第四章离子注入

1、集成电路制造技术集成电路制造技术第四章第四章 离子注入离子注入西安电子科技大学西安电子科技大学微电子学院微电子学院戴显英戴显英2012013 3年年9 9月月本章主要内容本章主要内容n离子注入特点离子注入特点n离子注入设备原理离子注入设备原理n离子注入机理离子注入机理n离子注入分布离子注入分布n离子注入损失离子注入损失n注入退火注入退火n离子注入与热扩散对比离子注入与热扩散对比4.14.1 离子注入特点离子注入特点n定义定义: :将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。n应用：应用：COMSCOMS工艺的阱，源、漏，调整工艺的阱，源、漏，调整V VT T

2、的沟道掺杂，的沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。n特点特点: :注入温度低注入温度低: :对对SiSi，室温；对，室温；对GaAs,400GaAs,EEnene： S Se e(E)(E)为主，则为主，则 RkRk1 1E E0 01/21/2 k k1 1=2/k=2/ke e 对非晶对非晶SiSi：k ke e1x101x103 3(eV)(eV)1/21/2mm-1-1； 对非晶对非晶AsGaAsGa：k ke e 3x10 3x103 3(eV)(eV)1/21/2mm-1-1； 注入离子初始能量注入离子初始能量E E0 0 E Enen

3、e： S Sn n(E)(E)为主，且假设为主，且假设 S Sn n(E)= S(E)= Sn n0 0，则，则 Rk Rk2 2E E0 04.3 4.3 离子注入机理离子注入机理- -核碰撞与电子碰撞核碰撞与电子碰撞4.4 4.4 注入离子分布注入离子分布1.1.总射程总射程R Rn定义：注入离子在靶内走过的路径之和。定义：注入离子在靶内走过的路径之和。nR R与与E E的关系：根据能量的总损失率，的关系：根据能量的总损失率， , ,式中，式中，E E0 0注入离子的初始能量。注入离子的初始能量。 ESESdRdEdRdEdRdEenen dEESESdRdEdEdRREenE10000/

4、2.2.投影射程投影射程X XP P： 总射程总射程R R在离子入射方向（垂直靶在离子入射方向（垂直靶片）的投影长度，即离子注入的片）的投影长度，即离子注入的有效深度。有效深度。3.3.平均投影射程平均投影射程R RP P： 投影射程投影射程X XP P的平均值（离子注入的平均值（离子注入深度的平均值），具有统计分布深度的平均值），具有统计分布规律几率分布函数。规律几率分布函数。4.4 4.4 注入离子分布注入离子分布4.4.标准偏差（投影偏差）标准偏差（投影偏差）R RP P反映了反映了R RP P的分散程度（分的分散程度（分散宽度）散宽度）5. R5. R、R RP P及及R RP P间的

5、近似关系间的近似关系 , , M M1 1注入离子质量，注入离子质量， M M2 2靶原子质量靶原子质量12PM3M1RR 2121PPMMMM32RR 2PPP)RX(R 4.4 4.4 注入离子分布注入离子分布4.4.1 4.4.1 注入离子纵向分布注入离子纵向分布-高斯分布高斯分布 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。离子按一定的统计规律分布。n求解注入离子的射程和离散微分方程：距靶表面为求解注入离子的射程和离散微分方程：距靶表面为x(cm)x(cm)处的浓度分布为处的浓度分布为 - -高斯函数高斯函数

6、 N Nmaxmax=0.4N=0.4NS S/ /R RP P峰值浓度（在峰值浓度（在R RP P处），处）， N NS S注入剂量注入剂量 2PPmax)RRx(21expN)x(N4.4 4.4 注入离子分布注入离子分布4.4 4.4 注入离子分布注入离子分布4.4.2 4.4.2 横向效应横向效应横向效应与注入能量成正比横向效应与注入能量成正比是结深的是结深的30305050；窗口边缘的离子浓度是中心处的窗口边缘的离子浓度是中心处的5050；4.4 4.4 注入离子分布注入离子分布4.4.3 4.4.3 沟道效应沟道效应(ion channeling)(ion channeling)n

