运动轨迹
3、发生弯曲。,4.2 离子注入设备原理,3.加速器作用：使离子获得所需的能量。原理：利用强电场，使离子获得更大的速度。4.偏束板作用：使中性原子束因直线前进不能达到靶室。原理：用一静电偏转板使离子束偏转5-8作用再进入靶室。,4.2 离子注入设备原理,扫描器作用：使离子在整个靶片上均匀注入。方式：靶片静止，离子束在X,Y方向作电扫描。粒子束在Y方向作电扫描，靶片在X方向作机械运动。粒子束静止，靶片在X,Y方向作机械运动。靶室（工作室）：高温靶（800），低温靶（液氮温度），冷却靶（小于120）。,4.2 离子注入设备原理,靶：被掺杂的材料。有 晶体靶：Si片；无定形靶：SiO2、Si3N4、光刻
4、胶等。无定形靶：可精确控制注入深度。,能量损失机制核阻挡 与晶格原子的原子核碰撞 大角度散射（离子与靶原子质量同数量级）可能引起晶格损伤（间隙原子和空位）电子阻挡 与晶格原子的自由电子及束缚电子碰撞 注入离子路径基本不变 能量损失很少 晶格损伤可以忽略典型的注入能量：5-500keV,4.3 离子注入机理-核阻挡与电子阻挡,4.3.1 核阻挡本领Sn(E)（能量为E的注入离子）Sn(E)=(dE/dx)n(dE/dx)n-核阻挡能量损失率.,4.3 离子注入机理-核碰撞与电子碰撞,注入离子与靶原子的相互作用库仑力 F(r)=q2Z1Z2/r2 势能 V(r)=q2Z1Z2/r Z1、Z2-核电
5、荷数；r距离。考虑电子的屏蔽作用势能 V(r)=q2Z1Z2/rf(r/a)f(r/a)-屏蔽函数；a-屏蔽参数；最简单（一级近似）：f(r/a)=a/r，则Sn=Sn0=常数（图4.2，虚线）；更精确：托马斯-费米屏蔽函数（图4.2，实线）。,4.3 离子注入机理-核碰撞与电子碰撞,4.3.2 电子阻挡本领LSS模型：电子是自由电子气，类似黏滞气体。Se(E)=(dE/dx)e=CV=ke(E)1/2(dE/dx)e-电子阻挡能量损失率；V-注入离子速度；C-常数；ke-与Z1、Z2、M1、M2有关的常数：对非晶Si：ke1x103(eV)1/2m-1；对非晶AsGa：ke 3x103(eV
6、)1/2m-1；,4.3 离子注入机理-核碰撞与电子碰撞,注入离子的阻挡本领与注入能量关系,4.3.3 射程粗略估计LSS模型：引入简化的无量纲的能量参数和射程参数，即=(RNM1M24a2)/(M1+M2)2=E0aM2/Z1Z2q2(M1+M2)N-单位体积的原子数；以d/d1/2 作图，得图4.5,4.3 离子注入机理-核碰撞与电子碰撞,注入离子能量与阻挡本领 高能区：电子阻挡占主要，核阻挡可忽略。中能区：核阻挡占与电子阻挡相当；低能区：核阻挡占主要，电子阻挡可忽略；,4.3 离子注入机理-核碰撞与电子碰撞,4.3 离子注入机理-核碰撞与电子碰撞,临界能量（交叉能量）Ene(Ec):Sn
7、(E)=Se(E)处的能量 Ene随注入离子原子量的增加而增大。轻离子，B:Ene15keV，重离子，P:Ene150keV。,射程R的粗略估算 注入离子初始能量E0Ene：Se(E)为主，则 Rk1E01/2 k1=2/ke 对非晶Si：ke1x103(eV)1/2m-1；对非晶AsGa：ke 3x103(eV)1/2m-1；注入离子初始能量E0 Ene：Sn(E)为主，且假设 Sn(E)=Sn0，则 Rk2E0,4.3 离子注入机理-核碰撞与电子碰撞,4.4 注入离子分布,1.总射程R定义：注入离子在靶内走过的路径之和。R与E的关系：根据能量的总损失率，,式中，E0注入离子的初始能量。,2
8、.投影射程XP：总射程R在离子入射方向（垂直靶片）的投影长度，即离子注入的有效深度。3.平均投影射程RP：投影射程XP的平均值（离子注入深度的平均值），具有统计分布规律几率分布函数。,4.4 注入离子分布,4.标准偏差（投影偏差）RP反映了RP的分散程度（分散宽度）5.R、RP及RP间的近似关系,M1注入离子质量，M2靶原子质量,4.4 注入离子分布,4.4.1 注入离子纵向分布-高斯分布 注入离子在靶内不断损失能量，最后停止在某处；注入离子按一定的统计规律分布。求解注入离子的射程和离散微分方程：距靶表面为x(cm)处的浓度分布为-高斯函数 Nmax=0.4NS/RP峰值浓度（在RP处），NS
9、注入剂量,4.4 注入离子分布,4.4 注入离子分布,4.4.2 横向效应横向效应与注入能量成正比是结深的3050；窗口边缘的离子浓度是中心处的50；,4.4 注入离子分布,4.4.3 沟道效应(ion channeling)非晶靶：对注入离子的阻挡是 各向同性；单晶靶：对注入离子的阻挡是 各向异性；沟道：在单晶靶的主晶轴方向 呈现一系列平行的通道，称为沟道。,4.4 注入离子分布,沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶 靶远的多。好处：结较深；晶格损伤小。不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。减小沟道效应的途径 注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值-70；淀积非晶表面层（
