第4章 離子注入1

有關(guān)擴(kuò)散方面的主要內(nèi)容費(fèi)克第二定律的運(yùn)用和特殊解特征擴(kuò)散長度的物理含義非本征擴(kuò)散常用雜質(zhì)的擴(kuò)散特性及與點(diǎn)缺陷的相互作用常用擴(kuò)散摻雜方法常用擴(kuò)散摻雜層的質(zhì)量測量DistributionaccordingtoerrorfunctionDistributionaccordingtoGaussianfunction1實(shí)際工藝中二步擴(kuò)散第一步為恒定表面濃度的擴(kuò)散（Pre-deposition）（稱為預(yù)沉積或預(yù)擴(kuò)散）控制摻入的雜質(zhì)總量第二步為有限源的擴(kuò)散（Drive-in），往往同時氧化（稱為主擴(kuò)散或再分布）控制擴(kuò)散深度和表面濃度2第四章離子注入核碰撞和電子碰撞注入離子在無定形靶中的分布注入損傷熱退火什么是離子注入離化后的原子在強(qiáng)電場的加速作用下，注射進(jìn)入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)

離子注入的基本過程將某種元素原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電離子在強(qiáng)電場中加速，獲得較高的動能后，射入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)離子注入將帶電的且具有能量的粒子注入襯底硅的過程，注入能量介于1KeV到1MeV之間，注入深度平均可達(dá)10nm～10um。離子劑量變動范圍，從用于閾值電壓調(diào)整的1012/cm2到形成絕緣埋層的1018/cm2。相對于擴(kuò)散，它能更準(zhǔn)確地控制雜質(zhì)摻雜、可重復(fù)性和較低的工藝溫度。離子注入已成為VLSI制程上最主要的摻雜技術(shù)。一般CMOS制程，大約需要6~12個或更多的離子注入步驟。離子注入系統(tǒng)的原理示意圖磁分析器離子源加速管聚焦掃描系統(tǒng)靶rBF3：B++，B+，BF2+，F(xiàn)+,BF+，BF++B10B11離子源是產(chǎn)生離子的部件。將被注入物質(zhì)的氣體注入離子源，在其中被電離形成正離子，經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)，聚成離子束，射向磁分析器。吸極是一種直接引出離子束的方法，即用一負(fù)電壓（幾伏到幾十千伏）把正離子吸出來。產(chǎn)生離子的方法有很多，目前常用的利用氣體放電產(chǎn)生等離子體。離子注入系統(tǒng)原理-離子源從離子源吸出的離子束中，包括多種離子。如對BCl3氣體源，一般包括H+、B+、Cl+、O+、C+等。

在磁分析器中，利用不同荷質(zhì)比的離子在磁場中的運(yùn)動軌跡不同，可以將離子分離，并選出所需要的一種雜質(zhì)離子。被選離子通過可變狹縫，進(jìn)入加速管。離子注入系統(tǒng)原理-磁分析器

