離子注入和快速退火實(shí)用工藝

1、離子注入和快速退火工藝離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底硅的過(guò)程。 注入能量介 于1keV到1Me之間，注入深度平均可達(dá)10nm10um離子劑量變動(dòng)X圍從用于閾值 電壓調(diào)整的1012/cm3到形成絕緣層的1018/cm3。相對(duì)于擴(kuò)散工藝，離子注入的主 要好處在于能更準(zhǔn)確地控制雜質(zhì)摻雜、可重復(fù)性和較低的工藝溫度。高能的離子由于與襯底中電子和原子核的碰撞而失去能量，最后停在晶格內(nèi)某一深度。平均深度由于調(diào)整加速能量來(lái)控制。 雜質(zhì)劑量可由注入時(shí)監(jiān)控離子電 流來(lái)控制。主要副作用是離子碰撞引起的半導(dǎo)體晶格斷裂或損傷。因此，后續(xù)的退化處理用來(lái)去除這些損傷。1離子分布一個(gè)離子在停止前所經(jīng)過(guò)的總距離

2、，稱為射程 R。此距離在入射軸方向上的投影 稱為投影射程Rp。投影射程的統(tǒng)計(jì)漲落稱為投影偏差c p。沿著入射軸的垂直的 方向上亦有一統(tǒng)計(jì)漲落，稱為橫向偏差c丄。如下圖顯示了離子分布，沿著入射軸所注入的雜質(zhì)分布可以用一個(gè)高斯分布函數(shù)來(lái)近似:心）=-7=-二冬' S為單位面積的離子注入劑量，此式等同于恒定摻雜總量擴(kuò)散關(guān)系式。沿x軸移動(dòng)了一個(gè)Rp?；貞浌?C(x,t) =對(duì)于擴(kuò)散，最大濃度為x = 0;對(duì)于離子注入，位于Rp處。在x Rp=± (T p處，離子濃度比其峰值降低了 40%在土 2 c p處如此將為10%在土 3 c p處為 1%在土 4 c p處將為0.001%。沿

3、著垂直于入射軸的方向上，其分布亦為高斯分布， 可用：CXP(表示。因?yàn)檫@種形式的分布也會(huì)參數(shù)某些橫向注入2 離子中止使荷能離子進(jìn)入半導(dǎo)體襯底后靜止有兩種機(jī)制。一是離子能量傳給襯底原子核，是入射離子偏轉(zhuǎn)，也使原子核從格點(diǎn)移出。設(shè)E是離子位于其運(yùn)動(dòng)路徑上某點(diǎn)x處的能量，定義核原子中止能力：dE二是入射離子與襯底原子的電子云相互作用， 通過(guò)庫(kù)侖作用，離子與電子碰 撞失去能量，電子如此被激發(fā)至高能級(jí)或脫離原子。定義電子中止能力：個(gè)=(鑰dx離子能量隨距離的平均損耗可由上述兩種阻止機(jī)制的疊加而得:ax如果一個(gè)離子在停下來(lái)之前，所經(jīng)過(guò)的總距離為R,如此RdEE0為初始離子能量，R為射程。核阻止過(guò)程可以看成

4、是一個(gè)入射離子硬球與襯底核硬球之間的彈性碰撞M12 / 14轉(zhuǎn)移給M2的能量為:怎所示，交叉能量 可以用下述近似Sn點(diǎn)是方程式來(lái)求得投影E）和R之-2卜陽(yáng)；D3 V,L階：o” 述 被置箍的硅原子® ® ® ®IMhkrV-lOkffV期泗W0財(cái)ioooAfttM期r專蝕對(duì)卸.確咼腐子的按中止龍力S/E叭電齊中山能力環(huán)也議的交點(diǎn)財(cái)隔這兩釋中止力相睜時(shí)的能電子中止能力與入射離子的速度成正比：其中系數(shù)ke是原子質(zhì)量和原子序數(shù)的弱相關(guān)函數(shù)。 硅的ke值107(eV)1/2/cm 砷化傢的ke值為3X 107(eV)1/2/cm離子中止兩種機(jī)制：疋離子能量傳給襯

