離子注入和快速退火工藝

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1Me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。mito0 U f 弟蚩在曲片工藝輕屮館叢片

2、AliwkvhnUh ib ijdi 中 設(shè)并地捉和束闔套. '壬三芝蘭和嗣抿 申準(zhǔn)聚利舅干 n車閥控路桎r 40 kV陽7 2中筍能鳳周于注人機(jī)班理圏1 離子分布M離子射程兄及投鏗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。f?(x)= texp-J"。，下圖顯示了離子分布，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 數(shù)來近似：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?/p>

3、式:對于擴(kuò)散，最大濃度為x = 0;對于離子注入，位于Rp處。在(x Rp)=± (T p處，離子濃度比其峰值降低了 40%在土 2 c p處則將為10%在土 3 c p處為1% 在土 4 c p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：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：dEctx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

4、被激發(fā)至高能級(jí)或脫離原子。定義電子中止能力：ax離子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：羋*伍) + 5")ax如果一個(gè)離子在停下來之前，所經(jīng)過的總距離為 R,則尺二r心rJd JoE0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3X 107(eV)1/2/cm離子中止兩種機(jī)制：疋離子能量傳給襯底原子核，疋入射離子偏轉(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

5、，電子則被激發(fā)至高能級(jí)或脫離原子。O靜陸之殳感離/-Z.于r硅晶俸島格弘氮®® ® ® ®睡子丈覦撞MW MM *阪人卯寓于fil!量tke¥用-5*.3*于的拽中止曜打EfEhFiL亍中I卜訓(xùn)力電子式罐扌電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:倉SirLz-i:PAaAiIlli lliilli i 1 I iidl1 t 1 1 llllli一耳7L1fJi l ill. iis-r1 4 I h 11 ilL10

6、10Q1000人射稱子能耐 V)入時(shí)離于堆屋(kvVlB, P和Az止吐中$的段囂肘程、(町H、Zc和T?在辟比卑中的flt總射投匿18逆和損向M蛙程、找燃情咤和慣向值苑偏差:投越射程"投議側(cè)爹和橫向*J$tt校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，硅和砷化傢中的分布狀態(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

7、指數(shù)級(jí)exp(-x/入)變化的尾區(qū)，其中入的典型的數(shù)量級(jí)為 0.1um。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!由偏離7度入射。卯-入插歎井布的站區(qū)仙keVTgsfclJ,TLi1100.!U.4U.6D.8怪I 7-7IB崔位時(shí)冇驗(yàn)倔離島向冊況下的雜質(zhì)分布，圖中離子車人射方向恫高門1"柚V 1指數(shù)型尾區(qū)與離子注入溝道效應(yīng)有關(guān)，當(dāng)入射離子對準(zhǔn)一個(gè)主要的晶向 并被導(dǎo)向在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。對溝道離子來

8、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，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

9、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I卜品體譏代圧的注入(b)平對準(zhǔn)他軸的入射(O在和HL汀:的預(yù)先刪離子注入離十注入離子注入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

10、， 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。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。如下圖（b） 所示。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。對于100keV 的砷離子來說，形成非晶硅所需的劑量為吐£也心肘個(gè)離子皿 Eq6 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

11、半導(dǎo)體退火。傳統(tǒng)退火爐使用類似熱氧化的整批式開放爐管系統(tǒng)。需要長時(shí)間和高溫來消 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。RT柯以在最小的雜質(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)、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

12、 氮、氬等氣體的保護(hù)下對襯底作退火處理。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，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)bUO205.硝乍唄目mi. “d. I 山 ujzl“i+Li. hmm.IO17to"io14腫10'*刑童信子盛心119閨mi鴕攤的唧和肅雋于融加活劇胃的it火衛(wèi)ta為注人的天瘵'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。1.0確的送火特it團(tuán)中紿出酌是竝禽子曲SOkeVfif能量和三個(gè)

13、不同劑星注入睚中的退火特性-如陰所示可以把退火遍度分為三個(gè)醫(yī)域.0.1IWlOkeVfflTs-25C ti=30mijinixHZQiXJl00 500 600700 800 900 10COTACC)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600C800C-5小呂10040240D斜I產(chǎn)醐:EDDT心SCkeVM ls-2J*C i- iTiliiEOJ 320下空不同蒯扯第況下自缺流子雖與劑扭之比*冃兩 于逞畑曲c Ta j的兵求色3a*2r KL±-izs= E4JI«EFI X-1S 由左點(diǎn)總內(nèi)某一IZWH趺闊-在雖4一盯-夕証茸土上祐在阿誹驛

