离子注入和快速退火工艺处理

1、离子注入和快速退火工艺离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程。注入能量介于1keV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm10um ，离子剂量变动范围从 用于阈值电压调整的1012/cm3到形成绝缘层的1018/cm3。相对于扩散工艺， 离子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。高能的离子由于与衬底中电子和原子核的碰撞而失去能量， 最后停在晶格内 某一深度。平均深度由于调整加速能量来控制。 杂质剂量可由注入时监控离子电流来控制。主要副作用是离子碰撞引起的半导体晶格断裂或损伤。因此，后续的 退化处理用来去除这些损伤0540 kV井析0 U 谢 甑在品

2、片工和斶机 屮性束和烏于 H束冏托蹭程JH7-2中却能卅离子注人扒血现圏1离子分布(a)离子射程斤及投解射程给的示总图一个离子在停止前所经过的总距离，称为射程 R。此距离在入射轴方向上的投影称为投影射程Rp。投影射程的统计涨落称为投影偏差c p。沿着入射轴的垂直的方向上亦有一统计涨落，称为横向偏差c丄下图显示了离子分布数来近似：,沿着入射轴所注入的杂质分布可以用一个高斯分布函tbJirtAl F前：揀挣布1勾田了甘千竹礴情国S为单位面积的离子注入剂量，此式等同于恒定掺杂总量扩散关系式。沿x轴移动了一个Rp。回忆公式:对于扩散，最大浓度为x = 0;对于离子注入，位于Rp处。在（x Rp）=&#

3、177; CP处，离子浓度比其峰值降低了 40%。在±2 dp处则将为10%。在±3 g处为1%。 在±4 g处将为0.001%。沿着垂直于入射轴的方向上，其分布亦为高斯分布，可 用：V2比 P（一 j）-表示。因为这种形式的分布也会参数某些横向注入。2 离子中止使荷能离子进入半导体衬底后静止有两种机制。一是离子能量传给衬底原子核，是入射离子偏转，也使原子核从格点移出。设E是离子位于其运动路径上某点x处的能量，定义核原子中止能力:二是入射离子与衬底原子的电子云相互作用， 通过库仑作用，离子与电子碰 撞失去能量，电子则被激发至咼能级或脱离原子。定义电子中止能力:离子

4、能量随距离的平均损耗可由上述两种阻止机制的叠加而得:如果一个离子在停下来之前，所经过的总距离为R，则dEE0为初始离子能量，R为射程。核阻止过程可以看成是一个入射离子硬球与衬底核硬球之间的弹性碰撞M1转移给M2的能量为:电子中止能力与入射离子的速度成正比：'其中系数ke是原子质量和原子序数的弱相关函数。硅的ke值107(eV)1/2/cm 。砷化傢的 ke 值为3 xiO7(eV)1/2/cm离子中止两种机制：一是离子能量传给衬底原子核，是入射离子偏转，也使原子核从格点移出。二是入射离子与衬底原子的电子云相互作用， 通过库仑作用,离子与电子碰撞失去能量，电子则被激发至咼能级或脱离原子硅

5、晶俸Hrl括換中it 电宇中止阿 MM tOOQA»rx 于 fit!量哥-5 5L时种.确一翦琦于的14中止施力SEhEil亍中I卜傭力 衆已"故的址点时由屮止備力拥等时的甜硅中电子中止能力如虚线所示，交叉能量点是Sn(E)=Se(E)。一旦Sn(E)和Se(E)已知，可计算处射程范围。可以用下述近似方程式来求得投影射程与投影1+炷q3 V,偏差：P和比吐中'的bH、Zc利Te在辟比專中的flt番射 投匿KI建和損向厲蛙裡、找母情芒和1向值差Q33 7-«投他射程，投議傭爹和様向如亘比独3 离子注入的沟道效应前述高斯分布的投影射程及投影的标准偏差能很好地