被摻雜的材料稱為靶。由加速管出來的離子先由靜電聚焦透鏡進(jìn)行聚焦，再進(jìn)行x、y兩個方向的掃描，然后通過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)注入到靶上。掃描目的：把離子均勻注入到靶上。偏轉(zhuǎn)目的：使束流傳輸過程中產(chǎn)生的中性離子不能到達(dá)靶上。注入機(jī)內(nèi)的壓力維持低于10－4Pa以下，以使氣體分子散射降至最低。離子注入系統(tǒng)原理離子注入特點(diǎn)可通過精確控制摻雜劑量（1011-1018cm-2）和能量（1-400keV）來達(dá)到各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（1%variationacrossan8’’wafer）表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度或深結(jié)高濃度注入元素可以非常純，雜質(zhì)單一性可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻膠、介質(zhì)；可防止玷污，自由度大離子注入屬于低溫過程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高溫過程引起的熱擴(kuò)散橫向效應(yīng)比氣固相擴(kuò)散小得多，有利于器件尺寸的縮小會產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進(jìn)設(shè)備相對復(fù)雜、相對昂貴（尤其是超低能量離子注入機(jī)）有不安全因素，如高壓、有毒氣體離子注入應(yīng)用隔離工序中防止寄生溝道用的溝道截斷調(diào)整閾值電壓用的溝道摻雜CMOS阱的形成淺結(jié)的制備在特征尺寸日益減小的今日，離子注入已經(jīng)成為一種主流技術(shù)。4.1核碰撞和電子碰撞高能離子進(jìn)入靶后，不斷與靶中原子核和電子發(fā)生碰撞，在碰撞時，注入離子的運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)并損失能量，因此具有一定初始能量的離子注射進(jìn)靶中后，將走過一個非常曲折的道路，最后在靶中某一點(diǎn)停止下來核碰撞和電子碰撞注入離子如何在體內(nèi)靜止？LSS理論——對在非晶靶中注入離子的射程分布的研究1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論，簡稱LSS理論。該理論認(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個彼此獨(dú)立的過程(1)核阻止（nuclearstopping）(2)電子阻止（electronicstopping）總能量損失為兩者的和核碰撞和電子碰撞注入離子在靶內(nèi)能量損失方式核碰撞(注入離子與靶內(nèi)原子核間的碰撞）質(zhì)量為同一數(shù)量級，故碰撞后注入離子會發(fā)生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而獲得能量，如果獲得的能量大于原子束縛能，就會離開原來所在晶格位置，進(jìn)入晶格間隙，并留下一個空位，形成缺陷。核碰撞和電子碰撞注入離子在靶內(nèi)能量損失方式電子碰撞(注入離子與靶原子周圍電子云的碰撞）能瞬時形成電子-空穴對兩者質(zhì)量相差大，碰撞后注入離子的能量損失很小，散射角度也小，雖然經(jīng)過多次散射，注入離子運(yùn)動方向基本不變。電子則被激發(fā)至更高的能級（激發(fā)）或脫離原子（電離）。核阻止本領(lǐng)說明注入離子在靶內(nèi)能量損失的具體情況，一個注入離子在其運(yùn)動路程上任一點(diǎn)x處的能量為E，則核阻止本領(lǐng)/截面(eVcm2)定義為：

電子阻止本領(lǐng)/截面（eVcm2)定義為：核碰撞和電子碰撞核碰撞和電子碰撞在單位距離上，由于核碰撞和電子碰撞，注入離子所損失的能量則為：注入離子在靶內(nèi)運(yùn)動的總路程核阻止本領(lǐng)注入離子與靶內(nèi)原子核之間兩體碰撞兩粒子之間的相互作用力是電荷作用摘自J.F.Gibbons,Proc.IEEE,Vol.56(3),March,1968,p.295核阻止能力的一階近似為：例如：磷離子Z1=15,m1=31注入硅Z2=14,m2=28,計算可得：Sn~550keV-mm2m——質(zhì)量，Z——原子序數(shù)下標(biāo)1——離子，下標(biāo)2——靶對心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移：低能量時，核阻止本領(lǐng)隨能量的增加而線性增加，Sn(E)會在某一中等能量時達(dá)到最大值。高能量時，由于高速粒子沒有足夠的時間和靶原子進(jìn)行有效的能量交換，所以Sn(E)變小。核阻止本領(lǐng)把固體中的電子看成自由電子氣，電子的阻止就類似于粘滯氣體的阻力（一階近似）。電子阻止本領(lǐng)和注入離子的能量的平方根成正比。非局部電子阻止局部電子阻止不改變?nèi)肷潆x子運(yùn)動方向電荷/動量交換導(dǎo)致入射離子運(yùn)動方向的改變（<核間作用）電子阻止本領(lǐng)電子阻止本領(lǐng)電子阻止本領(lǐng)同注入離子的速度成正比，即與注入離子能量的平方根成正比。V為注入離子速度，Ke

