《离子注入》PPT课件.ppt

第二篇单项工艺1 华山风光 第四章离子注入 主要内容 离子注入概述4 1理想化的离子注入系统 4 2注入离子与衬底原子的相互作用 3垂直投影射程及标准偏差 4 4注入损伤及退火恢复 4 5离子注入浅结的形成 4 6离子注入的工艺问题4 7埋层介质 4 8问题和关注点 沾污和均匀性 4 9理论模拟 目的 掺杂 1954年 Shockley提出 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 定义 离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法 将杂质电离成离子并聚焦成离子束 在电场中加速而获得极高的动能后 注入到硅中 称为 靶 而实现掺杂 离子注入 离子注入概述 最先被采用的半导体掺杂技术 是早期集成电路制造中最重要的技术之一 高温炉通称为 扩散炉 需在高温炉中进行 需使用二氧化硅作掩膜 无法独立控制结深和浓度 各向同性 杂质剂量控制精度较差 自1970年中期开始离子注入技术被广泛采用 扩散技术目前主要应用于杂质的推进 以及用于形成超浅结 仍处于研发中 扩散掺杂 离子注入概述 离子注入掺杂 发展历史 1954年肖克莱首先提出并申请了专利 1955年英国人W D Gussins用硼离子轰击Ge晶片 在n型材料上形成p型层 但当时对p n结形成机理不很清楚 所以这一新技术没有得到人们重视 随着原子能技术的发展 对于离子束对物质轰击效果的研究 强离子束设备的出现 为离子注入的发展奠定了基础 离子注入掺杂发展 同时 半导体器件工艺需要进一步提高 寻求一种新的掺杂方法 于是在六十年代 离子注入技术又重新兴起 1961年第一个实用的离子注入器件问世 1963年在Si中注入高浓度铯离子形成p n 1968年离子注入变容二极管 及MOS晶体管 1973年第一台商用离子注入机问世 1973年以后 更深入的了解和更广泛的应用 1980年后 大多数工艺技术已经全部采用离子注入 目前离子注入技术已成为特大规模集成电路制作中不可缺少的掺杂工艺 什么是离子注入 离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面 这个现象叫做溅射 而当离子束射到固体材料时 从固体材料表面弹了回来 或者穿出固体材料而去 这些现象叫做散射 另外有一种现象是 离子束射到固体材料以后 离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用 入射离子逐渐损失能量 最后停留在材料中 并引起材料表面成分 结构和性能发生变化 这一现象就叫做离子注入 离子注入可分为半导体离子注入 掺杂 材料改性注入 金属离子注入 和新材料合成注入 9 将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子 在强电场中加速 获得较高的动能后 射入材料表层 靶 退火激活杂质 离子注入基本过程 离子注入工艺的特点 低温工艺注入剂量可精确控制注入深度可控4 不受固溶度限制5 半导体掺杂注入需要退火以激活杂质和消除损伤6 材料改性注入可不退火引入亚稳态获得特殊性能7 无公害技术8 可完成各种复合掺杂 11 离子注入技术优点 离子注入技术主要有以下几方面的优点 1 注入的离子是通过质量分析器选取出来的 被选取的离子纯度高 能量单一 从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响即掺杂纯度高 2 注入剂量在1011一1017离子 cm2的较宽范围内 同一平面内的杂质均匀度可保证在 1 的精度 大面积均匀掺杂 3 离子注入温度低 衬底一般是保持在室温或低于400 因此 像二氧化硅 氮化硅 光刻胶 铝等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜 对器件制造中的自对准掩蔽技术给予更大的灵活性 这是热扩散方法根本做不到的 12 离子注入技术优点 4 离子注入深度是随离子能量的增加而增加 可精确控制掺杂浓度和深度 5 