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1、第四章 离子注入,本章主要内容,核碰撞和电子碰撞 注入离子在无定形靶中的分布 注入损伤 热退火,离子注入,离子注入发展于20世纪60年代，是一种代替高温扩散向半导体中引进掺杂剂的方法。离子注入已成为VLSI制程上最主要的掺杂技术。一般CMOS制程，大约需要612个或更多的离子注入步骤。 离子注入是将掺杂剂通过离子注入机的离化、加速和质量分析，成为一束由所需杂质离子组成的高能离子流而投入半导体晶片（俗称为靶）内部，并通过逐点扫描完成对晶片的注入。,一、离子注入简介,离子注入中，被掺杂的材料称为靶，轰击靶的离子在靶表面被反射，不能进入靶内的为散射离子；进入靶内的离子为注入离子。,Two impor
2、tant parameters: Dose concentration Energy depth,Typical implant voltages: 50200 KeV, the trend is to lower voltages.,Typical implant dose: 10111016 cm2.,离子注入,二、离子注入的特点,离子经加速，到达半导体表面；,离子经过碰撞损失能量，停留在不同深度的位置，此位置与离子能量有关；,离子走过的距离，即透入深度，称为射程。射程的大小与离子动能以及半导体的结构特性有关 ；,杂质分布对于晶体相对离子束方向的取向表现出强烈的依赖性。,注入的离子纯度高
3、可以精确控制掺杂原子数目 温度低,小于400,掩蔽材料不需耐高温 离子注入深度随离子能量的增加而增加，掺杂深度可控 非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制 低温注入，避免高温扩散所引起的热缺陷 横向扩散效应比热扩散小得多 离子通过硅表面的薄膜注入，薄膜起到保护膜的作用，防止污染。 化合物半导体在高温处理时可能发生变化，采用离子注入可以对化合物半导体进行掺杂,离子注入,三、离子注入的优点,离子注入,四、离子注入的缺点,产生的晶格损伤不易消除,很难进行很深或很浅的结的注入,高剂量注入时产率低,设备价格昂贵（约200万美金）,五、离子注入的应用,离子注入,可以用于n/p型硅的制作,隔离工序中防止寄生沟道
4、用的沟道截断,调整阈值电压用的沟道掺杂,CMOS阱的形成,浅结的制备,电子碰撞 注入离子与靶内自由电子以及束缚电子间的碰撞。,核碰撞 注入离子与靶内原子核间的碰撞。,核碰撞和电子碰撞,注入离子在靶内的分布理论，简称LSS理论。LSS理论认为，注入离子在靶内的能量损失方式有两种：,核碰撞和电子碰撞,电子阻止本领：,在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为：,注入离子在靶内运动的总路程：,核阻止本领：可以理解为能量为E的一个注入离子，在单位 密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。,E0为注入离子的起始能量。,核阻止本领,选用托马斯-费米函数时，核阻止与粒子能量的关系如下
5、图：,图中，低能量时核阻止本领随注入离子能量增加线性增加；在高能量时，因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换，所以核阻止本领变小。,电子阻止本领,式中，V为注入离子速度，系数Ke与注入离子和靶的原子序数、质量有微弱关系，粗略估计下，可近似为常数。,电子阻止本领同注入离子的速度成正比，即与注入离子能量的平方根成正比：,将电子看为自由电子气，电子的阻止类似于粘滞气体的阻力。,核阻止本领和电子阻止本领比较,低能区,中能区,高能区,核阻止本领和电子阻止本领比较,一级近似下，核阻止本领与入射离子的能量无关。,注入离子在无定形靶中的分布,注入离子在靶内分布是与注入方向有着一定的关系，一般