與注入離子和靶的原子序數(shù)、質(zhì)量有微弱關(guān)系，粗略估計時，可近似為常數(shù)總阻止本領(lǐng)(Totalstoppingpower)核阻止和電子阻止相等的能量低能區(qū)：以核碰撞為主中能區(qū)：核碰撞、電子碰撞持平高能區(qū)：以電子碰撞為主nnne離子E2B17keVP150keVAs,Sb>500keV表面處晶格損傷較小射程終點(diǎn)（EOR）處晶格損傷大4.2注入離子在無定形靶中的分布一個離子在停止前所經(jīng)過的總路程，稱為射程RR在入射軸方向上的投影稱為投影射程Xp(projectedrange)R在垂直入射方向的投影稱為射程橫向分量Xt(traverse

range)平均投影射程Rp：所有入射離子投影射程平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差：橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差：注入離子在無定形靶中的分布對于無定形靶（SiO2、Si3N4、光刻膠等），注入離子的縱向分布可用高斯函數(shù)表示：200keV注入CpNs：為離子注入劑量（Dose）,單位為ions/cm2，可以從測量積分束流得到由，可以得到：

假定總注入離子量為NsNs可以精確控制A為注入面積，I為硅片背面搜集到的束流（FaradyCup），t為積分時間，q為離子所帶的電荷。例如：當(dāng)A＝20×20cm2，I＝0.1mA時，而對于一般NMOS的VT調(diào)節(jié)的劑量為：B＋1-5×1012cm-2注入時間為~30分鐘對比一下：如果采用預(yù)淀積擴(kuò)散（1000

C），表面濃度為固溶度1020cm-3時，D～10-14cm2/s每秒劑量達(dá)1013/cm2I＝0.01mA～mA常用注入離子在不同注入能量下的特性平均投影射程Rp標(biāo)準(zhǔn)偏差

Rp已知注入離子的能量和劑量，估算注入離子在靶中的濃度和結(jié)深問題：140keV的B+離子注入到直徑為150mm的硅靶中。注入劑量NS=5×1014/cm2（襯底濃度2×1016/cm3）

注入離子的投影射程Rp=0.43mm

投影射程標(biāo)準(zhǔn)偏差

Rp=0.086mm1)試估算峰值濃度、結(jié)深2)如注入時間為1分鐘，估算所需束流?！窘狻?)峰值濃度

Nmax=0.4Ns/

Rp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019cm-3襯底濃度nB＝2×1016cm-3

xj=0.734mm2)注入的總離子數(shù)

Q＝摻雜劑量×硅片面積＝5×1014×[

(15/2)2]=8.8×1016離子數(shù)

I＝qQ/t＝[(1.6×10－19C)(8.8×1016)]/60sec=0.23mA注入離子的真實(shí)分布真實(shí)分布非常復(fù)雜，不服從嚴(yán)格的高斯分布當(dāng)輕離子硼（B）注入到硅中，會有較多的硼離子受到大角度的散射（背散射），會引起在峰值位置與表面一側(cè)有較多的離子堆積；重離子散射得更深。橫向效應(yīng)指的是注入離子在垂直于入射方向平面內(nèi)的分布情況橫向效應(yīng)影響MOS晶體管的有效溝道長度。

R

（μm）橫向效應(yīng)注入離子在無定形靶中的分布橫向分布（高斯分布）入射離子在垂直入射方向平面內(nèi)的雜質(zhì)分布橫向滲透遠(yuǎn)小于熱擴(kuò)散35keVAs注入120keVAs注入注入掩蔽層——掩蔽層應(yīng)該多厚？如果要求掩膜層能完全阻擋離子xm為恰好能夠完全阻擋離子的掩膜厚度Rp*為離子在掩蔽層中的平均射程，DRp*為離子在掩蔽層中的射程標(biāo)準(zhǔn)偏差解出所需的掩膜層厚度：穿過掩膜層的劑量：余誤差函數(shù)典型離子注入?yún)?shù)離子：P，As，Sb，B，In，O劑量：1011~1018cm-2能量：1–400keV可重復(fù)性和均勻性:±1%溫度：室溫流量：1012-1014cm-2s-1本節(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(diǎn)？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(dú)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：