根据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或P型杂质进行掺杂 能容易地掺入多种杂质 6 离子注入时的衬底温度较低 小于600 这样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷 同时横向效应比热扩散小得多 7 表面浓度不受固溶度限制 可做到浅结低浓度或深结高浓度 8 可实现化合物半导体掺杂 化合物半导体高温处理时组分会发生变化 采用离子注入可使之不分解 13 离子注入技术缺点 会产生缺陷 甚至非晶化 必须经高温退火加以改进 很浅和很深的注入分布无法实现 沟道效应 要有一个角度注入 高剂量注入时 离子注入的产率受限制 尤其是与同时运行200片硅片的扩散工艺相比 设备相对复杂 相对昂贵 尤其是超低能量离子注入机 一台最新系统超过2百万美金 有不安全因素 如高压 有毒气体 离子注入的应用 1 P阱或N阱注入 1E12atom cm22 阈值调整注入 1E11atom cm23 场注入 1E12atom cm24 源漏注入 1E15atom cm25 隔离注入 1E15atom cm26 基区注入 1E12atom cm27 发射 收集区注入 1E15atom cm28 智能剥离氢注入 1E16atom cm29 材料改性注入 1E16atom cm210 SOI埋层注入 1E17 1E18atom cm2 15 基个概念 1 靶 被掺杂的材料 2 一束离子轰击靶时 其中一部分离子在靶面就被反射 不能进入靶内 称这部分离子为散射离子 进入靶内的离子成为注入离子 16 离子注入掺杂分为两个步骤 离子注入 退火再分布 17 离子注入 在离子注入中 电离的杂质离子经静电场加速打到晶圆表面 在掺杂窗口处 杂质离子被注入裸露的半导体本体 在其它部位杂质离子则被半导体上面的保护层屏蔽 通过测量离子电流可严格控制剂量 通过控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度 18 退火处理 通常 离子注入的深度较浅且浓度较大 必须使它们重新分布 同时由于高能粒子的撞击 导致硅结构的晶格发生损伤 为恢复晶格损伤 在离子注入后要进行退火处理 在退火的同时 掺入的杂质同时向半导体体内进行再分布 离子束的性质离子束是一种带电原子或带电分子的束状流 能被电场或磁场偏转 能在电场中被加速而获得很高的动能 离子束的用途掺杂 曝光 刻蚀 镀膜 退火 净化 改性 打孔 切割等 不同的用途需要不同的离子能量E E50KeV 注入掺杂 离子束加工方式1 掩模方式 投影方式 2 聚焦方式 扫描方式 或聚焦离子束 FIB 方式 掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入 同时象扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂 扩散工艺的掩蔽膜只能是SiO2膜 而离子注入的掩蔽膜可以是SiO2膜 也可以是光刻胶等其他薄膜 掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是生产效率高 设备相对简单 控制容易 所以应用比较早 工艺比较成熟 缺点是需要制作掩蔽膜 离子注入 聚焦方式的优点是不需掩模 图形形成灵活 缺点是生产效率低 设备复杂 控制复杂 聚焦方式的关键技术是1 高亮度 小束斑 长寿命 高稳定的离子源 2 将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统 4 1理想化的离子注入系统 离子源 在起弧室内产生等离子体 用于离化杂质的容器 常用的杂质源气体有BF3 AsH3和PH3等 质量分析器 不同的离子具有不同的质量与电荷 因而在质量分析器磁场中偏转的角度不同 由此可分离出所需的杂质离子 且离子束很纯 加速器 为高压静电场 用来对离子束加速 该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量 中性束偏移器 利用偏移电极和偏移角度分离中性原子 聚焦系统 