離子注入和快速退火工藝處理

1、離子注入和快速退火工藝離子注入是一種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)10nm10um ，離子劑量變動(dòng)范圍從 用于閾值電壓調(diào)整的1012/cm3到形成絕緣層的1018/cm3。相對(duì)于擴(kuò)散工藝， 離子注入的主要好處在于能更準(zhǔn)確地控制雜質(zhì)摻雜、可重復(fù)性和較低的工藝溫度。高能的離子由于與襯底中電子和原子核的碰撞而失去能量， 最后停在晶格內(nèi) 某一深度。平均深度由于調(diào)整加速能量來控制。 雜質(zhì)劑量可由注入時(shí)監(jiān)控離子電流來控制。主要副作用是離子碰撞引起的半導(dǎo)體晶格斷裂或損傷。因此，后續(xù)的 退化處理用來去除這些損傷0540 kV井析0 U 謝 甑在品

2、片工和斶機(jī) 屮性束和烏于 H束冏托蹭程JH7-2中卻能卅離子注人扒血現(xiàn)圏1離子分布(a)離子射程斤及投解射程給的示總圖一個(gè)離子在停止前所經(jīng)過的總距離，稱為射程 R。此距離在入射軸方向上的投影稱為投影射程Rp。投影射程的統(tǒng)計(jì)漲落稱為投影偏差c p。沿著入射軸的垂直的方向上亦有一統(tǒng)計(jì)漲落，稱為橫向偏差c丄下圖顯示了離子分布數(shù)來近似：,沿著入射軸所注入的雜質(zhì)分布可以用一個(gè)高斯分布函tbJirtAl F前：揀掙布1勾田了甘千竹礴情國S為單位面積的離子注入劑量，此式等同于恒定摻雜總量擴(kuò)散關(guān)系式。沿x軸移動(dòng)了一個(gè)Rp?；貞浌?對(duì)于擴(kuò)散，最大濃度為x = 0;對(duì)于離子注入，位于Rp處。在（x Rp）=&#

3、177; CP處，離子濃度比其峰值降低了 40%。在±2 dp處則將為10%。在±3 g處為1%。 在±4 g處將為0.001%。沿著垂直于入射軸的方向上，其分布亦為高斯分布，可 用：V2比 P（一 j）-表示。因?yàn)檫@種形式的分布也會(huì)參數(shù)某些橫向注入。2 離子中止使荷能離子進(jìn)入半導(dǎo)體襯底后靜止有兩種機(jī)制。一是離子能量傳給襯底原子核，是入射離子偏轉(zhuǎn)，也使原子核從格點(diǎn)移出。設(shè)E是離子位于其運(yùn)動(dòng)路徑上某點(diǎn)x處的能量，定義核原子中止能力:二是入射離子與襯底原子的電子云相互作用， 通過庫侖作用，離子與電子碰 撞失去能量，電子則被激發(fā)至咼能級(jí)或脫離原子。定義電子中止能力:離子

4、能量隨距離的平均損耗可由上述兩種阻止機(jī)制的疊加而得:如果一個(gè)離子在停下來之前，所經(jīng)過的總距離為R，則dEE0為初始離子能量，R為射程。核阻止過程可以看成是一個(gè)入射離子硬球與襯底核硬球之間的彈性碰撞M1轉(zhuǎn)移給M2的能量為:電子中止能力與入射離子的速度成正比：'其中系數(shù)ke是原子質(zhì)量和原子序數(shù)的弱相關(guān)函數(shù)。硅的ke值107(eV)1/2/cm 。砷化傢的 ke 值為3 xiO7(eV)1/2/cm離子中止兩種機(jī)制：一是離子能量傳給襯底原子核，是入射離子偏轉(zhuǎn)，也使原子核從格點(diǎn)移出。二是入射離子與襯底原子的電子云相互作用， 通過庫侖作用,離子與電子碰撞失去能量，電子則被激發(fā)至咼能級(jí)或脫離原子硅