7、非晶靶：对注入离子的阻挡是非晶靶：对注入离子的阻挡是 各向同性；各向同性；n单晶靶：对注入离子的阻挡是单晶靶：对注入离子的阻挡是 各向异性；各向异性；n沟道：在单晶靶的主晶轴方向沟道：在单晶靶的主晶轴方向 呈现一系列平行的通道，呈现一系列平行的通道， 称为沟道。称为沟道。4.4 4.4 注入离子分布注入离子分布n沟道效应沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶 靶远的多。靶远的多。 好处：好处：结较深；晶格损伤小。结较深；晶格损伤小。 不利：不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。n减小沟道效

8、应的途径减小沟道效应的途径 注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值-7-70 0； 淀积非晶表面层（淀积非晶表面层（SiOSiO2 2) )； 在表面制造损伤层；在表面制造损伤层； 提高靶温；提高靶温； 增大剂量。增大剂量。4.4 4.4 注入离子分布注入离子分布4.5 4.5 注入损伤注入损伤n离子注入的碰撞：离子注入的碰撞：弹性碰撞和非弹性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。注入能量较低：与靶原子核的弹性碰撞为主。4.3.1 4.3.1 级联碰撞级联碰撞E

9、Ed d: :靶原子离开其平衡位置所需的最低能量。靶原子离开其平衡位置所需的最低能量。 E ET T: :碰撞后靶原子获得的能量。碰撞后靶原子获得的能量。n若若 E ET TEEEd d：靶原子位移，留下空位；：靶原子位移，留下空位；n若若 E ET TE Ed d：位移原子（反冲原子）再与靶原子碰撞，产生级：位移原子（反冲原子）再与靶原子碰撞，产生级联碰撞。联碰撞。n4.3.2 4.3.2 晶格损伤晶格损伤轻注入离子：如，起始以电子碰撞为主；轻注入离子：如，起始以电子碰撞为主；n重注入离子：如，起始以核碰撞为主。重注入离子：如，起始以核碰撞为主。4.5 4.5 注入损伤注入损伤n损伤密度损伤

10、密度 例例1 1：B B离子，离子，E E0 0=80keV=80keV，R Rp p=250nm;=250nm; 已知已知:Si:Si晶格间距为晶格间距为0.25nm0.25nm；初始；初始S S（E E）=35eV/nm=35eV/nm；则；则 E ET T=35X0.25=8.75eVE=35X0.25=8.75eVEd d=15eV=15eV，SiSi不位移；不位移； 当能量衰减为当能量衰减为E=40keVE=40keV（进入约（进入约130nm130nm）, S, S（E E）= 60eV/nm= 60eV/nm，则，则 E ET T=60X0.25=15eV=E=60X0.25=1

11、5eV=Ed d，SiSi位移，且位移位移，且位移2.5nm/2.5nm/次；次； 设：每个晶面都有设：每个晶面都有1 1个个SiSi位移，则在位移，则在B B离子停止前，位移离子停止前，位移SiSi为为 120nm/0.25nm=480 120nm/0.25nm=480（个）（个） 设：设：SiSi位移位移2.5nm,2.5nm,则损伤体积为则损伤体积为 V Vdamdam = =（2.5nm2.5nm) )2 2(120nm)=2.4X10(120nm)=2.4X10-18-18cmcm3 3n损伤密度损伤密度=480/V=480/Vdamdam=2X10=2X102020cmcm-3 -

12、3 ( (占相应体积中所有原子的占相应体积中所有原子的0.4%0.4%） 4.5 4.5 注入损伤注入损伤例例2 2：AsAs离子，离子，E E0 0=80keV=80keV，R Rp p=50nm=50nm，平均，平均S S（E E）=1.2keV/nm=1.2keV/nmn1 1个个AsAs共产生约共产生约40004000个位移个位移SiSinV Vdamdam = =（2.5nm2.5nm) )2 2(50nm)=1X10(50nm)=1X10-18-18cmcm3 3n损伤密度损伤密度=4000/V=4000/Vdamdam=4X10=4X102121cmcm-3 -3 ( (占相应体