5、底原子核，疋入射離子偏轉(zhuǎn)，也使原子核從格點(diǎn)移出。二是入射離子與襯底原子的電子云相互作用， 通過(guò)庫(kù)侖作用,離子與電子碰撞失去能量，電子如此被激發(fā)至咼能級(jí)或脫離原子:盤i<1Siz-JIlli Ihlllh 1 1 ii il1 R i 1 Billfl.Bp ABB卻:"%GaAs7”炸HrE 1-i 1 h i it li14 I h 11 ii101W 1000人射稱子能耐V)入時(shí)離于堆屋(kdV)(|JB，As ft it中$的股舉卅程、(町H、Zc和天在辟It稼中的flt總射投匿塚遼和損向厲蛙程、找燐怕咤和慣向恒苑闍曲 投母射程"投凰傭爹和橫向國(guó)覽比校3 離子注

6、入的溝道效應(yīng)前述高斯分布的投影射程與投影的標(biāo)準(zhǔn)偏差能很好地說(shuō)明非晶硅或小晶粒 多晶硅襯底的注入離子分布。只要離子束方向偏離低指數(shù)晶向111，硅和砷化傢中的分布狀態(tài)就如在非晶半導(dǎo)體中一樣。 在此情況下，靠近峰值處的實(shí)際雜質(zhì) 分布，可用“高斯分布函數(shù)來(lái)表示，即使延伸到低于峰值一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)處也 一樣，這表示在如下圖中。然而即使只偏離111晶向7度，仍會(huì)有一個(gè)隨距離而 成指數(shù)級(jí)exp(-x/入)變化的尾區(qū)，其中入的典型的數(shù)量級(jí)為。襯底定位時(shí)有意偏離晶向情況下的雜質(zhì)分布。 離子束從111!由偏離7度入射。卯-X捅*井弁的城區(qū)Wfns/GUTI6D keVI0itLi11一00.2U.4U.6D.8&a

7、mp;1 7-7就崖位時(shí)育蹟儲(chǔ)離島向冊(cè)況下的雜質(zhì)分布，圖中離子束人時(shí)方向軸 V 1指數(shù)型尾區(qū)與離子注入溝道效應(yīng)有關(guān)，當(dāng)入射離子對(duì)準(zhǔn)一個(gè)主要的晶向并被導(dǎo)向在各排列晶體原子之間時(shí)，溝道效應(yīng)就會(huì)發(fā)生。圖為沿110方向觀測(cè)金剛石晶格的示意圖。離子沿110方向入射，因?yàn)樗c靶原子較遠(yuǎn)，使它在和核碰撞時(shí)不會(huì)損傷大量能量。對(duì)溝道離子來(lái)說(shuō)，唯一的能量損傷機(jī)制是電子阻止, 因此溝道離子的射程可以比在非晶硅靶中大得多。4 離子進(jìn)入的角度與通道<100><110><111>溝道效應(yīng)降低的技巧1、覆蓋一層非晶體的外表層、將硅芯片轉(zhuǎn)向或在硅芯片外表制造一個(gè)損傷的表層。常用的覆蓋層非晶

8、體材料只是一層薄的氧化層圖(a)，此層可使離子束的方向隨機(jī)化，使離子以不同角度進(jìn)入硅芯片而不直接進(jìn)入硅晶體溝道。2、將硅芯片偏離主平面5-10度，也能有防止離子進(jìn)入溝道的效果圖(b) 此方法大局部的注入機(jī)器將硅芯片傾斜 7度并從平邊扭轉(zhuǎn)22度以防止溝道效應(yīng)。3、先注入大量硅或鍺原子以破壞硅芯片外表，可在硅芯片外表產(chǎn)生一個(gè)隨 機(jī)層圖(c),這種方法需使用昂貴的離子注入機(jī)。o Q S O 口O 0 00 o O & O 0 O O 口心 Qoo O 0 O O 0 &的豊(i)經(jīng)過(guò)卄品協(xié)輒化口的注入 (b)干對(duì)準(zhǔn)晶軸的入射<e)隹單胡層匕的預(yù)先損怖5注入損傷與退火離子注入中，