5、晶俸Hrl括換中it 電宇中止阿 MM tOOQA»rx 于 fit!量哥-5 5L時(shí)種.確一翦琦于的14中止施力SEhEil亍中I卜傭力 衆(zhòng)已"故的址點(diǎn)時(shí)由屮止備力擁等時(shí)的甜硅中電子中止能力如虛線所示，交叉能量點(diǎn)是Sn(E)=Se(E)。一旦Sn(E)和Se(E)已知，可計(jì)算處射程范圍?？梢杂孟率鼋品匠淌絹砬蟮猛队吧涑膛c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，投議傭爹和様向如亙比獨(dú)3 離子注入的溝道效應(yīng)前述高斯分布的投影射程及投影的標(biāo)準(zhǔn)偏差能很好地

6、說明非晶硅或小晶粒多晶硅襯底的注入離子分布。只要離子束方向偏離低指數(shù)晶向111，硅和砷化鎵中的分布狀態(tài)就如在非晶半導(dǎo)體中一樣。在此情況下，靠近峰值處的實(shí)際雜質(zhì)分布，可用“高斯分布函數(shù)”來表示，即使延伸到低于峰值一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)處 也一樣，這表示在下圖中。然而即使只偏離 111晶向7度，仍會(huì)有一個(gè)隨距離 而成指數(shù)級(jí)exp(-x/力變化的尾區(qū)，其中入的典型的數(shù)量級(jí)為O.lum。襯底定位時(shí)有意偏離晶向情況下的雜質(zhì)分布。離子束從111軸偏離7度入圖7-7 靶定位時(shí)右立偏離品向惘況下的 永質(zhì)分布.囲中離子束人射存向 偏離門“抽7D 1指數(shù)型尾區(qū)與離子注入溝道效應(yīng)有關(guān)，當(dāng)入射離子對(duì)準(zhǔn)一個(gè)主要的晶向并被導(dǎo)向在

7、各排列晶體原子之間時(shí)，溝道效應(yīng)就會(huì)發(fā)生。圖為沿110方向觀測(cè)金剛石晶格的示意圖。離子沿110方向入射，因?yàn)樗c靶原子較遠(yuǎn)，使它 在和核碰撞時(shí)不會(huì)損傷大量能量。 對(duì)溝道離子來說，唯一的能量損傷機(jī)制是電子 阻止，因此溝道離子的射程可以比在非晶硅靶中大得多。4 離子進(jìn)入的角度及通道<100><110><111>溝道效應(yīng)降低的技巧1、覆蓋一層非晶體的表面層、將硅芯片轉(zhuǎn)向或在硅芯片表面制造一個(gè)損傷的表層。常用的覆蓋層非晶體材料只是一層薄的氧化層 圖(a)，此層可使離子束 的方向隨機(jī)化，使離子以不同角度進(jìn)入硅芯片而不直接進(jìn)入硅晶體溝道。2、將硅芯片偏離主平面5-10度，

8、也能有防止離子進(jìn)入溝道的效果圖(b)此方法大部分的注入機(jī)器將硅芯片傾斜 7度并從平邊扭轉(zhuǎn)22度以防止溝道效應(yīng)。3、先注入大量硅或鍺原子以破壞硅芯片表面，可在硅芯片表面產(chǎn)生一個(gè)隨 機(jī)層圖(c)，這種方法需使用昂貴的離子注入機(jī)。5)經(jīng)過仆品體注入(b>平時(shí)準(zhǔn)晶軸的入射<c)在單晶涇H的預(yù)先描愣5 注入損傷與退火離子注入中，與原子核碰撞后轉(zhuǎn)移足夠的能量給晶格， 使基質(zhì)原子離開晶格位置而造成注入損傷(晶格無序)。這些離位的在也許獲得入射能量的大部分，接著如骨牌效應(yīng)導(dǎo)致鄰近原子的相繼移位而形成一個(gè)沿著離子路徑的樹枝狀的無序區(qū)。當(dāng)單位體積內(nèi)移位的原子數(shù)接近半導(dǎo)體的原子密度時(shí)，單晶材料便成為非晶