将离子聚集成直径为数毫米的离子束 偏转扫描系统 使离子束沿x y方向扫描 工作室 靶室 放置样品的地方 其位置可调 先加速后分析注入机结构示意 离子源 离子加速 质量分析器 束扫描 批加工多级热靶转换器 先分析后加速注入机结构示意 离子束系统 扫描系统 电荷中和系统 末端分析器 从离子源引出的离子经过磁分析器选择出需要的离子 分析后的离子加速以提高离子的能量 再经过两维偏转扫描器使离子束均匀的注入到材料表面 用电荷积分仪可精确的测量注入离子的数量 调节注入离子的能量可精确的控制离子的注入深度 26 一 离子源源在半导体应用中 为了操作方便 一般采用气体源 如BF3 BCl3 PH3 ASH3等如用固体或液体做源材料 一般先加热 得到它们的蒸汽 再导入放电区 离子注入系统的组成 27 注入材料形态选择 28 离子源 IonSource 用来产生离子的装置 原理是利用灯丝 filament 发出的自由电子在电磁场作用下 获得足够的能量后撞击分子或原子 使它们电离成离子 再经吸极吸出 由初聚焦系统聚成离子束 射向磁分析器 离子源作用 产生所需种类的离子并将其引出形成离子束 分类 按产生离子的物质不同 等离子体型离子源 液态金属离子源 掩模方式需要大面积平行离子束源 故一般采用等离子体型离子源 其典型的有效源尺寸为100 m 亮度为10 100A cm2 sr 聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源 当液态金属离子源 LMIS 出现后才得以顺利发展 LMIS的典型有效源尺寸为5 500nm 亮度为106 107A cm2 sr 1 等离子体型源 这里的等离子体是指部分电离的气体 虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一 其密度 压力 温度等物理量仍与普通气体相同 正 负电荷数相等 宏观上仍为电中性 但其电学特性却发生了很大变化 成为一种电导率很高的流体 产生等离子体的方法有热电离 光电离和电场加速电离 大规模集成技术中使用的等离子体型离子源 主要是由电场加速方式产生的 如直流放电式 射频放电式等 2 液态金属离子源 LMIS LMIS是近几年发展起来的一种高亮度小束斑的离子源 其离子束经离子光学系统聚焦后 可形成纳米量级的小束斑离子束 从而使得聚焦离子束技术得以实现 此技术可应用于离子注入 离子束曝光 离子束刻蚀等 LMIS的类型 结构和发射机理 针形 V形 螺旋形 同轴形 毛细管形 液态金属 钨针 类型 对液态金属的要求 1 与容器及钨针不发生任何反应 2 能与钨针充分均匀地浸润 3 具有低熔点低蒸汽压 以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发 能满足以上条件的金属只有Ga In Au Sn等少数几种 其中Ga是最常用的一种 E1是主高压 即离子束的加速电压 E2是针尖与引出极之间的电压 用以调节针尖表面上液态金属的形状 并将离子引出 E3是加热器电源 E1 E2 E3 针尖的曲率半径为ro 1 5 m 改变E2可以调节针尖与引出极之间的电场 使液态金属在针尖处形成一个圆锥 此圆锥顶的曲率半径仅有10nm的数量级 这就是LMIS能产生小束斑离子束的关键 引出极 当E2增大到使电场超过液态金属的场蒸发值 Ga的场蒸发值为15 2V nm 时 液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离 发射金属离子与电子 其中电子被引出极排斥 而金属离子则被引出极拉出 形成离子束 若改变E2的极性 则可排斥离子而拉出电子 使这种源改变成电子束源 E1 E2 E3 引出极 共晶合金LMIS通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体LMIS 根据冶金学原理 由两种或多种金属组成的合金 其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点 从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压 