9、與原子核碰撞后轉(zhuǎn)移足夠的能量給晶格，使基質(zhì)原子離開晶格位置而造成注入損傷晶格無(wú)序。這些離位的在也許獲得入射能量的大局部， 接著如骨牌效應(yīng)導(dǎo)致鄰近原子的相繼移位而形成一個(gè)沿著離子路徑的樹枝狀的 無(wú)序區(qū)。當(dāng)單位體積內(nèi)移位的原子數(shù)接近半導(dǎo)體的原子密度時(shí)，單晶材料便成為非晶材料。輕離子的樹枝狀的無(wú)序區(qū)不同于重離子。 輕離子11B+大多數(shù)的能量損傷 起因于電子碰撞，這并不導(dǎo)致晶格損傷。離子的能量會(huì)減低至交叉點(diǎn)能量， 而在 那里核阻止會(huì)成為主導(dǎo)。因此，晶格無(wú)序發(fā)生在離子最終的位置附近。如如下圖 a所示。重離子的能量損失主要是原子核碰撞，因此預(yù)期有大量的損傷。如如下圖b所示。左離子冋斤需的能量密度1021k

10、eV/cm33要估計(jì)將單晶轉(zhuǎn)變?yōu)榉橇繎?yīng)該與融化材料所 的砷離子來(lái)說(shuō)，形成非晶硅所需的劑量:為利用一個(gè)判據(jù), 在數(shù)量級(jí)上一樣即認(rèn)為注入對(duì)于100keV021 keV / RM7-10離子it人引起的天序垂6退火由于離子注入所造成的損傷區(qū)與畸形團(tuán)，使遷移率和壽命等半導(dǎo)體參數(shù)受到 影響。此外，大局部的離子在被注入時(shí)并不位于置換位置。 為激活被注入的離子 并恢復(fù)遷移率與其它材料參數(shù)，必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間與溫度下將半導(dǎo)體退火。傳統(tǒng)退火爐使用類似熱氧化的整批式開放爐管系統(tǒng)。需要長(zhǎng)時(shí)間和高溫來(lái)消 除注入損傷。但會(huì)造成大量雜質(zhì)擴(kuò)散而無(wú)法符合淺結(jié)與窄雜質(zhì)分布的需求?？焖贌嵬嘶餜TA是一種采用各種能源、退火時(shí)間X圍很

11、寬100s到納秒 的退火工藝。RT柯以在最小的雜質(zhì)再分布情況下完全激活雜質(zhì)。退火：將注入離子的硅片在一定溫度和真空或氮、 氬等高純氣體的保護(hù)下, 經(jīng)過(guò)適當(dāng)時(shí)間的熱處理，局部或全部消除硅片中的損傷，少數(shù)載流子的壽命與遷移率也會(huì)不同程度 的得到恢復(fù)，電激活摻入的雜質(zhì)分為普通熱退火、硼的退火特性、磷的退火特性、擴(kuò)散效應(yīng)、快速退火普通熱退火：退火時(shí)間通常為15-30min，使用通常的擴(kuò)散爐，在真空或 氮、氬等氣體的保護(hù)下對(duì)襯底作退火處理。缺點(diǎn)：去除缺陷不完全，注入 雜質(zhì)激活不高，退火溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致雜質(zhì)再分布。7硼與磷的傳統(tǒng)退火退火的特性與摻雜種類與所含劑量有關(guān)1000J5U0 i_d b d g

12、J_I l nJ MdLL_d » 曲wLL_ W L 3IO1?w11io14|Cli10'*刑童備子眾心119ai幾Li90攤的境bi翳胃于鎮(zhèn)豪佶析書的退火n盧目注人的畑霽硼的退火特性1區(qū)單調(diào)上升：點(diǎn)缺陷、陷井缺陷消除、自由載流子增加2區(qū)出現(xiàn)反退火特性：代位硼減少，淀積在位錯(cuò)上3區(qū)單調(diào)上升劑量越大，所需退火溫度越高。2打、高溫階躍*0 1礦的遺尺特桂國(guó)中谿出的星珊離子以JWkE伽能量和 三個(gè)不同劑呈注入硅中的遇火將性o如詼炭可旦把退火溫度沁三個(gè)區(qū)域.1 D電緞橋比例 P-QlOkeVTs-25C磷的退火特性雜質(zhì)濃度達(dá)1015以上時(shí)出現(xiàn)無(wú)定形硅退火溫度達(dá)到600C800C墳