以上討論的是無定形靶的情形。無定形材料中原子排列無序，靶對入射離子的阻止作用是各向同性的一定能量的離子沿不同方向射入靶中將會得到相同的平均射程。實(shí)際的硅片——單晶在單晶靶中，原子是按一定規(guī)律周期地重復(fù)排列，而且晶格具有一定的對稱性。靶對入射離子的阻止作用將不是各向同性的，而與晶體取向有關(guān)。離子注入的溝道效應(yīng)離子注入的溝道效應(yīng)定義：當(dāng)離子注入的方向與靶晶體的某個晶向平行時，一些離子將沿溝道運(yùn)動。溝道離子唯一的能量損失機(jī)制是電子阻止，因此注入離子的能量損失率就很低，故注入深度較大。離子方向=溝道方向時………離子因?yàn)闆]有碰到晶格而長驅(qū)直入………效果：在不應(yīng)該存在雜質(zhì)的深度發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)——多出了一個峰！離子注入的溝道效應(yīng)傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向射程分布與注入方向的關(guān)系濃度分布由于溝道效應(yīng)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(dāng)長的“尾巴”產(chǎn)生非晶化的劑量沿<100>的溝道效應(yīng)怎么解決？？？B質(zhì)量比As輕，當(dāng)以約7°角度進(jìn)行離子注入硅襯底時，B的尾區(qū)更大。因?yàn)椋簻系佬?yīng)：當(dāng)離子沿晶軸方向注入時，大部分離子將沿溝道運(yùn)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(yuǎn)（很深）。傾斜角度注入表層非晶化：預(yù)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(jìn)入溝道。非晶減少溝道效應(yīng)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(yù)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層掩膜怎么解決？？？淺結(jié)的形成為了抑制MOS晶體管的穿通電流和減小器件的短溝效應(yīng)，要求減小CMOS的源/漏結(jié)的結(jié)深。形成硼的淺結(jié)較困難，目前采用的方法：硼質(zhì)量較輕，投影射程深，故采用BF2分子注入法F的電活性、B的擴(kuò)散系數(shù)高B被偏轉(zhuǎn)進(jìn)入主晶軸的幾率大降低注入離子的能量形成淺結(jié)低能下溝道效應(yīng)比較明顯，且離子的穩(wěn)定向較差。預(yù)先非晶化注B之前，先用重離子高劑量注入，使硅表面變?yōu)榉蔷У谋砻鎸印Ｗ⑷牒蟀l(fā)生了什么………晶格損傷和無定型層靶原子在碰撞過程中，獲得能量，離開晶格位置，進(jìn)入間隙，形成間隙－空位缺陷對；脫離晶格位置的靶原子與其它靶原子碰撞，也可使得被碰靶原子脫離晶格位置。缺陷的存在使得半導(dǎo)體中載流子的遷移率下降，少子壽命縮短，影響器件性能。雜質(zhì)未激活在注入的離子中，只有少量的離子處在電激活的晶格位置。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?yàn)殡x子注入所引起的簡單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。什么是注入損傷(Si)SiSiI+SiV注入損傷的產(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,Ed

15eV)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(yùn)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。非晶層的形成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(guān)系注入劑量越大，晶格損傷越嚴(yán)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(guān)注入后需要做什么……被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位置，對載流子的輸運(yùn)沒有貢獻(xiàn)；而且也造成大量損傷。注入后的半導(dǎo)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：n

n=ND(p=NA)

bulk

0退火：又叫熱處理，集成電路工藝中所有的在氮?dú)獾炔换顫姎夥罩羞M(jìn)行的熱處理過程都可以稱為退火損傷退火的目的恢復(fù)晶格——去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復(fù)其原有完美晶體結(jié)構(gòu)激活雜質(zhì)——讓雜質(zhì)進(jìn)入電活性（electricallyactive）位置－替位位置。電性能還原——恢復(fù)載流子遷移率和少子壽命注意：退火過程中應(yīng)避免大幅度的雜質(zhì)再分布注入后需要做什么……退火：退火方式：爐退火快速退火：脈沖激光法、掃描電子束、連續(xù)波激光、非相干寬帶頻光源(如鹵光燈、電弧燈、石墨加熱器、紅外設(shè)備等)注入后需要做什么……

