集成电路工艺原理4

1、集成电路工艺原理第四章 离子注入1本章概要概述离子注入装置离子注入物理基础离子注入理论分析其他24.1 概述 离子注入概念 离子注入技术是60年代开始发展起来的一种在很多方面都优于扩散方法的掺杂工艺。 由于采用离子注入技术，大大推动了半导体器件和集成电路的发展，从而使集成电路的生产进入超大规模时代。离子注入技术已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。 所谓离子注入，就是在离子注入机中把离子（例如N+、C+ 、O+ 、Cr+ 、Ag+ 、等各种非金属或金属离子）加速成具有几万至几十万（甚至几百万）电子伏能量的束流，并注入固体材料（靶）的表层，由此导致材料各种物理、化学或机械性能的变化。3

2、4.1 概述离子注入应用44.1 概述离子注入应用54.1 概述离子注入特点 离子注入是一个物理过程，即不发生化学反应。它能够重复控制杂质的浓度和深度，因而几乎在所用应用中都优于扩散。它已经成为满足亚0.25m特征尺寸和大直径硅片制作要求的标准工艺。 离子注入是半导体工艺中有别于扩散的一种制结方法。这种方法具有以下特点： （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。另外，注入过程是在清洁、干燥的真空条件下进行的，这样就大大降低了各种污染。64.1 概述离子注入特点 （2）注入剂量可在很宽的范围（10101017离子/cm2）

3、内变化，且在此范围内同一平面的杂质均匀度可控制到2的精度；相比之下，在高浓度扩散时，杂质浓度的精度最多控制到5l0，低浓度时均匀性更差。因此，离子注入能在表面上提供比扩散时更均匀的覆盖，特别是在要求表面浓度低的时候。 （3）离子注入时，衬底一般是保持在室温或温度不高(400)，因此，可用各种掩膜（如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶）进行选择掺杂。74.1 概述离子注入特点 （4）离子注入的深度随离子能量的增加而增加。因此，可以通过控制注入离子的能量和剂量，以及采用多次注入相同或不同杂质，得到各种形式的杂质分布。对于突变的杂质分布，采用离子注入技术很容易实现。 （5）离子注入是一个非平衡过程，不受杂质

4、在衬底材料中溶解度的限制，原则上对各种元素均可掺杂（但掺杂剂占据衬底晶格格点而变为激活杂质是有限的），这就使掺杂工艺灵活多样，适应性强。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。84.1 概述离子注入特点 （6）离子注入时的衬底温度较低，这样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷。另外由于注入的直进性，注入杂质是按掩膜的图形近于垂直入射，这样的掺杂方法，横向效应比热扩散小得多。 （7）化合物半导体是两种或多种元素按一定组分构成的，这种材料经高温处理时，组分可能发生变化。采用离子注入技术，基本不存在上述问题，因此容易实现化合物半导体的掺杂。 （8）离子注入也有一些缺点，设备复杂而昂贵、

5、对衬底材料的冲击会产生损伤层。94.1 概述先进MOS工艺中离子注入应用实例深埋层倒掺杂阱穿通阻挡层阈值电压调整轻掺杂漏区 (LDD)源漏注入多晶硅栅沟槽电容器超浅结绝缘体上硅 (SOI)104.1 概述注入埋层n-wellp-wellp- Epi layerp+ Silicon substratep+ Buried layer倒掺杂阱114.1 概述倒掺杂阱n-wellp-wellp+ 埋层p+ Silicon substrateN杂质p-type dopantp+n+124.1 概述穿通阻挡层n-wellp-wellp+ Buried layerp+ Silicon substraten-

6、type dopantp-type dopantp+p+n+n+134.1 概述阈值电压调整n-wellp-wellp+ Buried layerp+ Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+p+pn+n+n144.1 概述源漏区形成+ + + + + + +- - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - n-wellp-wellp+ Buried layerp+ Silicon substratep+ S/D implantn+ S/D implan

7、t侧墙氧化硅DrainSourceDrainSourceb) p+ 和n+ 源漏注入(分两步进行)+ + + + + + +- - - - - - - - -n-wellp-wellp+ Buried layerp+ Silicon substratep-channel transistorp LDD implantn-channel transistorn LDD implantDrain SourceDrain Source多晶硅栅a) p 和n 轻掺杂源漏注入 (分两步进行)154.1 概述沟槽电容器n+ dopantn+p+倾斜注入形成电容器的沟槽164.1 概述超浅结180 nm20