10、SiO2)；在表面制造损伤层；提高靶温；增大剂量。,4.4 注入离子分布,4.5 注入损伤,离子注入的碰撞：弹性碰撞和非弹性碰撞注入能量较高：与电子的非弹性碰撞为主；注入能量较低：与靶原子核的弹性碰撞为主。4.3.1 级联碰撞Ed:靶原子离开其平衡位置所需的最低能量。ET:碰撞后靶原子获得的能量。若 ETEd：靶原子位移，留下空位；若 ETEd：位移原子（反冲原子）再与靶原子碰撞，产生级联碰撞。,4.3.2 晶格损伤轻注入离子：如，起始以电子碰撞为主；重注入离子：如，起始以核碰撞为主。,4.5 注入损伤,损伤密度 例1：B离子，E0=80keV，Rp=250nm;已知:Si晶格间距为0.25n
11、m；初始S（E）=35eV/nm；则 ET=35X0.25=8.75eVEd=15eV，Si不位移；当能量衰减为E=40keV（进入约130nm）,S（E）=60eV/nm，则 ET=60X0.25=15eV=Ed，Si位移，且位移2.5nm/次；设：每个晶面都有1个Si位移，则在B离子停止前，位移Si为 120nm/0.25nm=480（个）设：Si位移2.5nm,则损伤体积为 Vdam=（2.5nm)2(120nm)=2.4X10-18cm3损伤密度=480/Vdam=2X1020cm-3(占相应体积中所有原子的0.4%）,4.5 注入损伤,例2：As离子，E0=80keV，Rp=50nm
12、，平均S（E）=1.2keV/nm1个As共产生约4000个位移SiVdam=（2.5nm)2(50nm)=1X10-18cm3损伤密度=4000/Vdam=4X1021cm-3(占相应体积中所有原子的8%）,4.5 注入损伤,4.5.3 非晶层的形成 随注入剂量的增加，原先相互隔离的损伤区发生重叠，最终形成长程无序的非晶层。临界剂量形成非晶层所需的最小注入离子剂量；临界剂量与注入离子质量成反比。靶温靶温越高，损伤越轻。,4.5 注入损伤,4.6 注入退火,离子注入所形成的损伤有：散射中心：使迁移率下降；缺陷中心：非平衡少子的寿命减少，漏电流增加；杂质不在晶格上：起不到施主或受主的作用。退火目
13、的：消除注入损伤，使注入离子与位移Si原子恢复正常的替位位置激活。退火方法：热退火（传统退火）；快速退火。,热退火机理：a.无定形层（非晶层）：通过固相外延，使位移原子重构而有序化。无定形是晶体的亚稳态，这种固相外延可在较低温度下发生。b.非无定形层：高温下，原子振动能增大，因而移动能力增强，可使复杂的损伤分解为简单的缺陷，如空位、间隙原子等。简单的缺陷能以较高的迁移率移动，相互靠近时，就可能复合而使缺陷消失。退火工艺条件：温度；时间；方式（常规、快速）。,4.6 注入退火,4.6.1 硅材料的热退火特性退火机理：复杂的损伤分解为简单缺陷：空位、间隙原子；简单缺陷可因复合而消失；损伤由单晶区向
14、非单晶区通过固相外延再生长得到恢复。二次缺陷：简单缺陷重新组合，形成新的缺陷。注入剂量与退火温度成正比。载流子激活所需温度：低于寿命和迁移率恢复所需温度(杂质激活能小于Si扩散的激活能）。,4.6 注入退火,4.6.2 硼的退火特性4.6.3 磷的退火特性4.6.4 热退火过程的扩散效应（以上请自学）,4.6 注入退火,4.6.5 快速退火(RTA，rapid thermal annealing)常规热退火的缺点 激活率an低；二次缺陷；导致明显的杂质再分布；硅片变形。RTA机理：利用高功率密度的物质作用于晶片表面，使注入层在短时间内达到高温，以到消除损伤的目的。特点：退火时间短（101110
15、2秒）；注入杂质激活率高；对注入杂质分布影响小；衬底材料的电学参数基本不受影响；,4.6 注入退火,4.6.5 快速退火,种类a.脉冲激光：固液相外延退火机理。优点：功率密度高；激活率高。b.连续波激光：固固相外延退火机理。优点：杂质分布不受影响。缺点：能量转换率低（1）c.电子束：固液外延退火机理。优点：能量转换率高（50）。d.宽带非相干光源光源：卤素灯，电弧灯。优点：无干涉效应；生产效率高；设备简单。,RTA与炉（热）退火,RTP退火,炉退火,金属栅极对准问题,对准,未对准,金属栅MOS工艺：先制作源漏，后制作栅极（为什么？）,离子注入P（自对准）,1、以多晶硅栅为掩膜，离子注入各项异性，自对准注入2、同时多晶硅也被掺杂，多晶硅的电阻率降低,在小尺寸器件中，尤其重要，,扩散与离子注入的对比,