6、说明非晶硅或小晶粒多晶硅衬底的注入离子分布。只要离子束方向偏离低指数晶向111，硅和砷化镓中的分布状态就如在非晶半导体中一样。在此情况下，靠近峰值处的实际杂质分布，可用“高斯分布函数”来表示，即使延伸到低于峰值一至两个数量级处 也一样，这表示在下图中。然而即使只偏离 111晶向7度，仍会有一个随距离 而成指数级exp(-x/力变化的尾区，其中入的典型的数量级为O.lum。衬底定位时有意偏离晶向情况下的杂质分布。离子束从111轴偏离7度入图7-7 靶定位时右立偏离品向惘况下的 永质分布.囲中离子束人射存向 偏离门“抽7D 1指数型尾区与离子注入沟道效应有关，当入射离子对准一个主要的晶向并被导向在

7、各排列晶体原子之间时，沟道效应就会发生。图为沿110方向观测金刚石晶格的示意图。离子沿110方向入射，因为它与靶原子较远，使它 在和核碰撞时不会损伤大量能量。 对沟道离子来说，唯一的能量损伤机制是电子 阻止，因此沟道离子的射程可以比在非晶硅靶中大得多。4 离子进入的角度及通道<100><110><111>沟道效应降低的技巧1、覆盖一层非晶体的表面层、将硅芯片转向或在硅芯片表面制造一个损伤的表层。常用的覆盖层非晶体材料只是一层薄的氧化层 图(a)，此层可使离子束 的方向随机化，使离子以不同角度进入硅芯片而不直接进入硅晶体沟道。2、将硅芯片偏离主平面5-10度，

8、也能有防止离子进入沟道的效果图(b)此方法大部分的注入机器将硅芯片倾斜 7度并从平边扭转22度以防止沟道效应。3、先注入大量硅或锗原子以破坏硅芯片表面，可在硅芯片表面产生一个随 机层图(c)，这种方法需使用昂贵的离子注入机。5)经过仆品体注入(b>平时准晶轴的入射<c)在单晶泾H的预先描愣5 注入损伤与退火离子注入中，与原子核碰撞后转移足够的能量给晶格， 使基质原子离开晶格位置而造成注入损伤(晶格无序)。这些离位的在也许获得入射能量的大部分，接着如骨牌效应导致邻近原子的相继移位而形成一个沿着离子路径的树枝状的无序区。当单位体积内移位的原子数接近半导体的原子密度时，单晶材料便成为非晶

9、材料轻离子的树枝状的无序区不同于重离子。轻离子(11B+ )大多数的能量损伤起因于电子碰撞，这并不导致晶格损伤。离子的能量会减低至交叉点能量， 而在那里核阻止会成为主导。因此，晶格无序发生在离子最终的位置附近。如下图(a)所示。如下图(b)重离子的能量损失主要是原子核碰撞，因此预期有大量的损伤所示。他XS7-10亶于注人引製的无序託要估计将单晶转变为非晶材料所需的能量，可以利用一个判据，即认为注入量应该与融化材料所需的能量密度(1021keV/cm3 )在数量级上相同。对于 100keV的砷离子来说，形成非晶硅所需的剂量为吐1也閔屮个离子加6 退火由于离子注入所造成的损伤区及畸形团，使迁移率和

10、寿命等半导体参数受到影响。此外，大部分的离子在被注入时并不位于置换位置。 为激活被注入的离子 并恢复迁移率与其它材料参数，必须在适当的时间与温度下将半导体退火 除注入损伤。但会造成大量杂质扩散而无法符合浅结及窄杂质分布的需求。快速热退火（RTA）是一种采用各种能源、退火时间范围很宽（100s到纳 秒）的退火工艺。RTA可以在最小的杂质再分布情况下完全激活杂质。退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、 氩等高纯气体的保护下， 经过适当时间的热处理，部分或全部消除硅片中的损伤，少数载流子的寿命及迁移率也会不同程度 的得到恢复，电激活掺入的杂质分为普通热退火、硼的退火特性、磷的退火特性、扩散效应