8、 栅氧化层厚度54 nm 砷注入层多晶硅栅174.1 概述绝缘体上硅a) Common CMOS wafer constructionn-wellp-wellEpi layerSilicon substrateb) CMOS wafer with SIMOX buried layern-wellp-well注入二氧化硅Silicon substrateSilicon substrate184.2 离子注入装置离子注入机的分类离子注入机按注入能量的大小，可粗略地区分为低能机（200Kev以下）、中能机（200KevlMev）和高能机（1Mev以上）按离子束电流强度区分，可分为小束流机（1100

9、A以下）、中束流机（100A1mA）和强束流机(1mA以上)若按使用不同对象区分，又可分为半导体用离子注入机和金属用离子注入机。19半导体常用的离子B+、P+ 、As+三种，金属材料离子注入需要多种元素离子，甚至需要化合物离子。半导体注入工艺中一般的注入剂量为10121014ions/ cm2 ，束流一般在数十至数百微安就够用，而金属离子注入剂量要求达到10171018ions / cm2 ，因此相应的束流要大于1mA才有实用意义。金属用离子注入机靶室结构较复杂。金属用离子注入机注入精度要求不高，可以不带质量分析器。4.2 离子注入装置离子注入机的分类204.2 离子注入装置离子注入系统原理图

10、214.2 离子注入装置离子源和吸极装配图吸出组件源室涡轮泵离子源绝缘体起弧室吸极吸出组件粒子束224.2 离子注入装置Bernas离子源装配图前板狭缝起弧室灯丝电子反射器气体入口5 V电子反射器阳极 +100 V起弧室气化喷嘴电炉气体导入管DI 冷却水入口掺杂剂气体入口234.2 离子注入装置离子源和吸极交互作用装配图+-NS N S120 V起弧吸出组件离子源60 kV吸引2.5 kV抑制源磁铁5V灯丝To PA+粒子束参考端(PA电压)抑制电极接地电极244.2 离子注入装置分析磁铁石磨离子源分析磁体粒子束吸出组件较轻离子重离子中性离子254.2 离子注入装置分析磁铁264.2 离子注入

11、装置加速管100 MW100 MW100 MW100 MW100 MW0 kV+100 kV+80 kV+20 kV+40 kV+60 kV+100 kV粒子束粒子束至工艺腔电极来自分析磁体274.2 离子注入装置高能注入机的线性加速器源原子质量分析磁体线形加速器最终能量分析磁体扫描盘硅片284.2 离子注入装置空间电荷中和+具有空间电荷中和的粒子束剖面+粒子束膨胀剖面掺杂离子二次电子294.2 离子注入装置硅片的静电粒子束扫描+ Ion beamY-轴偏转X-轴偏转硅片旋转倾斜高频 X-轴偏转低频 Y-轴偏移304.2 离子注入装置注入阴影效应光刻胶a) 无倾斜的机械扫描粒子束b) 正常倾斜

12、的静电扫描光刻胶粒子束314.2 离子注入装置离子注入硅片的机械扫描扫描外半径扫描内半径注入面积(计算的)溢出杯旋转粒子束324.2 离子注入装置控制硅片充电的电子喷淋+Ion beam负偏置孔径电子枪二次电子靶二次电子正离负电子复合Wafer334.2 离子注入装置控制硅片充电的等离子喷淋负偏置孔径Ion beam中性化原子硅片扫描方向电流(剂量) 监测计等离子电子喷淋腔氩气入口电子发射腔壁+SNSN+ArArAr344.2 离子注入装置离子注入机的终端台354.3离子注入物理基础基本物理过程描述 离子束与物质的相互作用是认识离子注入过程的基础，它涉及近代物理的许多领域，不仅需要了解物质的基

