集成電路工藝基礎(chǔ)離子注入知識(shí)分享

集成電路工藝基礎(chǔ)離子注入使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，分出中性粒子流中性束路徑類似電視機(jī)，讓束流上下來回的對(duì)圓片掃描離子注入系統(tǒng)的原理示意圖離子源是產(chǎn)生離子的部件。將被注入物質(zhì)的氣體注入離子源，在其中被電離形成正離子，經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)，聚成離子束，射向磁分析器。吸極是一種直接引出離子束的方法，即用一負(fù)電壓（幾伏到幾十千伏）把正離子吸出來。產(chǎn)生離子的方法有很多，目前常用的利用氣體放電產(chǎn)生等離子體。離子注入系統(tǒng)原理-離子源從離子源吸出的離子束中，包括多種離子。如對(duì)BCl3氣體源，一般包括H+、B+、Cl+、O+、C+等。在磁分析器中，利用不同荷質(zhì)比的離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，可以將離子分離，并選出所需要的一種雜質(zhì)離子。被選離子通過可變狹縫，進(jìn)入加速管。離子注入系統(tǒng)原理-磁分析器離子源通過加熱分解氣體源如BF3或AsH3成為帶正電離子（B＋或As＋）。加上約40KeV左右的負(fù)電壓，引導(dǎo)這些帶正電離子移出離子源腔體并進(jìn)入磁分析器。選擇磁分析器的磁場(chǎng)，使只有質(zhì)量/電荷比符合要求的離子得以穿過而不被過濾掉。被選出來的離子接著進(jìn)入加速管，在管內(nèi)它們被電場(chǎng)加速到高能狀態(tài)。離子注入系統(tǒng)原理被摻雜的材料稱為靶。由加速管出來的離子先由靜電聚焦透鏡進(jìn)行聚焦，再進(jìn)行x、y兩個(gè)方向的掃描，然后通過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)注入到靶上。掃描目的：把離子均勻注入到靶上。偏轉(zhuǎn)目的：使束流傳輸過程中產(chǎn)生的中性離子不能到達(dá)靶上。注入機(jī)內(nèi)的壓力維持低于10－4Pa以下，以使氣體分子散射降至最低。離子注入系統(tǒng)原理離子注入的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：注入的離子純度高可以精確控制摻雜原子數(shù)目，同一平面的摻雜均勻性得到保證，電學(xué)性能得到保證。溫度低：小于400℃。低溫注入，避免高溫?cái)U(kuò)散所引起的熱缺陷；擴(kuò)散掩膜能夠有更多的選擇摻雜深度和摻雜濃度可控，得到不同的雜質(zhì)分布形式非平衡過程，雜質(zhì)含量不受固溶度限制橫向擴(kuò)散效應(yīng)比熱擴(kuò)散小得多離子通過硅表面的薄膜注入，防止污染?？梢詫?duì)化合物半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜離子注入的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：產(chǎn)生的晶格損傷不易消除很難進(jìn)行很深或很淺的結(jié)的注入高劑量注入時(shí)產(chǎn)率低設(shè)備價(jià)格昂貴（約200萬美金）4.1核碰撞和電子碰撞高能離子進(jìn)入靶后，不斷與靶中原子核和電子發(fā)生碰撞，在碰撞時(shí)，注入離子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)并損失能量，因此具有一定初始能量的離子注射進(jìn)靶中后，將走過一個(gè)非常曲折的道路，最后在靶中某一點(diǎn)停止下來核碰撞和電子碰撞注入離子在靶內(nèi)能量損失方式核碰撞(注入離子與靶內(nèi)原子核間的碰撞）質(zhì)量為同一數(shù)量級(jí)，故碰撞后注入離子會(huì)發(fā)生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而獲得能量，如果獲得的能量大于原子束縛能，就會(huì)離開原來所在晶格位置，進(jìn)入晶格間隙，并留下一個(gè)空位，形成缺陷。核碰撞和電子碰撞注入離子在靶內(nèi)能量損失方式電子碰撞(注入離子與靶原子周圍電子云的碰撞）能瞬時(shí)形成電子-空穴對(duì)兩者質(zhì)量相差大，碰撞后注入離子的能量損失很小，散射角度也小，雖然經(jīng)過多次散射，注入離子運(yùn)動(dòng)方向基本不變。電子則被激發(fā)至更高的能級(jí)（激發(fā)）或脫離原子（電離）。