退火：原理高溫下，原子振動能↑，移動能力↑，可使復(fù)雜損傷分解為簡單缺陷（如空位、間隙原子等），簡單缺陷以較高的遷移率移動，復(fù)合后缺陷消失。高溫下，非晶區(qū)域損傷恢復(fù)發(fā)生在損傷區(qū)與結(jié)晶區(qū)的交界面，即由單晶區(qū)向非晶區(qū)通過固相外延或液相外延而使整個非晶區(qū)得到恢復(fù)。硼的退火特性低劑量（8×1012/cm2）電激活比例隨溫度上升而增加

高劑量（1014/cm2和1015/cm2）退火溫度可以分為三個區(qū)域500℃以下，電激活比例又隨溫度上升而增加500～600℃范圍內(nèi)，出現(xiàn)逆退火特性晶格損傷解離而釋放出大量的間隙Si原子，這些間隙Si原子與替位B原子接近時，可以相互換位，使得B原子進(jìn)入晶格間隙，激活率下降。600℃以上，電激活比例又隨溫度上升而增加電激活比例58虛線表示的是注入損傷區(qū)還沒有變成非晶區(qū)的退火特性（劑量從3×1012/cm2增加到3×1014/cm2）電激活比例隨溫度上升而增加。劑量升高時，退火溫度相應(yīng)升高，才能消除更為復(fù)雜的無規(guī)則損傷。實(shí)線表示的是非晶區(qū)的退火特性（劑量大于1015/cm2），退火溫度降低為600℃左右非晶層的退火機(jī)理是與固相外延再生長過程相聯(lián)系在再生長過程中，Ⅴ族原子實(shí)際上與硅原子難以區(qū)分，它們在再結(jié)晶的過程當(dāng)中，作為替位原子被結(jié)合在晶格位置上。所以在相對很低的溫度下，雜質(zhì)可被完全激活。磷的退火特性電激活比例60熱退火過程中的擴(kuò)散效應(yīng)

熱退火的溫度與熱擴(kuò)散的溫度相比，要低得多。但是，對于注入?yún)^(qū)的雜質(zhì)，即使在比較低的溫度下，雜質(zhì)擴(kuò)散也是非常顯著的。這是因?yàn)殡x子注入所造成的晶格損傷，使硅內(nèi)的空位密度比熱平衡時晶體中的空位密度要大得多。離子注入也是晶體內(nèi)存在大量的間隙原子和多種缺陷，這些都會使得擴(kuò)散系數(shù)增加，擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng)。

熱退火中的擴(kuò)散稱為增強(qiáng)擴(kuò)散。Dt

D0t0＋Dt一個高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值濃度發(fā)生改變。離子注入退火后的雜質(zhì)分布熱退火過程中的擴(kuò)散效應(yīng)注入雜質(zhì)經(jīng)退火后在靶內(nèi)的分布仍然是高斯分布標(biāo)準(zhǔn)偏差需要修正擴(kuò)散系數(shù)明顯增加熱退火過程中的擴(kuò)散效應(yīng)高斯分布的雜質(zhì)在熱退火過程中會使其分布展寬，偏離注入時的分布，尤其是尾部，出現(xiàn)了較長的按指數(shù)衰減的拖尾快速熱退火（RTA）傳統(tǒng)熱退火的缺點(diǎn)不能完全消除缺陷，產(chǎn)生二次缺陷高劑量注入時的電激活率不夠高高溫長時間熱退火會導(dǎo)致明顯的雜質(zhì)再分布快速退火（RapidThermalA