13、本结构(固体物理学)，而且还要了解原子、原子核的结构；不仅要了解宏观现象，如热力学过程等，而且还要研究微观过程，如原子碰撞等，因此离子注入物理是一门多学科交叉的科学。离子注入基本物理过程的描述包括三个问题：1注入离子在注入层的能量淀积分布和损伤分布；2离子碰撞和反冲原子的行为；3注入离子在靶内的射程分布。364.3离子注入物理基础离子在固体中的慢化和能量淀积 离子注入固体靶后，通过离子与靶中的原子和电子相互作用，逐渐把离子的动能传递给反冲原子和电子，直至离子的动能完全损失并在靶中停止下来，这一过程称为离子在固体中的慢化。慢化的过程就是靶内能量传递和淀积的过程。37 在入射离子与固体原子相互作用

14、的过程(称为初级碰撞)及反冲原子再与固体原子相互作用的过程(称为次级碰撞)中，都存在离子在固体中的慢化和能量淀积现象，在离子注入条件下，固体靶中产生的结构损伤与碰撞过程中淀积的能量成正比，因此，通常把原子碰撞过程中淀积的能量称为损伤能量，有时简称损伤。根据能量淀积分布理论，可估算受离子轰击后靶内的损伤分布。4.3离子注入物理基础离子在固体中的慢化和能量淀积384.3离子注入物理基础弹性碰撞和非弹性碰撞 入射离子与固体靶中的原子、电子发生碰撞，从而传递能量。若只把能量传递给原子，而参与碰撞的粒子的机械能(动能)守恒，这种过程称为弹性碰撞。若离子把能量传递给电子，引起激发或电离等过程，这时参与碰撞

15、的粒子机械能不守恒，这种过程称为非弹性碰撞。 一般情况下，离子通过固体时，上述两类过程同时发生。当离子能量较低时，弹性碰撞占主导地位；当离子能量较高时，非弹性碰撞占主导地位。离子注入的能量范围通常为几十至几百kev，属能量较低的范畴，因而弹性碰撞占优势。39 入射离子与固体中的原子碰撞时，如果晶格原子从碰撞中获得足够的能量，则被撞击的原子将越过势垒而离开晶格位置进入原子间隙成为移位原子，这种现象称作原子移位。发生原子移位所必须的最小能量称为移位阈能； 在离子注入实际应用的许多场合，固体中被入射离子撞击的反冲原子(称为初级反冲原子)，从初级碰撞中所获得的反冲动能，远远超过移位阈能，因此它会继续与

16、晶格原子碰撞，从而产生新的反冲原子(称为次级反冲原子)，这种次级碰撞接连不断的过程称为“级联碰撞”。在级联碰撞过程中，固体中原来的晶格位置上会出现许多“空位”，形成辐射损伤。4.3离子注入物理基础弹性碰撞和非弹性碰撞40LSS理论 1963年Lindhard Scharff Schiott三人确立了注入离子在靶内的分布理论，简称LSS理论，该理论提出时主要用于研究低速度、重离子在无定形靶材中的射程分布，但该理论所得出的结论可适用于质量范围相当宽的入射粒子领域。 射程在纵向和横向都有分布。4.3离子注入物理基础41离子碰撞4.4离子注入理论分析 在离子注入过程中，入射离子因与靶原子碰撞而损失能量

17、。通常把能量损失的机制区分为两种：1核碰撞损失能量 在这种碰撞中，能量传递给靶中的整个原子，而离子产生大角度偏转，损失的能量使晶格原子产生移位；由于原子的质量基本上集中于原子核，能量损失近似地等于离子与原子核碰撞时的能量损失，差不多就是核碰撞能量损失。 2电子碰撞损失能量 在这种情况下，运动的离子激发原子中的电子。每次碰撞损失的能量较小，离子偏转较小，晶格损伤可忽略不计；42 在经典情形中，我们只考虑这两种情况。离子在低能(几百kev以下)范围和大原子序数情况下，核碰撞能量损失占主导地位，在高能情况(Mev级)和小原子序数情况下，电子碰撞能量损失占主导地位。离子碰撞4.4离子注入理论分析43离

18、子与靶原子的核碰撞4.4离子注入理论分析 离子与靶原子之间的核碰撞归结为二体碰撞问题：带电离子与原子核组成一个质点组，彼此以内力相互作用而不受外力影响(或外力作用可略)。研究粒子碰撞问题时，为方便起见，常采用两种坐标系统。一种为实验室坐标系(用L系表示)，它是把坐标系建立在实验室上；另一种是质心坐标系(用CM系表示)它是将坐标系建立在相互碰撞的二个粒子的质心上。 44离子与靶原子的核碰撞4.4离子注入理论分析入射离子m1靶原子m2V1V2=0m1m2V1V2L系二体碰撞45入射离子m1靶原子m2u1CM系二体碰撞u2C 质心u1u2离子与靶原子的核碰撞4.4离子注入理论分析46通过理论推导可以