11、、快速退火普通热退火：退火时间通常为15-30min ,使用通常的扩散炉，在真空或 氮、氩等气体的保护下对衬底作退火处理。缺点：清除缺陷不完全，注入 杂质激活不高，退火温度高、时间长，导致杂质再分布。7硼与磷的传统退火退火的特性与掺杂种类及所含剂量有关»741盹摊韵邇籾瞬靑子获星怡妙需鞘退比旳厦即注人的黄瘵'硼的退火特性1区单调上升：点缺陷、陷井缺陷消除、自由载流子增加2区出现反退火特性：代位硼减少，淀积在位错上3区单调上升剂量越大，所需退火温度越高。痛的暹火晴it国中绐出酌是珊禽子lUlSOkeVfif能量和 三个不同剂量注入睚中的退火特性=如阴所示可以把退火温產分为三个医

12、域.10|150keV'n-Ts-25C.nxmznuz恤=虻仙QIJ01<0 500 00 700 300 9001000TACO磷的退火特性杂质浓度达1015以上时出现无定形硅退火温度达到 600 C800 CT匡是不冋珈呈桔况下自目戢淀子量号剤屋之比相刊 于退畑度ITA*时夫耒曲线»*田一厂占电rb-LCT<iod J® 貂）700 tan xo你（©如杲丰極不是航整黑俯换弓獰HEFIPE：査"商是 在总內毘-LSln.在週止吋-?狂弟兰甘一将在为邛聲曲 同时农生，两卜技建面遇則可絶放弟面绘按生匣手汩己 也熟热退火问题：简单、价

13、廉激活率不高产生二次缺陷，杆状位错。位错环、层错、位错网加剧扩散效应:热退火的温复与卿费敵町匡遍度;ms妥低椁券b徂 是 > 对于汪入区的朵丘 > 即便在匕磁佬的ifiJS f杂酎 散也是菲席显者的.这是因対?主入篙子所喳成罰晶格転怪， 桧堆內的空伍靈度比费平酌町晶体申审空应越虔要丸律聖 另外，由于詔子生入崔便晶侮内疔杞天塑的间阻原子般 神掀陪这些都盒便扩敵抹敢増大，H散奴埋堀强.园此 疽州也称*嗨火过程屮的夕凱为増强H散n星谍退火晶片潘足半尢限大条件则汪M歲婭叫后在靶网附分布训愍是告期圍埜，直抵惟喘差要百曲修止.分布雷数的表这式対；g 胡込时 ejqj("严(朋；十2血

14、严-'x-f ' Has? 4 加 p式中阳扩敞赢斟D比相限度下葩中的扩敢桶妥 丈几倍甚至几十倍I対且r不同衽人区旳册怖不同 >备班 的扩散系>。也有彳辰大的差豹.8快速热退火一个具有瞬间光加热的快速热退火系统表为传统炉管与RTA技术的比较。为获得较短的工艺时间，需在温度和工艺 的不均匀性、温度测量与控制、硅芯片的应力与产率间作取舍。抉速退夬侠速退火可以势为：除光退火、电孑束退火、舸孑束退火、非相干光退火等等. 苴退火时间在icT-io%间，亦称瞬态退火.忧点：先焰化再结品，时闾快，杂质東不站散RHr设备采用洁华大学蹴电子所发明的红外光快速热处理技术.该技术采用 倉