核碰撞和電子碰撞核阻止本領(lǐng)說明注入離子在靶內(nèi)能量損失的具體情況，一個(gè)注入離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x處的能量為E，則核阻止本領(lǐng)定義為：電子阻止本領(lǐng)定義為：核碰撞和電子碰撞在單位距離上，由于核碰撞和電子碰撞，注入離子所損失的能量則為：注入離子在靶內(nèi)運(yùn)動(dòng)的總路程低能量時(shí)，核阻止本領(lǐng)隨能量的增加而線性增加，Sn(E)會(huì)在某一中等能量時(shí)達(dá)到最大值。高能量時(shí)，由于高速粒子沒有足夠的時(shí)間和靶原子進(jìn)行有效的能量交換，所以Sn(E)變小。核阻止本領(lǐng)電子阻止本領(lǐng)電子阻止本領(lǐng)同注入離子的速度成正比，即與注入離子能量的平方根成正比。V為注入離子速度，Ke與注入離子和靶的原子序數(shù)、質(zhì)量有微弱關(guān)系，粗略估計(jì)時(shí)，可近似為常數(shù)核碰撞和電子碰撞不同能區(qū)的能量損失形式低能區(qū)：以核碰撞為主中能區(qū)：核碰撞、電子碰撞持平高能區(qū)：以電子碰撞為主4.2注入離子在無定形靶中的分布一個(gè)離子在停止前所經(jīng)過的總路程，稱為射程RR在入射軸方向上的投影稱為投影射程XpR在垂直入射方向的投影稱為射程橫向分量Xt平均投影射程Rp：所有入射離子的投影射程的平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差：注入離子在無定形靶中的分布對(duì)于無定形靶（SiO2、Si3N4、光刻膠等），注入離子的縱向分布可用高斯函數(shù)表示：其中：注入離子在無定形靶中的分布橫向分布（高斯分布）入射離子在垂直入射方向平面內(nèi)的雜質(zhì)分布橫向滲透遠(yuǎn)小于熱擴(kuò)散高斯分布只在峰值附近與實(shí)際分布符合較好。輕離子/重離子入射對(duì)高斯分布的影響實(shí)踐中，用高斯分布快速估算注入離子在靶材料中的分布。注入離子在無定形靶中的分布隨能量增加，投影射程增加能量一定時(shí)，輕離子比重離子的射程深。射程與能量的關(guān)系注入離子在無定形靶中的分布以上討論的是無定形靶的情形。無定形材料中原子排列無序，靶對(duì)入射離子的阻止作用是各向同性的一定能量的離子沿不同方向射入靶中將會(huì)得到相同的平均射程。實(shí)際的硅片——單晶在單晶靶中，原子是按一定規(guī)律周期地重復(fù)排列，而且晶格具有一定的對(duì)稱性。靶對(duì)入射離子的阻止作用將不是各向同性的，而與晶體取向有關(guān)。**離子注入的溝道效應(yīng)**離子注入的溝道效應(yīng)**離子注入的溝道效應(yīng)定義：當(dāng)離子注入的方向與靶晶體的某個(gè)晶向平行時(shí)，一些離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)。溝道離子唯一的能量損失機(jī)制是電子阻止，因此注入離子的能量損失率就很低，故注入深度較大。離子方向=溝道方向時(shí)………離子因?yàn)闆]有碰到晶格而長驅(qū)直入………效果：在不應(yīng)該存在雜質(zhì)的深度發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)——多出了一個(gè)峰！射程分布與注入方向的關(guān)系怎么解決？？？傾斜樣品表面，晶體的主軸方向偏離注入方向，典型值為7°。先重轟擊晶格表面，形成無定型層表面長二氧化硅薄層怎么解決？？？淺結(jié)的形成為了抑制MOS晶體管的穿通電流和減小器件的短溝效應(yīng)，要求減小CMOS的源/漏結(jié)的結(jié)深形成硼的淺結(jié)較困難，目前采用的方法：硼質(zhì)量較輕，投影射程深，故采用BF2分子注入法F的電活性、B的擴(kuò)散系數(shù)高B被偏轉(zhuǎn)進(jìn)入主晶軸的幾率大降低注入離子的能量形成淺結(jié)低能下溝道效應(yīng)比較明顯，且離子的穩(wěn)定向較差。預(yù)先非晶化注B之前，先用重離子高劑量注入，使硅表面變?yōu)榉蔷У谋砻鎸印Ｗ⑷牒蟀l(fā)生了什么………晶格損傷和無定型層靶原子在碰撞過程中，獲得能量，離開晶格位置，進(jìn)入間隙，形成間隙－空位缺陷對(duì)；脫離晶格位置的靶原子與其它靶原子碰撞，也可使得被碰靶原子脫離晶格位置。缺陷的存在使得半導(dǎo)體中載流子的遷移率下降，少子壽命縮短，影響器件性能。雜質(zhì)未激活在注入的離子中，只有少量的離子處在電激活的晶格位置。注入損傷級(jí)聯(lián)碰撞？