19、得到：靶原子m2（碰撞前相对于L系静止）在碰撞后所获得的能量为式中E1=m1v12/2为入射离子碰撞前的能量。E2即入射离子与靶原子相碰时传递的能量。L系中入射粒子的散射角：离子与靶原子的核碰撞4.4离子注入理论分析47原子间的相互作用势4.4离子注入理论分析 讨论原子间的相互作用力是研究原子碰撞问题的出发点和基础，而采用原子间的作用势或势能V(r)来表达原子间的作用力是一种最好方式。因为，V(r)不仅考虑了核的作用，而且也考虑了核周围电子云的作用。 入射离子与靶原子间的势能关系有许多不同的情况，令r为两个粒子的距离、氢原子的玻尔半径a00.53 （代表原子线度）、晶体中晶格原子间的距离D(其

20、典型值为2.5 )。48原子间的相互作用势4.4离子注入理论分析当rD时，粒子间的相互作用力是范德瓦尔斯力，谈不上碰撞问题。当a0rD，V（r）=Ae-r/b 称为Born-Mayer势。当r a0时，这时两个接近的原子核起作用，即核电荷的库仑场起主要作用。当r增大一些，但仍有ra0时，这时核外的电子云的存在对核电荷的库仑场起屏蔽作用，使库仑电势降低， 其中a=0.8853a0(Z12/3+Z22/3)-1/2 ，a0是玻尔半径49 在离子注入条件下，势能的普遍形式可表示为Thomas-Fermi屏蔽势：原子间的相互作用势4.4离子注入理论分析f(r/a)称为屏蔽函数， r0时，f(r/a)

21、1； r时，f(r/a) 0。在LSS理论中：式中asa，常数2s3。50碰撞参数与微分截面4.4离子注入理论分析P51碰撞参数与微分截面4.4离子注入理论分析 碰撞参数p是指入射离子初始运动路径延长线与靶原子核的垂直距离，也称为瞄准距离。 实际上是一束离子（离子流）被散射，这些离子有着不同但差别很小的碰撞参数（p）值，可以认为它的微小变化量为dp，定义微分截面d2pdp 。由于入射离子是沿着垂直于环面方向与靶原子发生碰撞，凡是进入这个环内的入射离子被靶原子散射后，都将落在散射角为至+d之间的立体角d内。52注入离子的射程分布理论（LSS理论）4.4离子注入理论分析 射程分布的计算，是一个非常

22、复杂的问题，这是因为注入的物理过程重要变数多，质量、能量变动范围广，因而没有一个单一的理论和方法能对各种因素作出精确的分析。 在离子注入的条件下，通常涉及的是能量较低的重离子，对于这种情况，1963年提出了一种LSS理论：假定入射离子与靶原子的相互作用是准弹性碰撞，利用与托马斯弗米（Thomas Fermi）势相类似的势来描述重离子与靶原子之间的碰撞，得出的结论可以运用于质量范围相当宽的入射离子。53 所谓非晶靶（也称为无定形靶），就是固体靶内原子的排列杂乱无章，没有规律性，但靶内原子密度是均匀的。对于单晶靶当晶轴方向与入射离子束成一定角度时，由于避免了沟道效应，可当作非晶靶处理。非晶靶中的射

23、程分布理论4.4离子注入理论分析54阻止本领4.4离子注入理论分析 我们用E1代表入射离子的能量， E2代表靶原子的能量(或入射离子传输给靶原子的能量)。令dE1dx为具有能量E1的入射离子沿入射深度单位距离上的能量损失，它和离子本身的能量及靶原子的种类与密度有关，对于确定能量的离子及靶材科，dE1dx为常数。因此当入射离子射入深度为x时，其能量损失为55 设靶原子的体密度(即单位体积内靶原子平均数)为N，厚度为x ，受离子束照射的面积为A，则NxA为受离子照射的靶原子总数，而单位面积上的靶原子数(称为原子面密度)则为NxA A Nx 。 E1与原子面密度都随x线性增加，因此，我们令能量损失E