6、来说，粒子束的注入方向与靶垂直方向的夹角比较小。,注入离子在靶内受到的碰撞是随机过程。如果注入的离子数量很小，它们在靶内的分布是分散的，但是大量注入离子在靶内的分布是按一定统计规律分布。,注入离子在无定形靶中的分布,纵向分布,注入离子在靶内的射程和离散的微分方程由LSS建立。在一级近似下用高斯函数表示为：,n(x)距离靶表面为x处的离子浓度； Nmax峰值浓度； Rp平均投影射程； RpRp的标准偏差。,注入离子在无定形靶中的分布,纵向分布,Rp和R之间的关系一般可表示为：,式中，b是E和R的缓慢变化函数，M1和M2分别是注入离子和靶原子的质量。,在核阻止占优势的能量范围内，当M1M2时，经验
7、规律为：,注入离子在无定形靶中的分布,纵向分布,Rp是表征注入离子分布分散情况的 一个量，称为标准偏差，即为投影射 程对平均值Rp偏离的均方根：,通过靶表面单位面积注入的离子总数（剂量）NS为：,总剂量决定了峰值的浓度,注入离子在无定形靶中的分布,纵向理论分布,实际上，高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。这是因为高斯分布是在随机注入条件下得到的粗略结果，那些碰撞次数小于平均值的离子，可能停留在比Rp更远处；而碰撞次数大于平均值的离子可能停留在表面与Rp之间。,轻离子入射时，受到大角度的散射，分布在峰值位置与表面一侧的离子数量大于峰值位置的另一侧，例如B离子注入硅靶中,B与Si原子相撞,被反
8、向散射的B离子数量增多。 重离子入射时，将引起在比峰值位置更远一侧有更多的离子分布，如As离子注入硅靶中。,实际注入时还有更多影响因素。,注入离子在无定形靶中的分布,横向效应,横向效应是指注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。,横向效应与注入离子有关，与入射离子的能量有关。,离子注入的横向效应比热扩散要小很多。,离子注入的沟道效应,沟道效应的定义,当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿沟道运动，受到的核阻止和电子阻止作用很小，注入离子的能量损失率就很低，故注入深度较大，此称为沟道效应。,产生沟道效应的原因,当离子注入的方向=沟道方向时,离子因为没有碰到晶格而长驱直入，故注入
9、深度较大。,沟道效应产生的影响,在不应该存在杂质的深度发现杂质。,离子注入的通道效应,离子注入的沟道效应,1.倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入方向，典型值为7； 2.先重轰击晶格表面，形成无定型层； 3.表面长二氧化硅、氮化硅、氧化铝无定型薄层。 即使晶体某个晶向平行于离子注入方向,但注入离子进入晶体前,在无定形的介质膜中多次碰撞后已经偏离了入射方向,偏离了晶向。 在无定形靶运动的离子由于碰撞方向不断改变，因而也会有部分离子进入沟道，但在沟道运动过程中又有可能脱离沟道，故对注入离子峰值附近的分布并不会产生实质性的影响。,离子注入的沟道效应,解决沟道效应的方法,离子注入的沟道效应,解决沟道效
10、应的方法,浅结的形成,形成浅结的困难是多方面的，目前采用的方法主要有：,采用分子注入法,降低注入离子的能量,硼质量较轻，投影射程深，故采用BF2分子注入法，进入靶内因碰撞而发生分解，释放原子硼。但此方法因氟的电活性形成缺陷群, B的扩散系数高以及硼被偏转入主晶轴方向的几率大等缺点，现采用此法正逐步减少。,此方法的缺点是，低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差，原因为带电离子的相互排斥（空间电荷效应）。可以通过降低束流密度或缩短路径长度来降低空间电荷效应。,浅结的形成,预先非晶化,预先非晶化是实现P+结的比较理想方法。如在注B之前，先用重离子高剂量注入，使硅表面变为非晶的表面层。这种方法可以