簡單晶格損傷孤立的點(diǎn)缺陷或缺陷群（注入離子每次傳遞給硅原子的能量約等于移位閾能）局部的非晶區(qū)域（單位體積的移位原子數(shù)目接近半導(dǎo)體的原子密度）非晶層注入離子引起損傷的積累輕離子注入重離子注入非晶層的形成注入后需要做什么……退火：定義：又叫熱處理，集成電路工藝中所有的在氮?dú)獾炔换顫姎夥罩羞M(jìn)行的熱處理過程都可以稱為退火作用激活雜質(zhì)：使不在晶格位置上的離子運(yùn)動(dòng)到晶格位置，以便具有電活性，產(chǎn)生自由載流子，起到雜質(zhì)的作用消除損傷注入后需要做什么……退火：退火方式：爐退火快速退火：脈沖激光法、掃描電子束、連續(xù)波激光、非相干寬帶頻光源(如鹵光燈、電弧燈、石墨加熱器、紅外設(shè)備等)注入后需要做什么……退火：原理高溫下，原子振動(dòng)能↑，移動(dòng)能力↑，可使復(fù)雜損傷分解為簡單缺陷（如空位、間隙原子等），簡單缺陷以較高的遷移率移動(dòng)，復(fù)合后缺陷消失。高溫下，非晶區(qū)域損傷恢復(fù)發(fā)生在損傷區(qū)與結(jié)晶區(qū)的交界面，即由單晶區(qū)向非晶區(qū)通過固相外延或液相外延而使整個(gè)非晶區(qū)得到恢復(fù)。硼的退火特性低劑量（8×1012/cm2）電激活比例隨溫度上升而增加高劑量（1014/cm2和1015/cm2）退火溫度可以分為三個(gè)區(qū)域500℃以下，電激活比例又隨溫度上升而增加500～600℃范圍內(nèi)，出現(xiàn)逆退火特性晶格損傷解離而釋放出大量的間隙Si原子，這些間隙Si原子與替位B原子接近時(shí)，可以相互換位，使得B原子進(jìn)入晶格間隙，激活率下降。600℃以上，電激活比例又隨溫度上升而增加電激活比例虛線表示的是注入損傷區(qū)還沒有變成非晶區(qū)的退火特性（劑量從3×1012/cm2增加到3×1014/cm2）電激活比例隨溫度上升而增加。劑量升高時(shí)，退火溫度相應(yīng)升高，才能消除更為復(fù)雜的無規(guī)則損傷。實(shí)線表示的是非晶區(qū)的退火特性（劑量大于1015/cm2），退火溫度降低為600℃左右非晶層的退火機(jī)理是與固相外延再生長過程相聯(lián)系在再生長過程中，Ⅴ族原子實(shí)際上與硅原子難以區(qū)分，它們?cè)谠俳Y(jié)晶的過程當(dāng)中，作為替位原子被結(jié)合在晶格位置上。所以在相對(duì)很低的溫度下，雜質(zhì)可被完全激活。磷的退火特性電激活比例熱退火過程中的擴(kuò)散效應(yīng)熱退火的溫度與熱擴(kuò)散的溫度相比，要低得多。但是，對(duì)于注入?yún)^(qū)的雜質(zhì)，即使在比較低的溫度下，雜質(zhì)擴(kuò)散也是非常顯著的。這是因?yàn)殡x子注入所造成的晶格損傷，使硅內(nèi)的空位密度比熱平衡時(shí)晶體中的空位密度要大得多。離子注入也是晶體內(nèi)存在大量的間隙原子和多種缺陷，這些都會(huì)使得擴(kuò)散系數(shù)增加，擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng)。熱退火中的擴(kuò)散稱為增強(qiáng)擴(kuò)散。熱退火過程中的擴(kuò)散效應(yīng)注入雜質(zhì)經(jīng)退火后在靶內(nèi)的分布仍然是高斯分布標(biāo)準(zhǔn)偏差需要修正擴(kuò)散系數(shù)明顯增加熱退火過程中的擴(kuò)散效應(yīng)高斯分布的雜質(zhì)在熱退火過程中會(huì)使其分布展寬，偏離注入時(shí)的分布，尤其是尾部，出現(xiàn)了較長的按指數(shù)衰減的拖尾快速熱退火（RTA）傳統(tǒng)熱退火的缺點(diǎn)不能完全消除缺陷，產(chǎn)生二次缺陷高劑量注入時(shí)的電激活率不夠高高溫長時(shí)間熱退火會(huì)導(dǎo)致明顯的雜質(zhì)再分布快速退火（RapidThermalAnnealing）技術(shù)在氮?dú)饣蚨栊詺怏w的氣氛下，極短的時(shí)間內(nèi)，把晶片溫度提高到1000℃以上?？焖贌嵬嘶穑≧TA）快速熱退火（RTA）作用：*消除由注入所產(chǎn)生的晶格損傷*恢復(fù)材料少子壽命和載流子遷移率*雜質(zhì)激活作業(yè)：1.離子注入與熱擴(kuò)散相比哪個(gè)要求溫度低（）哪個(gè)摻雜純度高（）哪個(gè)高濃度摻雜不受固溶度限制（）哪個(gè)摻雜均勻性好（）哪個(gè)可精確控制摻雜濃度、分布和注入深度（）哪個(gè)橫向效應(yīng)?。ǎ〢.離子注入B.熱擴(kuò)散2.離子注入摻雜純度高，是因?yàn)椋ǎ?A.雜質(zhì)源的純度高B.注入離子是通過質(zhì)量分析器選出來的3.減弱或消除溝道現(xiàn)象的措施有：（）入射方向偏離溝道軸向入射方向平行溝道軸向樣品表面淀積一層二氧化硅樣品表面淀積一層氮化硅