24、1与原子面密度成正比。并定义比例系数S( E1)为阻止本领，则有阻止本领4.4离子注入理论分析因为dE1/dx为负值，所以上式右边取负号。56阻止本领4.4离子注入理论分析 在LSS理论中，中等能量范围的重离子入射到靶内的能量损失，可分为两个彼此独立的过程，即核碰撞与电子碰撞过程。核碰撞过程是入射离子将动能传输给靶原子核，这是弹性碰撞过程，其作用结果是在晶体中产生损伤并使入射的离子发生大角度散射；所谓电子碰撞过程是指运动离子将能量传输给靶原子中的电子，而引起激发、电离等。 与上述两过程相对应，引入两个有关离子能量损失的概念，即核阻止本领Sn( E1 )电子阻止本领Se( E1 )，用来表示靶中

25、原子核和电子对入射离子阻止能力的大小。设离子在一段微小距离dx上，由于与靶原子核及靶中电子的碰撞，平均每个离子失去的能量分别为-dEn和-dEe，则核阻止本领与电子阻止本领分别由下面两式定义：57阻止本领4.4离子注入理论分析Sn ( E1 ) = - ( dEn /dx ) /NSe ( E1 ) = - ( dEe /dx ) /N 根据以上定义，Sn(E1)和Se(E1)分别表示能量为 E1的一个入射离子，在单位体密度的靶内通过微分厚度dx时分别传递给靶原子核和电子的能量。于是，对单个入射离子而言，在靶内单位距离上总的能量损失可以表示为E1= En+Ee58射程4.4离子注入理论分析 各

26、个注入的离子在靶中与电子和原子发生作用，离子的能量减少，直至它停下来。离子在固体中实际穿行的路程称为总路程，用R表示。RpR59注入能量与射程关系4.4离子注入理论分析注入能量 (keV)Projected Range, Rp (mm)101001,0000.010.11.0BPAsSb注入到硅中60 R在实验中不是一个可以直接测量的物理量。通常，人们引入投影射程Xp这个可测的物理量来描述离子在固体中的穿透深度，Xp的定义为离子的总射程在其入射速度方向的投影。 离子同固体中的原子碰撞时过程是随机的，因此离子在每次碰撞中它运行速度的偏转方向及能量损失均是随机的。这样，即使对同一入射能量的不同离子

27、它们在固体中的穿透深度是不同的。 一般地，离子在固体中的终止位置（即穿透深度）在其入射方向上具有一定空间分布。由于注入过程具有统计分布的性质，投影射程Xp用其平均值Rp ，及沿入射离子方向的标准偏差Rp来表示。有时把Rp ，称为散布。射程4.4离子注入理论分析61射程4.4离子注入理论分析如果已知Sn(E1)、Se(E1)，可以求出离子总射程62核阻止本领Sn(E1)的理论计算4.4离子注入理论分析 设单位时间内垂直通过单位面积上的入射离子数为Ji，则单位时间内射到靶环2pdp上被一个靶原子核散射到散射角为至+d之间的离子数应为： Ji 2pdp= Ji dn 设N为核散射中心的体密度，则在单

28、位面积的靶片其厚度为dx的体元内有Ndx个核散射中心，它们把入射离子散射到+d内的离子数应为Ndx Ji dn 因此，每个入射离子通过dx时被散射到角至+d之间的几率P为： P= Ndx dn63 若用E2n(E1,)表示能量为E1的入射离子被原子核以散射角散射时失去的能量，则入射离子通过dx时因为与原子核碰撞，平均每个离子失去的能量为由此得出核阻止本领式中为对心碰撞时传输的最大能量。核阻止本领Sn(E1)的理论计算4.4离子注入理论分析64利用LSS理论中的 经过一定的运算，可以求得微分截面，从而求得Sn。如果取S=2，在这种情况下，在粗略而有用的一级近似中，通过运算可以得到与离子入射能量无