14、商 同時(shí)柴生，冊FSNU面熾劉”吋魅臥畀iS迂塢生叵手込0己 也熟田一1-14.、席林缶耳無定形無足形熱退火問題：簡單、價(jià)廉激活率不咼產(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)：曠散放應(yīng)熱退火的溫曼與卿擴(kuò)敵町的劇訂恥G曼低偉冬h徂 是 > 對于汪入?yún)^(qū)的殘底 > 即使Sbtlh的ifi度卜雜財(cái)r 故也皋菲席顯者的-這是因?qū)?玦篙子所喳感罰晶格損怪， 梗堆內(nèi)的空伍巒度E熱半葡町晶俸中審空應(yīng)罄僅要丸禪罷. 另外，由于出子生入崔便品外內(nèi)疔世天塑的間撕原子般 帕陪，這些都蘭便擴(kuò)敵累蛾増犬，H散皴理埠強(qiáng).因此 疽射也稱*噬火過程屮的羅議為増強(qiáng)H散-H諜退火晶片満足半尢國天條件則

15、注心盛經(jīng)叫 后在靶網(wǎng)附片布仍建是高斯圍埜，但標(biāo)惟偏差雯掃陰修止.分布函數(shù)的表這式為；-1工-' X應(yīng)4加P“八“嚴(yán)闆站宀貳中的擴(kuò)敞親輕D,比相霞J£下M中的擴(kuò)敢揺妥 丈幾倍甚至幾十倍I訶且-不同衽人區(qū)旳箭衍平同 >備匙 的拼散OD也有館大的差克.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RTAJ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、溫度測量與控制、硅芯片的應(yīng)力與產(chǎn)率間作取舍。抉逢退犬快速退火可以分為：瀏光退火*電子束退火、冨子束退火、非相干光退火等等。 苴退火時(shí)間在10_11-10冬之間”亦稱瞬霑退火.憂曲；先熔化，再結(jié)晶時(shí)間快.

16、雜虎朿不衛(wèi)擴(kuò)散RHT設(shè)備采用清竿大字說電子所發(fā)明的紅外光快速昭理技術(shù)詡技菇素用 恵圾感應(yīng)加規(guī)石英腔內(nèi)的高現(xiàn)度石墨作対紅外輻射邇源，便品片在石爰腔內(nèi)迅速 升溫通常約三秒可達(dá)I00FX而在抑熱區(qū)外迅遼降溫-該設(shè)備具有升溫快加 熱均勻 > 熱處理后晶片不變形等憂點(diǎn)表41 技術(shù)比較決定圍累常規(guī)退火爐技術(shù)快謹(jǐn)熱迫火技術(shù)加工形式分fit式邀片式爐況熱壁冷壁加熱謹(jǐn)率低貓環(huán)周期短溫度監(jiān)測爐陽片熱戲計(jì)議高低塵埃問題存在廉小化均勻性和垂垠性低生產(chǎn)救率髙低9注入相關(guān)工藝多次注入及掩蔽在許多應(yīng)用中，除了簡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

17、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。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之后的注入量對回憶式積分可得：卜心）=穿越深度d的劑量的百分比可由穿透系數(shù) T求得:一旦得到了 T,對任一恒定的Rpffic p來說，都可以求得掩蔽層厚度d,對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

18、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。0,0 J 1toLOO1000E (keV)圖卜M 掩蟆救率為舲 朋軸時(shí),礙（一J.SiaNa'和光致抗I*劇f）的小厚度"10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。如果硅芯片相對于離子束傾斜了一 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)。女口高為0.5um的掩蔽層，離

19、子束的入射角為7度,將導(dǎo)致 一個(gè)61nm勺陰影區(qū)?？赡苁瞧骷a(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)昭7-15 WkfV的徘萬子注人耐:由時(shí)與用料角慮的蘭賀關(guān)系. 葬中插圖戦示城蘭離予ft人理戒的蔽代城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)微米的能力而不需要借助高溫下長時(shí)間的擴(kuò)散。 也可用 于制作低電阻埋層。例如，CMO器件中距離表面深達(dá)1.5到3um勺埋層。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 M0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