9、材料輕離子的樹枝狀的無序區(qū)不同于重離子。輕離子(11B+ )大多數(shù)的能量損傷起因于電子碰撞，這并不導(dǎo)致晶格損傷。離子的能量會(huì)減低至交叉點(diǎn)能量， 而在那里核阻止會(huì)成為主導(dǎo)。因此，晶格無序發(fā)生在離子最終的位置附近。如下圖(a)所示。如下圖(b)重離子的能量損失主要是原子核碰撞，因此預(yù)期有大量的損傷所示。他XS7-10亶于注人引製的無序託要估計(jì)將單晶轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷Р牧纤璧哪芰浚梢岳靡粋€(gè)判據(jù)，即認(rèn)為注入量應(yīng)該與融化材料所需的能量密度(1021keV/cm3 )在數(shù)量級(jí)上相同。對(duì)于 100keV的砷離子來說，形成非晶硅所需的劑量為吐1也閔屮個(gè)離子加6 退火由于離子注入所造成的損傷區(qū)及畸形團(tuán)，使遷移率和

10、壽命等半導(dǎo)體參數(shù)受到影響。此外，大部分的離子在被注入時(shí)并不位于置換位置。 為激活被注入的離子 并恢復(fù)遷移率與其它材料參數(shù)，必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間與溫度下將半導(dǎo)體退火 除注入損傷。但會(huì)造成大量雜質(zhì)擴(kuò)散而無法符合淺結(jié)及窄雜質(zhì)分布的需求?？焖贌嵬嘶穑≧TA）是一種采用各種能源、退火時(shí)間范圍很寬（100s到納 秒）的退火工藝。RTA可以在最小的雜質(zhì)再分布情況下完全激活雜質(zhì)。退火：將注入離子的硅片在一定溫度和真空或氮、 氬等高純氣體的保護(hù)下， 經(jīng)過適當(dāng)時(shí)間的熱處理，部分或全部消除硅片中的損傷，少數(shù)載流子的壽命及遷移率也會(huì)不同程度 的得到恢復(fù)，電激活摻入的雜質(zhì)分為普通熱退火、硼的退火特性、磷的退火特性、擴(kuò)散效應(yīng)

11、、快速退火普通熱退火：退火時(shí)間通常為15-30min ,使用通常的擴(kuò)散爐，在真空或 氮、氬等氣體的保護(hù)下對(duì)襯底作退火處理。缺點(diǎn)：清除缺陷不完全，注入 雜質(zhì)激活不高，退火溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致雜質(zhì)再分布。7硼與磷的傳統(tǒng)退火退火的特性與摻雜種類及所含劑量有關(guān)»741盹攤韻邇籾瞬靑子獲星怡妙需鞘退比旳廈即注人的黃瘵'硼的退火特性1區(qū)單調(diào)上升：點(diǎn)缺陷、陷井缺陷消除、自由載流子增加2區(qū)出現(xiàn)反退火特性：代位硼減少，淀積在位錯(cuò)上3區(qū)單調(diào)上升劑量越大，所需退火溫度越高。痛的暹火晴it國中紿出酌是珊禽子lUlSOkeVfif能量和 三個(gè)不同劑量注入睚中的退火特性=如陰所示可以把退火溫產(chǎn)分為三個(gè)醫(yī)

12、域.10|150keV'n-Ts-25C.nxmznuz恤=虻仙QIJ01<0 500 00 700 300 9001000TACO磷的退火特性雜質(zhì)濃度達(dá)1015以上時(shí)出現(xiàn)無定形硅退火溫度達(dá)到 600 C800 CT匡是不冋珈呈桔況下自目戢淀子量號(hào)剤屋之比相刊 于退畑度ITA*時(shí)夫耒曲線»*田一廠占電rb-LCT<iod J® 貂）700 tan xo你（©如杲豐極不是航整黑俯換弓獰HEFIPE：査"商是 在總內(nèi)毘-LSln.在週止吋-?狂弟蘭甘一將在為邛聲曲 同時(shí)農(nóng)生，兩卜技建面遇則可絶放弟面繪按生匣手汩己 也熟熱退火問題：簡(jiǎn)單、價(jià)