例如 金和硅的熔点分别为1063oC和1404oC 它们在此温度时的蒸汽压分别为10 3Torr和10 1Torr 当以适当组分组成合金时 其熔点降为370oC 在此温度下 金和硅的蒸汽压分别仅为10 19Torr和10 22Torr 这就满足了LMIS的要求 对所引出的离子再进行质量分析 就可获得所需的离子 MEVVA源 金属蒸汽真空弧离子源 上世纪80年代中期 美国加州大学伯克利分校布朗博士由于核物理研究的需要发明 这种新型强流金属离子源问世后很快就被应用于非半导体材料离子注入表面改性 并引起了强流金属离子注入的一场革命 MEVVA源离子注入机的突出优点有以下几点 1 对元素周期表上的固体金属元素 含碳 都能产生10毫安量级的强束流 2 离子纯度取决于阴极材料的纯度 因此可以达到很高的纯度 同时可以省去昂贵而复杂的质量分析器 3 金属离子一般有几个电荷态 用较低的引出电压得到较高的离子能量 用一个引出电压可实现几种能量的叠加 离子 注入 4 束流是发散的 可以省去束流约束与扫描系统而达到大的注入面积 其革命性主要表现在两个方面 一是它的高性能 二是使离子注入机的结构 大束流离子源 160XP 中束流离子源 CF 3000 Varian注入机离子源 Eaton注入机离子源 大束流离子源 8 10mA 中束流离子源 NV 6200 41 二 质量分析器 磁分析器magnetanalyzer 利用不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的不同将离子分离 选出所需的杂质离子 被选离子束通过可变狭缝 进入加速管 42 分析磁体 43 磁分析器的原理是利用磁场中运动的带电粒子所受洛仑兹力的偏转作用 在带电粒子速度垂直于均匀磁场的情况下 洛仑兹力可用下式表示 这里v是离子速度 q是离子电荷 M是离子质量 B是磁场强度 r是离子圆周运动的半径 4 1 44 这里Vext是吸极电压 4 2 从等式 4 1 和 4 2 可以得到 4 3 可见 偏转半径r与B成反比 与m成正比 对固定的离子注入机 分析器半径r和吸出电压固定 调节B的大小 励磁电流 即可分析出不同荷质比的离子 注意 同一荷质比的离子有相同的偏转半径 磁分析器无法作出区分 要求源气有很高的纯度 尽量避免相同荷质比离子出现 如 N2 和Si N 和Si H2 和He 等 磁分析器的分辨率 影响分辨率的还有 吸出前源内离子的能量分散对几keV的吸出电压 10eV左右的分散度可以忽略 2 分析腔的出口宽度分析腔的出口宽度实际上改变了出射离子的半径 从而改变了荷质比 对质量为m的离子 偏转半径为R 当质量为m m的离子 进入磁分析器后 离子束将产生的位移距离为 当D大于束的宽度加上出口狭缝的宽度 就称两种质量离子能分 通常采用 90 磁铁 R在1m左右 R大 m小时分辨率高 47 三 加速管 Accelerationtube 经过质量分析器出来的离子束 还要经过加速运动 才能打到硅片内部去 离子经过加速电极后 在静电场作用下加速到所需的能量 48 高能注入机的线形加速器 Figure17 17 49 四 聚焦和扫描系统 deflectionandscanning 离子束离开加速管后进入控制区 先由静电聚焦透镜使其聚焦 再进行x y两个方向扫描 然后进入偏转系统 束流被偏转注到靶上 扫描是为了保证注入均匀性 50 扫描系统 工艺腔包括真空排气系统 装卸硅片的终端台 硅片传输系统和计算机控制系统 离子束的加速和扫描 对先加速后分析系统 由于待分析离子的能量高 要求分析器有很大的半径 通常采用先分析后加速结构 加速系统使离子获得需要的注入能量 为了获得均匀的掺杂 常把注入束聚焦 并扫描 中 小束流离子注入机X和Y方向都采用电扫描 大束流注入机则采用混合扫描 大束流材料改性离子注入机采用无分析系统 吸出离子束不聚焦 面积很大 直径在150mm 200mm 没有扫描和偏转系统 采用靶台转动来提高均匀性 对全方位离子注入机 样品的周围全部由等离子体包围 适当转动样品使注入均匀性提高 全电扫描和混合扫描系统示意 全电扫描 混合扫描 离子束的偏转 离子在注入到硅片前 