13、的遐火樸桂T肚曇不局祈利總情吧下占&盍W皿與劑凰刷 于退A型削 N）沖系L峻5x10ir0：菲無(wú)定形l.jl-30i：IULlJ.5ilC14 鬼id"UMlt-出.、晦桿芒04唳壬駆車長(zhǎng)眩表而幵施勺習(xí)紳內(nèi)卑一位養(yǎng)而是 在靶內(nèi)童一區(qū)誡玉由的.在退歡時(shí)撲証再主&喝在芮牛黑茴 同時(shí)荒生，苗個(gè)外延面船遇時(shí)-可駆宦龍鼎雨it發(fā)主時(shí)乎袖己 現(xiàn)負(fù)熱退火問(wèn)題：簡(jiǎn)單、價(jià)廉 激活率不高擴(kuò)散效應(yīng):產(chǎn)生二次缺陷，桿狀位錯(cuò)。位錯(cuò)環(huán)、層錯(cuò)、位錯(cuò)網(wǎng)加劇擴(kuò)敖鼓應(yīng)熱退火的與熱擴(kuò)散町葩遍度村比，要世得彗。但 是，對(duì)于i£A區(qū)的親廈，即便在岀較低的ifi度下，雜耐 散也是非畐顯著的.送是因芮注

14、代髙子所苣腕削晶格撤知 豌內(nèi)的郅Z至蕓出熱平箱町晶體甲的至匠限妥丸得器. 云外，由于離于汪入也假晶儒內(nèi)存在夫量旳伺閔原子和莎 恤陷，送蛀都合便JT放殺麹狀，礦敞贖思坤軽固此 有時(shí)也押熱詛火過(guò)梶豐的歹試為増強(qiáng)站散*?!廣退為晶片滿足半無(wú)風(fēng)大象件r W出主入系質(zhì)餐退火后在te內(nèi)的分布仍茫走畫新國(guó)蔘，迴抵準(zhǔn)馬圭妥茴所修止.分布酶數(shù)旳表遲式為iexpN (工 Q777TQjc嚴(yán)仏昭 202式申的打散殺數(shù)D比檯可富虔下晶體屮的擴(kuò)散砲妾 丈幾倍甚至幾十倍I簡(jiǎn)衛(wèi).不可注入甌B員怖不同j各處 的擴(kuò)散系數(shù)D也有彳辰大的差別.8快速熱退火一個(gè)具有瞬間光加熱的快速熱退火系統(tǒng)表為傳統(tǒng)爐管與RTAJ術(shù)的比擬。為獲得較短

15、的工藝時(shí)間，需在溫度和工藝的不均勻性、溫度測(cè)量與控制、硅芯片的應(yīng)力與產(chǎn)率間作取舍。鐵速退火快速退火可以分為：斟光退火、電子束退火、詔子束退火、非相干光退火等等. 苴退火時(shí)伺在10 H TD之間,亦琢瞬態(tài)退火.憂總先熔化,再結(jié)晶時(shí)間快，茨質(zhì)束不商散RHT設(shè)備采用清華大學(xué)微電子所境明的紅夕卜光快速熱處理技術(shù)。該技術(shù)采用 高壩廳應(yīng)加把石英腔內(nèi)的高鈍度石送作対紅外禺射逖源，使晶片在石塞腔內(nèi)迅il 升溫通常約三秒町達(dá)100FS而在抑熱叵夕卜迅邃馨溫-謹(jǐn)設(shè)備具有升溫快加 熱均勻，熱處理后晶片磔形等憂點(diǎn).氣f+人口反射監(jiān)燈石英窗IR屈度計(jì)宀也>1占母4IE燈粘 ktw 訂耳 «rfl io-