13、廉激活率不高產(chǎn)生二次缺陷，桿狀位錯(cuò)。位錯(cuò)環(huán)、層錯(cuò)、位錯(cuò)網(wǎng)加劇擴(kuò)散效應(yīng):熱退火的溫復(fù)與卿費(fèi)敵町匡遍度;ms妥低槨券b徂 是 > 對(duì)于汪入?yún)^(qū)的朵丘 > 即便在匕磁佬的ifiJS f雜酎 散也是菲席顯者的.這是因?qū)?主入篙子所喳成罰晶格転怪， 檜堆內(nèi)的空伍靈度比費(fèi)平酌町晶體申審空應(yīng)越虔要丸律聖 另外，由于詔子生入崔便晶侮內(nèi)疔杞天塑的間阻原子般 神掀陪這些都盒便擴(kuò)敵抹敢増大，H散奴埋堀強(qiáng).園此 疽州也稱*嗨火過程屮的夕凱為増強(qiáng)H散n星諜退火晶片潘足半尢限大條件則汪M歲婭叫后在靶網(wǎng)附分布訓(xùn)愍是告期圍埜，直抵惟喘差要百曲修止.分布雷數(shù)的表這式対；g 胡込時(shí) ejqj("嚴(yán)(朋；十2血

14、嚴(yán)-'x-f ' Has? 4 加 p式中陽擴(kuò)敞贏斟D比相限度下葩中的擴(kuò)敢桶妥 丈幾倍甚至幾十倍I対且r不同衽人區(qū)旳冊(cè)怖不同 >備班 的擴(kuò)散系>。也有彳辰大的差豹.8快速熱退火一個(gè)具有瞬間光加熱的快速熱退火系統(tǒng)表為傳統(tǒng)爐管與RTA技術(shù)的比較。為獲得較短的工藝時(shí)間，需在溫度和工藝 的不均勻性、溫度測(cè)量與控制、硅芯片的應(yīng)力與產(chǎn)率間作取舍。抉速退夬俠速退火可以勢(shì)為：除光退火、電孑束退火、舸孑束退火、非相干光退火等等. 苴退火時(shí)間在icT-io%間，亦稱瞬態(tài)退火.憂點(diǎn)：先焰化再結(jié)品，時(shí)閭快，雜質(zhì)東不站散RHr設(shè)備采用潔華大學(xué)蹴電子所發(fā)明的紅外光快速熱處理技術(shù).該技術(shù)采用 倉

15、頻感應(yīng)加歸英腔內(nèi)的高噸廈石董作為紅外輻射熱痂使晶片在石墨腔肉迅速 井溫通當(dāng)約三秒可達(dá)100庁一而在加熱區(qū)外迅園第蟲 該設(shè)備具有升溫快，加 熱均勻熱處理后晶片不喪形等憂點(diǎn).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退火時(shí)1蹴*沖持然時(shí)間的孟東快速熱退火表*M 按術(shù)比較眺定因素謝規(guī)退火爐技術(shù)快謹(jǐn)熱迫火技術(shù)加工率式分At式迫片式爐況熱壁冷壁加葩速率低獵環(huán)周期短溫度監(jiān)測(cè)爐陽片熱砂訃耳A低塵埃問題存在廉小化均勻性和垂星性低生產(chǎn)救率髙低9 注入相關(guān)工藝多次注入及