一般需要作二次偏转 目的是 1 去除中性原子在离子束的传输过程中 由于离子与残余气体分子的碰撞等原因 离子俘获电子成中性原子 以原来的高速度与离子一起运动 因为中性原子不带电 如果通过法拉第电荷测量系统注入硅片 将会使实际注入剂量超出设定剂量 所以为了保证注入剂量的正确 必须从注入束中去除中性原子 方法是在X扫描板上加上固定的直流偏压 带电的离子束将向负电板方向偏转 一般将根据扫描板与法拉第筒的距离偏转角5 7 使中性束完全不能进入法拉第电荷测量系统 54 离子注入的沟道效应 沟道效应 Channelingeffect 当离子沿晶轴方向注入时 大部分离子将沿沟道运动 几乎不会受到原子核的散射 方向基本不变 可以走得很远 离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系 沟道效应 对单晶材料的轴沟道和面沟道 由于散射截面小 注入离子可以获得很深的穿透深度 称为沟道效应 沟道临界角 即理论上会产生沟道效应的最大角度 式中 E0为注入能量 单位是keV Zi Zt分别是注入离子和靶原子的核电荷数 d为与注入方向一致的靶单晶的原子间距 单位为 沟道效应 57 沿轴的硅晶格视图 Figure17 28 58 110 111 100 倾斜旋转硅片后的无序方向 59 沟道效应的存在 将使得对注入离子在深度上难以控制 尤其对大规模集成电路制造更带来麻烦 如MOS器件的结深通常只有0 4um左右 有了这种沟道效应万一注入距离超过了预期的深度 就使元器件失效 因此 在离子注入时 要考虑到这种沟道效应 也就是说要抑止这种现象的产生 1 为了尽可能避免沟道效应 离子束在注入硅片时必须偏离沟道方向约7 通常 这种偏转是用倾斜硅片来实现 沟道效应的避免方法 2 还可以用事先生长氧化层或用Si F等离子预非晶化的方法来消除沟道效应 对大直径Si片 还用增大倾斜角的方法来保证中心和边缘都能满足大于临界角 61 3 是用Si Ge F Ar等离子对硅片表面先进行一次离子注入 使表面预非晶化 形成非晶层 Pre amorphization 然后进入离子注入 这三种方法都是利用增加注入离子与其他原子碰撞来降低沟道效应 工业上常用前两种方法 沟道效应的避免方法 63 离子注入机的终端口 PhotographprovidedcourtesyofInternationalSEMATECH Photo17 3 64 离子注入过程演示 65 PhotographcourtesyofVarianSemiconductor VIISion80Source Terminalside 离子注入设备 66 离子注入机分类 离子注入机按能量高低分为 低能离子注入机中能离子注入机高能离子注入机兆能离子注入机 离子注入机按束流大小分为 小束流离子注入机中束流离子注入机强流离子注入机超强流离子注入机 4 2注入离子与衬底原子的相互作用 注入离子与衬底原子的相互作用 决定了注入离子的分布 衬底的损伤 注入离子与靶原子的相互作用 主要有1 离子与电子的相互作用 称为电子阻止 2 离子与核的相互作用 称为核阻止 核阻止主要表现为库仑散射 电子阻止在每单位长度上的能量损失可表示为能量梯度 其中ke是与离子和靶物质有关的比例常数 Zi和Zt分别是注入离子和靶原子的核电荷数 库仑散射 注入离子与靶原子核的相互作用 主要表现为库仑散射 b为碰撞参数定义为不发生散射时两原子核接近的最小距离 利用靶离子加外电子模型处理库仑散射 符合动量守恒 能量守恒和角动量守恒 在质心坐标系中有 注入离子的能量损失为 可见 注入离子单次散射的能量损失与入射能量成正比 与散射角 离子质量和碰撞参数 有关 角动量守恒 动量守恒 能量守恒 库仑散射的能量损失 任何一次碰撞过程中的能量损失都是碰撞参数的敏感函数 碰撞参数b越小 能量损失越大 能量损失也是离子质量与靶原子质量之比的函数 比值越小 每次碰撞损失的能量越大 另外 能量损失也是能量自身的函数 当入射离子能量很低时 碰撞一般不能破坏靶原子的化学键 离子只能发生弹性碰撞 改变离子的运动方向 不会损失很多能量 在同样能量下 靶原子质量越大 核阻止越大 靶原子质量越小电子阻止越大 