16、* »'Eii火時(shí)舛3)快速熱退火表71 技術(shù)比較常規(guī)退火爐技術(shù)快謹(jǐn)站迫火技術(shù)加工形式分fit式單片式爐況熱壁冷壁加熱速率猶環(huán)周期短溫度監(jiān)測(cè)爐島片熱砂計(jì)用高低塵埃問(wèn)題存在晟小化均勻性和垂貝性低生產(chǎn)嫂率高低9注入相關(guān)工藝-屢次注入與掩蔽在許多應(yīng)用中，除了簡(jiǎn)單的高斯分布外其它的雜質(zhì)分布也是需要的。例如硅 內(nèi)預(yù)先注入惰性離子，使外表變成非晶。此方法使雜質(zhì)分布能準(zhǔn)確地控制， 且近 乎百分百的雜質(zhì)在低溫下激活。在此情況下，深層的非晶體層是必須，為了得到10 / 14這種區(qū)域，必須要做一系列不同能量與劑量的注入屢次注入。屢次注入如如下圖所示，用于形成一平坦的雜質(zhì)分布。E亠P為了要在半導(dǎo)體

17、襯底中預(yù)的掩蔽層。此層要阻止一定比例的入射離子其最小 得。在某一深度辰計(jì)皂音井布220 IcVStaVbb之后24 keVp-n結(jié)，注入時(shí)需要一層適宜 小厚度可從離子的射程參數(shù)來(lái)求穿越深度d的劑量的百分比可由穿透系數(shù) T求得:?-ia用空次注人帶成的1加雜藍(lán)分柑：微極于外表的離子速度決定:個(gè)很大的角度，如此LO10傾斜角度離子注入阻。當(dāng)器件縮小到亞微 器件結(jié)構(gòu)如輕摻雜寫是很重要的?，F(xiàn)代。較小的傾斜7度，將導(dǎo)致一個(gè)60kffVAs-Si用其能將雜質(zhì)摻入半導(dǎo)也可用于制作低散。C 10 2D海 ITfuni圈7-15的絆戾子注人鐘也時(shí)與諱鞋免度的盪St關(guān)慕.一旦得到了 T,對(duì)任一恒定的Rp和c p來(lái)

18、說(shuō)，都可以求得掩蔽層厚度d,對(duì)SiO2、 Si3N4與抗蝕劑來(lái)說(shuō)，要阻擋99.99%的入射離子T= 10-4所需的d值如如下圖 所示。圖中內(nèi)插圖顯示了在掩蔽材料內(nèi)的注入物的分布。方向也縮在縱向和橫向上準(zhǔn)確控制雜質(zhì)分布。垂直如果硅芯片相對(duì)于離子束傾斜了一角度導(dǎo)致一個(gè)小陰影區(qū)：61nm的陰影區(qū)?？赡苁瞧骷a(chǎn)生一個(gè)預(yù)想不到的QaQ 11-I*-60keW申入射到硅中，相對(duì)濃度分布為離子束傾斜角度的函數(shù)，內(nèi)插圖所示是傾 斜角度離子注入的陰影區(qū)圖范樓歐率為酣一腮時(shí)辺（一、員'和11高能量與大電流注注入機(jī)能量可高達(dá)， 體內(nèi)深達(dá)好幾個(gè)微米的能電阻埋層。例如，CMO器件中距離外表深達(dá)到3um的勺埋層。

19、大電流注入機(jī)10-20mA工作在25-30keVX圍下，通常用于擴(kuò)散技術(shù)中的預(yù) 置處理。因?yàn)槠淇偭磕軌驕?zhǔn)確控制。在預(yù)置后，摻雜劑可以用高溫?cái)U(kuò)散步驟再分 布,同時(shí)順便將外表區(qū)的注入損傷修補(bǔ)。另一用途就是M0器件的閾值電壓調(diào)整， 準(zhǔn)確控制的雜質(zhì)量經(jīng)柵極氧化層注入溝道區(qū)。目前，已有能量X圍介于150-200keV的大電流離子注入。主要用途是制作高 品質(zhì)硅層，通過(guò)向硅層中注入氧來(lái)生成二氧化硅從而使該硅層與襯底絕緣。這種氧注入隔離SIMOX是一種絕緣層上硅SOI的關(guān)鍵技術(shù)。2.8離子注入主要參數(shù)：離子注入的幾何說(shuō)明：a :離子束注入面刀：外表B :模擬的平面9 :離子束方向與y軸方向的夾角©:離子束與模