11、使沟道效应减小到最小，与重损伤注入层相比，完全非晶化层在退火后有更好的晶体质量； 预先非晶化的p-n结的漏电流和最终的结深是与退火后剩余缺陷数量以及结的位置有关。预先非晶化之后再通过固相外延再结晶，会在非晶区与结晶区的界面形成高密度的位错环，若界面缺陷区在结的附近，那么漏电流和杂质的扩散都会增加。,注入损伤,离子注入技术的最大优点，就是可以精确地控制掺杂杂质的数量及深度。但在离子注入过程中，衬底的晶体结构受到损伤是不可避免的。 在碰撞过程中，靶原子可能离开晶格位置进入间隙，成为间隙原子并留下一空位，形成间隙-空位缺陷对。间隙原子只要具有足够的能量，在运动过程中将继续与其他靶原子碰撞，使得在入射
12、离子运动轨迹的周围产生大量的缺陷，晶格受到损伤。,级联碰撞,移位原子,因碰撞而离开晶格位置的原子称为移位原子。,能量淀积过程,注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程，称为能量淀积过程。一般来说，能量淀积可以通过弹性碰撞和非弹性碰撞两种形式进行。弹性碰撞能量是守恒的，非弹性碰撞将一部分动能转化为其他形式的能。 当注入离子的能量较高时，非弹性碰撞淀积过程起主要作用；离子的能量较低时，弹性碰撞占主要地位。在集成电路制造中，弹性碰撞占主要地位。,级联碰撞,移位阀能,注入离子与靶内原子碰撞的3种可能,使一个处于晶格位置的原子发生移位所需要的最小能量称为移位阀能，用Ed表示。,1.碰撞过程中传
13、递的能量小于Ed,被碰原子在平衡位置振动,将获得的能量以振动能形式传递给近邻原子,表现为宏观热能； 2.碰撞过程中传递的能量在Ed和2Ed间,被碰原子成为移位原子，并留下一个空位,但它不可能使与它碰撞原子移位； 3.被碰原子本身移位后,还具有很高的能量，在它运动过程中，还可以使与它碰撞的原子发生移位。,级联碰撞,移位原子也称为反冲原子,与入射离子碰撞而发生移位的原子,称为第一级反冲原子。与第一级反冲原子碰撞而移位的原子,称为第二级反冲原子,这种不断碰撞的现象称为“级联碰撞”。,级联碰撞,注入离子在硅衬底中产生的3类损伤,1.在原来硅晶体中产生孤立的点缺陷或缺陷群； 2.在晶体中形成局部的非晶区
14、域； 3.由于注入离子的损伤的积累形成非晶层。,简单晶格损伤,非晶层的形成,退火方式相同,退火方式不同,单位体积内的移位原子数目接近半导体的原子密度时，此区域称为非晶区域。,局部的非晶区域相互重叠形成非晶层,简单晶格损伤,注入轻离子,在初始阶段，能量损失主要是由电子阻止引起的，不产生移位原子。注入离子能量损失到到一定程度后，核阻止将起主要作用，晶格损伤主要产生于此。,注入重离子,对于重离子，主要是通过核碰撞损失能量。, Cross sectional TEM images of amorphous layer formation with increasing implant dose (30
15、0keV Si -Si),非晶的形成,形成非晶区与注入离子的剂量有关，注入离子的剂量越高，产生移位原子数目也就越多，损伤也就越严重，就更容易形成非晶区。,晶体,非晶区,非晶的形成,形成非晶区不但与注入离子的剂量有关，还有注入离子的能量、质量有关，同时也与靶温、晶向等因素有关。,在其他条件相同的情况下，靶温越高，损伤情况越轻，这主要是因为在离子注入同时，存在一个自退火的过程。温度高时，间隙原子振动大，也就越容易与空位复合，从而消除缺陷。,形成非晶区与靶晶体的取向也有着重要的关系，注入离子是沿着靶材料的某一晶向入射还是随机入射，对形成非晶区所需临界剂量是不相同的，实验证明，在一定条件下，沿某一晶向