核阻止使离子能量损失的最大值为 71 总阻止本领 Totalstoppingpower 核阻止本领在低能量下起主要作用 注入分布的尾端 电子阻止本领在高能量下起主要作用 各种杂质注入Si的电子阻止和核阻止 讨论 Se Sn的离子能量Ec 阈值能量 当入射能量E0 Ec电子阻止占主导 注入损伤发生在Sn Se的范围 低能注入 损伤可在整个弹道上发生高能注入 损伤发生在弹道之末 表面处晶格损伤比较小 射程终点处晶格损伤大 4 3平均投影射程及标准偏差 进入靶的离子不断通过碰撞损失能量 最后停止在某一位置 但碰撞是随机的 离子的轨迹有随机性 单离子路程有随机性 但大量注入离子将服从一定的分布规律 R 入射离子的平均路程 离子路程Rp R在入射方向的平均投影射程 散射过程 当Se和Sn已知 得到平均投影射程和标准偏差如下 实际上关于电子阻止和核阻止的经典模型有LSS Linhard Scharff Schictt 理论给出 相关的投影射程和标准偏差也用数值计算给出 该理论结果与实际测量值十分吻合 通常可用查表得到 注入离子分布 离子注入衬底后与衬底原子碰撞 能量不断损失 轨迹不断变化 但服从统计分布 作为注入离子分布的一次近似 注入离子随深度的分布为 式中 D为注入剂量 x为离表面的深度 束流与注入时间 D 投影射程及标准偏差 事实上 注入离子分布的一级近似为典型的高斯分布 平均投影射程RP 代表了离子的平均注入深度 称为平均投影射程 在RP处浓度最高 为NP 用 RP表示投影射程的标准偏差 从公式可见 RP实际上是浓度为0 61NP的分布曲线半宽度 无定形靶中离子注入的高斯分布 注入离子分布的高次矩 注入离子分布的高次矩有助于描述注入低浓度区的分布特点 分布的第i次矩定义为 一次矩是归一化剂量 二次矩是剂量和 RP2的乘积 三次矩表示了分布的非对称性 用偏斜度 表示 m3 RP3 0表示x RP侧的浓度增加 B 注入要用Pearson 型分布描述 4 四次矩与高斯峰值的畸变有关 畸变用峭度 表示 m4 RP4高斯分布的峭度为3 峭度越大 高斯曲线顶部越平 可用蒙特卡罗模拟得到 也可测量实际分布曲线拟合得出 分布的高次矩 a高斯分布b负偏斜度c大陡度 Si中N型杂质注入的RP和 RP Si中P型杂质注入的RP和 RP Si中其它杂质注入的RP和 RP GaAs中N型杂质注入的RP和 RP GaAs中P型杂质注入的RP和 RP SiO2中离子的RP和 RP AZ111光刻胶中离子的RP和 RP 各种离子注入Si和SiO2中的投影射程 各种离子注入Si中的标准偏差 Si3N4中离子注入的投影射程 Si3N4中离子注入的标准偏差 离子注入的掩摸厚度 离子注入的掩摸厚度 能屏蔽注入离子的掩摸厚度 横向离散效应 横向效应是指注入离子在注入窗口边缘以外产生一定的分布 横向效应对小尺寸MOS器件性能有重要影响 横向离散效应 横向离散不但与离子种类有关 也与离子能量有关 由LSS理论计算的B P As的横向离散的标准误差 Rt 轻离子的横向分布效应大于重离子 但都比扩散小 扩散 比值0 75 0 85 注入 B为0 5所以短沟道MOS必须采用离子注入技术 4 4注入损伤 离子注入衬底单晶与衬底原子作级联碰撞 产生大量的位移原子 注入时产生的空位 填隙原子等缺陷称为一次缺陷 在剂量达到一定数值后 衬底单晶非晶化 形成无定型结构 使衬底完全非晶化的注入剂量称为阈值剂量 不同衬底和不同的注入离子 在不同的能量 剂量率和不同温度下有不同的非晶剂量 轻原子的大 重原子的小 能量低大 能量高小 衬底温度低大 衬底温度高小 当衬底温度高于固相外延温度时 可以一直保持单晶 一 注入损伤 98 损伤的产生 移位原子 因碰撞而离开晶格位置的原子 移位阈能Ed 使一个处于平衡位置的原子发生移位 所需的最小能量 对于硅原子 Ed 15eV 注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程 称为能量传递过程 99 晶格损伤 因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤 非晶化 Amorphization 