29、关的标准核阻止本领：核阻止本领Sn(E1)的理论计算4.4离子注入理论分析65电子阻止4.4离子注入理论分析 在LSS理论中，把固体中的电子看作自由电子气，那么电子的阻止就类似于粘滞气体的阻力。在常用注入离子能量范围内，电子阻止本领Se(E1)同入射离子的速度成正比，即和入射离子能量的平方根成正比。 K的大小和轰击粒子及靶材料有关。但对非晶态靶，K和轰击粒子的关系不大，近似为一常数。对硅来说： Ksi0.210-15(eV)1/2 cm66 利用Sn(E1)和Se(E1)的近似值 可以粗略地估计射程。画出这两个量，可以求得核阻止本领和电子阻止本领相等的一个临界能量Ec， SESe(E)Ec 对

30、硅，在轻轰击粒子如硼时，Ec约为15kev，在磷等重轰击粒子时，Ec高达150kev。射程粗略计算4.4离子注入理论分析67若一个入射离子的初始能量E比Ec大得多，则这个离子在靶内主要的能量损失机制是电子阻止。这时，核阻止损失的能量可以忽略，代入射程公式：若一个入射离子的初始能量EEc，则核阻止起主要作用，假设核阻止本领不随能量变化，为Sn0，射程可粗略估算为：射程粗略计算4.4离子注入理论分析68 R表示的是总射程，在离子注入技术中，最重要的量是投影射程Rp。在核阻止占优势的能量(低能)范围内，R与Rp的关系可用经验公式来表示： 对于m1m2的情况，计算结果近似性较好；对于m1m2的情况误差

31、较大，但仍可作为一个有用的估算式。射程粗略计算4.4离子注入理论分析69注入离子浓度分布：纵向分布4.4离子注入理论分析 注入靶内的离子，在靶内受到的碰撞是一个随机的过程，在注入大量的离子的时候，它们在靶内将按一定的统计规律分布。纵向分布是高斯分布： 入射离子在非晶靶中的射程分布完全可以用高斯函数来描述。式中x为沿着入射离子初始方向上离开靶表面的距离，N(x)代表该处的离子浓度(即离子体密度)。 RP是平均投影射程；RP是标准偏差。 由上式可以看出，在x=Rp处，N= Nmax为最大浓度，称为浓度峰。70注入离子浓度分布：纵向分布4.4离子注入理论分析 在实验中，入射离子的剂量(即垂直入射在靶

32、表面单位面积上的离子数) 是一个己知量。设Q0为沿x方向的剂量，则令：则：dx = 2RP dX71注入离子浓度分布：纵向分布4.4离子注入理论分析RP 与RP有近似关系，xyzRpRp离子浓度（对数坐标）离子束72注入离子浓度分布：纵向分布4.4离子注入理论分析由图可见，浓度分布具有以下几个特点：在平均投影射程xRp处有一最高浓度在平均投影射程Rp两边，注入离子浓度对称下降，x-Rp 越大，下降越快。在x-RpRP处N(x)/Nmax=e-1/2=0.6065注入轻离子时，如B+注入硅中，由于大角度散射、反向散射，则在平均投影射程Rp靶表面一侧堆积；注入重离子时，如P+注入硅中，相反，则在平

33、均投影射程Rp远的一侧堆积。这种堆积叫“拖尾现象”，对轻离子有好处，便于引出电极；对重离子是缺点，使实际结深增大。73PN结的位置4.4离子注入理论分析74注入离子浓度分布：横向分布4.4离子注入理论分析 离子进入靶时的侧向扩展用侧向散布来表征。它对于决定离子在掩膜边缘处的穿透以及用离子注入制成的结的曲率都是很重要的。当离中注入是通过一特别狭窄的掩膜窗口进行时，侧向效应也是很重要的。xyzRpRt离子浓度（对数坐标）离子束75 通过一个窄窗口注入的离子，在y轴正方向的空间分布情况可由下式求出：注入离子浓度分布：横向分布4.4离子注入理论分析76注入离子浓度分布：横向分布4.4离子注入理论分析

34、实际的浓度曲线为纺锤形77掩蔽膜4.5其他 常用的离子注入的掩蔽膜有： SiO2、Si3N4、光刻胶、Al 原则上按平均投影射程来选择，由材料和注入Si中的深度比来确定掩蔽膜的厚度。784.5其他沟道效应 单晶硅原子的排列是长程有序的，当注入离子未与硅原子碰撞减速，而是穿透了晶格间隙时，就发生了沟道效应。由于沟道效应，使得离子注入的深度比“高斯分布”还深。特别是低能离子的浅注入更加严重。常用的抑制方法有：把晶片对离子注入的运动方向倾斜一个角度，（100）硅片比较常见的是7o；在结晶硅的表面淀积一层非结晶膜；先用一次轻微的离子注入产生损伤表面；794.5其他沟道效应沿轴的硅晶格视图 80 离子注