16、入射时形成非晶区所需的临界剂量高于随机入射。,热退火,注入离子所造成的晶格损伤，对材料的电学性质将产生重要的影响。例如，由于散射中心的增加，使载流子迁移率下降；缺陷中心的增加，会使非平衡少数载流子的寿命减少，p-n结的漏电流增大。 离子注入被射入的杂质离子大多数处于晶格间隙位置，起不到施主和受主的作用。 所以，采用离子注入技术进行掺杂的硅片，必须消除晶格损伤，并使注入的杂质转入替位位置以实现电激活。,热退火,定义,如果将注有离子的硅片在一定温度下，经过适当时间的热处理，则硅片中的损伤就可能部分或绝大部分得到消除，少数载流子的寿命及迁移率也会不同程度的得到恢复，掺入的杂质也将得到一定比例的电激活
17、，这样的处理过程称为热退火。 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。,热退火,热退火的作用,（1）消除晶格损伤 高温下，原子的振动能增大，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。,（2）激活杂质 使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到激活杂质的作用。,硅的退火特性,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。,低剂量造成的损伤，一般在较低温度下退火就可以消除。,载流
18、子激活所需要的温度比起寿命和迁移率恢复所需要的温度低，因为硅原子进入晶格速度比杂质原子慢。,硼的退火特性,500 以下，无规则分布的点缺陷，例如间隙原子、空位等，随退火温度上升，移动能力增强，因此间隙硼和硅原子与空位的复合几率增加，使点缺陷消失，替位硼的浓度上升，电激活比例增大，提高了自由载流子浓度。 500600 范围内，点缺陷通过重新组合或结团，形成较大尺寸的缺陷团，降低其能量。因硼原子非常小并和缺陷团有很强的作用，很容易迁移或被结合到缺陷团中，处于非激活位置，因而会出现随温度的升高而替位硼的浓度下降的现象，也就是自由载流子浓度随温度上升而下降的现象。 600 以上，硼的替位浓度以接近于5
19、eV的激活能随温度上升而增加，,硼的退火特性,磷的退火特性,图中虚线表示损伤区还没有变为非晶层时的退火性质，实线表示非晶层的退火性质。,对于不是非晶层的损伤区，注入剂量提高时，退火温度必须相应提高。,对于非晶层，其退火温度基本固定在600度附近。,热退火过程中的扩散效应,现象,高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数衰减的拖尾。,产生的原因,退火温度同热扩散温度相比很低，在较低的温度下，对完美晶体中的杂质来说，扩散系数是很小的，但注入区中的晶格因离子注入时造成的损伤，使硅内空位数量比完美晶体中的要大得多，且存在大量的间隙原子和其他各种缺陷，故
20、杂质的扩散系数增大，扩散效应增强。,快速热退火,常规退火方法的缺点,常规的退火方法不能完全消除缺陷，且又会产生二次缺陷，高剂量注入时的电激活率也不够高，要想完全激活某些杂质所需要的退火温度至少要达到1000。 同时，在退火过程中，整个晶片都要经受一次高温处理，增加了表面污染，特别是高温长时间的退火会导致明显的杂质再分布，破坏了离子注入的优点，过大的温度梯度也可能造成硅片的翘曲变形，这些都限制了常规的退火方法在ULSI中的应用。,快速热退火,快速热退火-Raptid Thermal Processing(Anneal) (RTP或RTA),在氮气或惰性气体的气氛下，极短的时间内，把晶片温度加热到
21、所需的温度，并在较短的时间内完成退火。,作用,消除由注入所产生的晶格损伤； 恢复材料少子寿命和载流子迁移率； 杂质激活。,目的,通过降低退火温度，或者缩短退火时间完成退火。,方法,快速退火技术目前有脉冲激光、脉冲电子束与离子束、连续波激光以及非相干宽带光源等。,脉冲激光法,若激光辐射区域仍为固相，非晶区是通过固相外延再生长过程变为晶体结构，称为固相外延模型；液相则为液相外延。液相外延的退火效果比固相的好，但因注入区变为液相，杂质扩散情况更严重。 激光退火的特点时间短，杂质几乎不扩散，衬底中及其他电学参数基本不受影响。可选择局部退火，通过选择波长和改变能量密度，可在深度上和表面上进行不同的退火过