注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完全破坏变为无序的非晶区 几种常用杂质对硅注入的临界剂量 晶格修复 晶格修复 晶格修复 110 硅单晶的退火 在合适的后续退火后 非晶层可以用固相外延的方式重新结晶 但在非晶层后的损伤区域 仍会留下一定的点缺陷或其它一次性无法消除的缺陷 在退火时形成的缺陷为二次缺陷 它主要为点缺陷团聚形成的扩展缺陷 所以 离子注入后的缺陷 在退火后 主要分布在离子射程的尾部 Si的固相外延温度在550 C附近 B注入产生的填隙原子浓度大于2e16 cm2时才产生二次缺陷 P Si等的填隙原子浓度达到5e16 cm2产生二次缺陷 而重离子由于非晶化剂量很小 不易产生二次缺陷 而轻离子注入退火时产生的是孤立的二次缺陷 重离子能产生较大的扩展缺陷 中等重量离子注入产生的填隙原子被束缚在缺陷群中 不能聚合成大的扩展缺陷 离子注入损伤的RBS测量 阴影区算出的填隙硅原子浓度7e16 cm2是注入剂量的35倍 a200keV 2E15B cm2b未注入 二 离子注入层的电特性 注入到半导体中的受主或施主杂质大部分都停留在间隙位置处 而处在这个位置上的杂质原子是不会释放出载流子的 也就不会改变半导体的电特性 达不到掺杂的目的 经过适当温度的退火处理 可以使注入杂质原子的全部或大部分从间隙位置进入替位位置而释放出载流子 从而改变半导体的电特性 这个过程称为杂质原子的电激活 退火处理也可以减少注入损伤 三 退火和激活 退火的目的是激活掺杂原子和消除注入损伤 合适的退火工艺可以将注入杂质激活 将二次缺陷降低到最小 避免留下残余的扩展缺陷 常用的退火条件为 850 C 1000 C 30 60分 N2气氛 可以用高温快速退火来提高激活效率 防止杂质的深扩散 例如用1100 1200 C 10 30秒的退火可以较充分地激活注入Si中的B P As 三 退火技术目的 消除注入损伤 并使注入的杂质原子进入替位位置而实现电激活 机理 使移位原子与注入的杂质原子在高温下获得较高的迁移率而在晶体中移动 从间隙位置进入替位位置 退火技术可分为热退火与快速热退火 热退火的温度范围为300 1200 退火会改变杂质的分布 实验发现退火后的实际杂质分布比上式预测的要深 原因是离子注入时形成的高浓度缺陷增强了杂质的扩散 这种现象称为瞬时增强扩散 可以在退火前先在500 650 之间进行一次预处理来消除这些缺陷 注入硼的激活 As注入Si的损伤分布 P注入Si中的退火激活 未非晶化非晶化 热退火虽然可以满足一般的要求 但也存在一些缺点 对注入损伤的消除和对杂质原子的电激活都不够完全 退火过程中还会产生二次缺陷 经热退火后虽然少子的迁移率可以得到恢复 但少子的寿命及扩散长度并不能恢复 此外 较高温度的热退火会导致明显的杂质再分布 抵消了离子注入技术固有的优点 4 5浅结的形成 亚微米CMOS集成电路要求极浅的源漏区结深 由于硼比砷更难以形成浅结 所以形成浅P N结要比形成浅PN 结更为困难 硼的浅结受到三个方面的影响 1 由于硼很轻 注入的投影射程很深 降低注入能量虽然可以减小结深 但注入能量太低会影响离子束的稳定性 2 由于硼被偏转进入主晶轴的概率较高 所以硼的沟道效应更为严重 3 硼在高温退火时的瞬时增强扩散比较严重 加大了结深 随着MOSFET的特征尺寸小于0 1 m 源漏区的结深正在达到0 05 m 离子注入已经难以满足这种要求 人们正在研究所谓 后注入 的替代方案 1 利用硅上的介质层作为扩散源 即所谓 固 固扩散 扩散源可以是多晶硅 掺杂玻璃或硅化物 2 利用辉光放电作为离子源来形成超浅结 即所谓 等离子浸入掺杂 它的离子能量可以极低 而不存在离子束不稳定的问题 但是剂量不易控制 3 当在固体靶的表面覆盖有某种薄膜时 入射离子可将薄膜中的原子撞入到下面的固体靶中 利用这种效应来对半导体表面的极薄层内进行掺杂 称为 反冲注入掺杂 4 6离子注入的工艺问题 遮挡效应图形在园片倾斜或旋转角度注入时时产生的阴影区 由多角度注入改善 大尺寸效应圆片尺寸增大使注入角在中心和边缘不同热效应大束流注入时产生的圆片升温问题颗粒遮蔽任何