15、频感应加歸英腔内的高吨廈石董作为红外辐射热痂使晶片在石墨腔肉迅速 井温通當约三秒可达100庁一而在加熱区外迅園第蟲 该设备具有升溫快，加 热均匀热处理后晶片不喪形等忧点.二：<0*<0=40°KT*3 CPR 40Tfl ft"* »'E laJtBSW <3)各料畀刖di火方註祈界N率IE St 9退火时1蹴*冲持然时间的孟东快速热退火表*M 按术比较眺定因素谢规退火炉技术快谨热迫火技术加工率式分At式迫片式炉况热壁冷壁加葩速率低猎环周期短温度监测炉阳片热砂讣耳A低尘埃问题存在廉小化均匀性和垂星性低生产救率髙低9 注入相关工艺多次注入及

16、掩蔽在许多应用中，除了简单的高斯分布外其它的杂质分布也是需要的。例如硅 内预先注入惰性离子，使表面变成非晶。此方法使杂质分布能准确地控制， 且近 乎百分百的杂质在低温下激活。在此情况下，深层的非晶体层是必须，为了得到 这种区域，必须要做一系列不同能量与剂量的注入（多次注入）。多次注入如下图所示，用于形成一平坦的杂质分布。t- 訂fi金W59 IwV03八】刚虜択浊人H能的»k曲K分也为了要在半导体衬底中预先选择的区域里形成 p-n结，注入时需要一层合适的掩蔽层。此层要阻止一定比例的入射离子其最小厚度可从离子的射程参数来求得。在某一深度d之后的注入量对回忆式积分可得:S回忆式穿越深度d

17、的剂量的百分比可由穿透系数 T求得:一旦得到了 T,对任一恒定的Rp和皿来说，都可以求得掩蔽层厚度d，对SiO2、Si3N4与抗蚀剂来说，要阻挡99.99%的入射离子（T= 10-4 ）所需的d值如下图 所示。图中内插图显示了在掩蔽材料内的注入物的分布LOO E (keV)10M>图卜M 掩粮救率为99.卿帰时折hSflNN'和光致抗1*曲K）的螯小厚度w10倾斜角度离子注入当器件缩小到亚微米尺寸时，将杂质分布垂直方向也缩写是很重要的。 现代 器件结构如轻掺杂漏极（LDD），需要在纵向和横向上精确控制杂质分布。垂直 于表面的离子速度决定注入分布的投影射程。如果硅芯片相对于离子束倾

18、斜了一 个很大的角度，则等效离子能量将大为减少。在倾斜角度离子注入时，需考虑硅芯片上掩蔽图案的阴影效应。较小的倾斜 角度导致一个小阴影区。如高为0.5um的掩蔽层，离子束的入射角为7度，将导 致一个61nm的阴影区。可能是器件产生一个预想不到的串联电阻。60keV砷入射到硅中，相对浓度分布为离子束倾斜角度的函数，内插图所示 是倾斜角度离子注入的阴影区1102D3044JWWTO80601*eV的畔离于注人耐中时与用斜角盛的帝战关毎葬申怖图竄冠高干注人带曲的蔽借城s77辛11 高能量与大电流注入注入机能量可高达1.5-5MeV，且已用作多种新型用途。主要利用其能将杂 质掺入半导体内深达好几个微米

19、的能力而不需要借助高温下长时间的扩散。也可用于制作低电阻埋层。例如，CMOS器件中距离表面深达1.5到3um的埋层。大电流注入机（10-20mA）工作在25-30keV范围下，通常用于扩散技术中 的预置处理。因为其总量能够精确控制。在预置后，掺杂剂可以用高温扩散步骤 再分布，同时顺便将表面区的注入损伤修补。另一用途就是 MOS器件的阈值电 压调整，精确控制的杂质量经栅极氧化层注入沟道区。目前，已有能量范围介于150-200keV的大电流离子注入。主要用途是制作 高品质硅层，通过向硅层中注入氧来生成二氧化硅从而使该硅层与衬底绝缘。这种氧注入隔离（SIMOX ）是一种绝缘层上硅（SOI）的关键技术。2.8离子注入主要参数离子注入的几何说明：a :离子束注入面刀：表面B :模拟的平面9 :离子束方向与y轴方向的夹