16、掩蔽在許多應(yīng)用中，除了簡(jiǎn)單的高斯分布外其它的雜質(zhì)分布也是需要的。例如硅 內(nèi)預(yù)先注入惰性離子，使表面變成非晶。此方法使雜質(zhì)分布能準(zhǔn)確地控制， 且近 乎百分百的雜質(zhì)在低溫下激活。在此情況下，深層的非晶體層是必須，為了得到 這種區(qū)域，必須要做一系列不同能量與劑量的注入（多次注入）。多次注入如下圖所示，用于形成一平坦的雜質(zhì)分布。t- 訂fi金W59 IwV03八】剛虜択濁人H能的»k曲K分也為了要在半導(dǎo)體襯底中預(yù)先選擇的區(qū)域里形成 p-n結(jié)，注入時(shí)需要一層合適的掩蔽層。此層要阻止一定比例的入射離子其最小厚度可從離子的射程參數(shù)來求得。在某一深度d之后的注入量對(duì)回憶式積分可得:S回憶式穿越深度d

17、的劑量的百分比可由穿透系數(shù) T求得:一旦得到了 T,對(duì)任一恒定的Rp和皿來說，都可以求得掩蔽層厚度d，對(duì)SiO2、Si3N4與抗蝕劑來說，要阻擋99.99%的入射離子（T= 10-4 ）所需的d值如下圖 所示。圖中內(nèi)插圖顯示了在掩蔽材料內(nèi)的注入物的分布LOO E (keV)10M>圖卜M 掩糧救率為99.卿帰時(shí)折hSflNN'和光致抗1*曲K）的螯小厚度w10傾斜角度離子注入當(dāng)器件縮小到亞微米尺寸時(shí)，將雜質(zhì)分布垂直方向也縮寫是很重要的。 現(xiàn)代 器件結(jié)構(gòu)如輕摻雜漏極（LDD），需要在縱向和橫向上精確控制雜質(zhì)分布。垂直 于表面的離子速度決定注入分布的投影射程。如果硅芯片相對(duì)于離子束傾

18、斜了一 個(gè)很大的角度，則等效離子能量將大為減少。在傾斜角度離子注入時(shí)，需考慮硅芯片上掩蔽圖案的陰影效應(yīng)。較小的傾斜 角度導(dǎo)致一個(gè)小陰影區(qū)。如高為0.5um的掩蔽層，離子束的入射角為7度，將導(dǎo) 致一個(gè)61nm的陰影區(qū)。可能是器件產(chǎn)生一個(gè)預(yù)想不到的串聯(lián)電阻。60keV砷入射到硅中，相對(duì)濃度分布為離子束傾斜角度的函數(shù)，內(nèi)插圖所示 是傾斜角度離子注入的陰影區(qū)1102D3044JWWTO80601*eV的畔離于注人耐中時(shí)與用斜角盛的帝戰(zhàn)關(guān)毎葬申怖圖竄冠高干注人帶曲的蔽借城s77辛11 高能量與大電流注入注入機(jī)能量可高達(dá)1.5-5MeV，且已用作多種新型用途。主要利用其能將雜 質(zhì)摻入半導(dǎo)體內(nèi)深達(dá)好幾個(gè)微米

19、的能力而不需要借助高溫下長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散。也可用于制作低電阻埋層。例如，CMOS器件中距離表面深達(dá)1.5到3um的埋層。大電流注入機(jī)（10-20mA）工作在25-30keV范圍下，通常用于擴(kuò)散技術(shù)中 的預(yù)置處理。因?yàn)槠淇偭磕軌蚓_控制。在預(yù)置后，摻雜劑可以用高溫?cái)U(kuò)散步驟 再分布，同時(shí)順便將表面區(qū)的注入損傷修補(bǔ)。另一用途就是 MOS器件的閾值電 壓調(diào)整，精確控制的雜質(zhì)量經(jīng)柵極氧化層注入溝道區(qū)。目前，已有能量范圍介于150-200keV的大電流離子注入。主要用途是制作 高品質(zhì)硅層，通過向硅層中注入氧來生成二氧化硅從而使該硅層與襯底絕緣。這種氧注入隔離（SIMOX ）是一種絕緣層上硅（SOI）的關(guān)鍵技術(shù)。2.8離子注入主要參數(shù)離子注入的幾何說明：a :離子束注入面刀：表面B :模擬的平面9 :離子束方向與y軸方向的夾