35、入会将原子撞击出晶格结构而损伤硅片晶格。如果注入的剂量很大，被注入层将变成非晶。另外,被注入离子基本不占据硅的晶格点，而是停留在晶格间隙位置。这些间隙杂质只有经过高温退火过程才能被激活。退火能够加热被注入硅片，修复晶格缺陷 ;还能使杂质原子移动到晶格，将其激活。修复晶格缺陷大约需要 500,激活杂质原子需要约 950 。杂质的激活与时间和温度有关：时间越长 , 温度越高,杂质的激活越充分。硅片的退火有两种基本方法 :高温炉退火快速热退火 (RTA)4.5其他退火814.5其他退火退火也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。激活杂质消除损伤高温下，原子

36、的振动能增大，因而移动能力加强，可使复杂的损伤分解为点缺陷或其他形式的简单缺陷，简单缺陷在高温下可以较高的迁移率移动，复合后缺陷消失。对于非晶区域损伤恢复首先发生在损伤区与结晶区的交界面。退火的温度和时间，退火方式等根据实际的损伤情况来确定。82 高温炉退火是一种传统的退火方式，用高温炉把硅片加热至 800 到 1000 并保持 30 分钟。在此温度下,硅原子重新移回晶格位置,杂质原子也能替代硅原子位置进入晶格。但是在这样的温度和时间下进行热处理，会导致杂质的扩散,这是现代 IC 制造不希望看到的。 快速热退火 (RTA) 用极快的升温和在目标温度 (一般是1000) 短暂的持续时间对硅片进行

37、处理。注入硅片的退火通常在通入Ar或N2的快速热处理机（RTP）中进行。快速的升温过程和短暂的持续时间能够在晶格缺陷的修复、激活杂质和最小化杂质扩散三者之间取得优化。4.5其他退火834.5其他高温炉退火传统的热处理通过对流和传导实现加热,硅片和周围的炉管环境处于热平衡状态.由炉管外围的加热元件(电阻加热)加热炉管、气氛和硅片，为长波长的热辐射（光谱分布峰值在2um）。这种方法可以同时加工许多硅片。844.5其他快速加热工艺（RTP） 快速加热工艺主要是用在离子注入后的退火，目的是消除由于注入带来的晶格损伤和缺陷。传统上的退火工艺由炉管反应炉来完成。但是在退火消除缺陷的同时又会带来一些其他的负

38、面影响，比如，掺杂的再分布。这又是不希望发生的。这就使得人们在寻找其它的退火方式，这个方式就是快速加热工艺。RTP工艺是基于热辐射原理，如右图854.5其他快速加热工艺（RTP） 由示意图可看出，加热源（十字钨灯）在晶园的上面，这样晶园就可被快速加热。热辐射偶合进入晶园表面并以75125/分的速度到达工艺温度，由于加热时间很短，晶园体内温度并未升温，这在传统的反应炉内是不可能实现的。用这个工艺进行离子注入后的退火，就意味着晶格破坏修复了，而掺入杂质的分布没有改变。 RTP技术不只是用在“退火工艺”，对于MOS栅极中薄的氧化层的生长是自然而然的选择，由于器件尺寸越来越小的趋势使得加在晶园上的每层的厚度越来越薄，厚度减少最显著的是栅极氧化层。先进的器件要求栅极厚度小于0.01微米。如此薄的氧化层对于普通的反应炉来说，是难以实现的。而RTP系统快速升温降温可以提供所需的控制能力。864.5其他快速加热工艺-应用 快速加热工艺（RTP）已经在硅制造业的许多工艺中被广泛应用。经常使用到的操作有：注入退火，以消除缺陷并激活扩散杂质淀积膜的致密，如淀积氧化膜硼磷硅玻璃（BPSG）回流阻挡层退火，如氮化钛（TiN）硅化物形成，如硅化钛（TiSi2）接触合金874.5其他快速加热工艺（RTP）RTP时间/温度曲线如下：884.5其他硼