13、积中所有原子的占相应体积中所有原子的8%8%）4.5 4.5 注入损伤注入损伤4.5.3 4.5.3 非晶层的形成非晶层的形成 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。成长程无序的非晶层。n临界剂量形成非晶层所需的最小注入离子剂量；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。临界剂量与注入离子质量成反比。n靶温靶温越高，损伤越轻。靶温靶温越高，损伤越轻。4.5 4.5 注入损伤注入损伤4.6 4.6 注入退火注入退火n离子注入所形成的损伤有：离子注入所形成的损伤有：散射中心：使

14、迁移率下降；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；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。杂质不在晶格上：起不到施主或受主的作用。n退火目的：消除注入损伤，使注入离子与位移退火目的：消除注入损伤，使注入离子与位移SiSi原子恢复正原子恢复正常的常的替位替位位置激活。位置激活。n退火方法：热退火（传统退火）；快速退火。退火方法：热退火（传统退火）；快速退火。n热退火机理：热退火机理：a.a.无定形层（非晶层）：通过固相外延，使位移原子重构而有序无定形层（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，

15、这种固相外延可在较低温度下化。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。发生。b.b.非无定形层：高温下，原子振动能增大，因而移动能力增强，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。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，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。就可能复合而使缺陷消失。n退火工艺条件：退火工艺条件：温度；时间；方式（常规、快速）。温度；时间；方式（常规、快速）。4.6 4.6 注入退火注入退火4.6.1 4.6.1

16、硅材料的热退火特性硅材料的热退火特性n退火机理：退火机理： 复杂的损伤分解为简单缺陷：空位、间隙原子；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；简单缺陷可因复合而消失； 损伤由单晶区向非单晶区通过损伤由单晶区向非单晶区通过固相外延固相外延再生长得到恢复。再生长得到恢复。n二次缺陷：简单缺陷重新组合，形成新的缺陷。二次缺陷：简单缺陷重新组合，形成新的缺陷。n注入剂量与退火温度成正比。注入剂量与退火温度成正比。n载流子激活所需温度：低于寿命和迁移率恢复所需温度载流子激活所需温度：低于寿命和迁移率恢复所需温度 ( (杂质激活能小于杂质激活能小于SiSi扩散的激活能）。扩散的

17、激活能）。4.6 4.6 注入退火注入退火n4.6.2 4.6.2 硼的退火特性硼的退火特性n4.6.3 4.6.3 磷的退火特性磷的退火特性n4.6.4 4.6.4 热退火过程的扩散效应热退火过程的扩散效应n（以上请自学）（以上请自学）4.6 4.6 注入退火注入退火4.6.5 4.6.5 快速退火快速退火(RTA(RTA，rapid thermal annealing)rapid thermal annealing) n常规热退火的缺点常规热退火的缺点 激活率激活率a an n低；低； 二次缺陷；二次缺陷； 导致明显的杂质再分布；导致明显的杂质再分布； 硅片变形。硅片变形。nRTARTA机

18、理：利用高功率密度的物质作用于晶片表面，使注入层机理：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。在短时间内达到高温，以到消除损伤的目的。n特点：特点： 退火时间短（退火时间短（1010111110102 2秒）；秒）； 注入杂质激活率高；注入杂质激活率高； 对注入杂质分布影响小；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；衬底材料的电学参数基本不受影响；4.6 4.6 注入退火注入退火4.6.5 4.6.5 快速退火快速退火n种类种类a.a.脉冲激光：固液相外延退火机理。脉冲激光：固液相外延退火机理。优点：功率密度高；激活率高。优点：功率密度高；激活率高。b.b.连续波激光：固固相外延退火机理。连续波激光：固固相外延退火机理。优点：杂质分布不受影响。优点：杂质分布不受影响。缺点：能量转换率低（缺点：能量转换率低（1 1）c.c.电子束：固液外延退火机理。电子束：固液外延退火机理。优点：能量转换率高（优点：能量转换率高（5050）。）。d. d. 宽带非相干光源宽带非相干光源光源：卤素灯，电弧灯。光源：卤素灯，电弧灯。优点：无干涉效应；生产效率高；设备简单。优点：无干涉效应；生产效率高；设备简单。RTARTA与炉（热）退火与炉（热）退火RTP退火炉退火金属