22、程，在同一硅片上制造出不同结深或不同击穿电压的器件。较好的消除缺陷，使注入杂质的电激活率很高。,定义,利用高能量密度的激光束辐射退火材料表面，从而引起被照区域的温度突然升高，达到退火效果。,特点,其他形式快速热退火,电子束退火,退火机理同激光退火一样。优点是在较短的时间内升到较高的温度，束斑均匀性较激光好，能量转换率高，但在氧化层中产生中性缺陷。,非相干宽带频光源,设备简单，生产效率高，没有光干涉效应，又能保持快速退火技术的所有优点。,Isothermal RTA System,Tungsten-halogen (钨-卤素）lamps heating the wafer from one or
23、 both side.,Furnace RTA System,A thermal gradient is established by adjusting the power supplied to different zones of the bell jar, with the hottest zone on top, and the sample is moved into and out of the heated zone to achieve RTA.,快速热退火,几种快速退火技术的比较,作 业,1. 离子注入掺杂纯度高，是因为（ ） A.杂质源的纯度高 B.注入离子是通过质量分析
24、器选出来的 2. 离子注入与热扩散相比，哪个要求温度低（ ） A.离子注入 B.热扩散 3. 离子注入与热扩散相比，哪个高浓度掺杂不受固溶度限制（ ） A.离子注入 B.热扩散,5. 离子注入与热扩散相比，哪个掺杂均匀性好（ ） A.离子注入 B.热扩散 6. 离子注入与热扩散相比，哪个可精确控制掺杂浓度，分布和注入深度（ ） A.离子注入 B.热扩散 7. 离子注入与热扩散相比，哪个横向效应小（ ） A.离子注入 B.热扩散 8. 减弱或消除沟道现象的措施有（ ） (1)入射方向偏离沟道轴向； (2)入射方向平行沟道轴向； (3)样品表面淀积一层二氧化硅； (4)样品表面淀积一层氮化硅。 A
25、(1)(3) B. (2)(3) C.(1)(3)(4) D.(2)(3)(4),作 业,9. 离子注入所造成的晶格损伤会直接影响半导体材料和器件的特性，主要影响有（ ） (1)PN结反向漏电流增大 (2)载流子迁移率下降 (3)少子寿命下降 (4)杂质原子大多处于间隙位置不能提供导电性能 A.(2)(3) B.(1)(2)(4) C.(2)(3)(4) D.(1)(2)(3)(4) 10. 入射离子的两种能量损失模型为：_碰撞和_碰撞。,作 业,作 业,1.阐述离子注入掺杂技术与常规热掺杂技术的不同之处。 2.阐述离子注入技术的应用。 3.什么是沟道效应？采取的消除方法有哪些？ 4.注入离子
26、在硅衬底中产生的损伤主要有哪3种？ 5.简述退火工艺的定义和目的。 6.简述快速退火的目的和目前快速退火的方法。,作 业,7.假设硼以100keV、每平方厘米51014个离子的注入剂量进入直径为200mm的硅晶片，试计算峰值浓度。如果注入在1min内完成，求离子束电流。已知此条件下的投影射程为0.31m，投影偏差为0.07m。 8.假设直径100mm砷化稼硅晶片在固定离子束电流10A下均匀地注入100keV的锌离子达5min，请问单位面积上的离子剂量与离子浓度的峰值。已知此条件下的投影射程为0.04m，投影偏差为0.02m。 9.通过氧化层上所开的窗口注入100keV的硼到硅中形成p-n结，如果硼的剂量是21015cm-2，而n型衬底的浓度是1015cm-3，试求冶金结的位置。,作 业,7.（1）根据离子注入峰值浓度公式：,将数值代人得：,离子束电流,（2）注入离子的总剂量,8.,作 业,9.,作 业,作 业,