離子注入和快速退火實(shí)用工藝

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)10nm~10um,離子劑量變動(dòng)X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。1離子分布（叮離子射程尺及投影射程念的示童醫(yī)（叮離子射程尺及投影射程念的示童醫(yī)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op。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o丄。如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剑篨2—)4Dt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〕=±op處，離子濃度比其峰值降低了40%。在±2op處如此將為10%。在±3op處為1%。在±4op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：.2、■三y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：dFSQ=(〒)"ax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，電子如此被激發(fā)至高能級或脫離原子。定義電子中止能力：dEdxdEdx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:dE—=5；(￡)+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,如此J。S?(￡)+5；(￡)E0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:(」呵+胚)°電子中止能力與入射離子的速度成正比：n—V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。砷化鎵的ke值為3X107(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，電子如此被激發(fā)至高能級或脫離原子。I5D0Se(E帝能*雜成離能力如虛線所示，交叉能【射心之一1-I 3M{原子式砸擁?Se(E帝能*雜成離能力如虛線所示，交叉能【射心之一1-I 3M{原子式砸擁??「被矍抵的硅原-F??@七⑨亡量點(diǎn)Sn—橫卞吐

?2?電于中止=Se(E)o一旦Sn(E)和握與投影偏差：WOkeV-/I3IJ1SCVrU—IQkcY1 —n—jII丨200 4軸 ftOO ?0Q 1000AM*子能量(teV)3畦對神、瓠需密子的按中止龍力雖⑹卜電子中止.箱力曲我的寶點(diǎn)對電這兩種屮止能力梅芳時(shí)的能冊?——Rr?…環(huán)Si-Z--/z-</:——Rr?…環(huán)Si-Z--/z-</:/11II1111i111nn—LJLUim10100BPASBB2—O.IO.O1: Rp: 6Z QLGaAsr—?H_"I■ ■11//"嚴(yán)-Z:2111imi^////哆111111111ti1iHi10100100010000.001入射離子能M(keV) 入射離子能量(keV)(a)B、P和As在硅中'的投影射程、(b)H、Ze和Tc在碎化粽中】的投影射投妙偏羞和橫向偏差 程、投形偏差和橫向偏差圖7?6投影射程、投影偏差和橫向偏差比較3離子注入的溝道效應(yīng)前述高斯分布的投影射程與投影的標(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)量級處也—樣，這表示在如下圖中。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exp(-x/入)變化的尾區(qū)，其中入的典型的數(shù)量級為。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度入射。圖7-7靶定位時(shí)有意偏離蟹］情況下的指數(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)主要的晶向偏離〈111〉軸7°2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)入的角度與通道<100><110><111>溝道效應(yīng)降低的技巧1、覆蓋一層非晶體的外表層、將硅芯片轉(zhuǎn)向或在硅芯片外表制造一個(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)］。此方法大局部的注入機(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外表，可在硅芯片外表產(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)。離子注入離子注入離子注入°損傷的離子注入離子注入離子注入°損傷的°晶格o晶格O5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局部，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，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。如如下圖〔b〕可以E晶材料所r—疵面轉(zhuǎn)變?yōu)樗?。可以E晶材料所r—疵面轉(zhuǎn)變?yōu)槔靡粋€(gè)判據(jù)，即認(rèn)為注入數(shù)量級上一樣。對于100keV利用一個(gè)判據(jù)，即認(rèn)為注入數(shù)量級上一樣。對于100keV離于卻人囲，芮嗎孑注人引屜的天氏態(tài)量應(yīng)該與融化材料所需的能量密度〔1021keV/cm3離于卻人囲，芮嗎孑注人引屜的天氏態(tài)6退火由于離子注入所造成的損傷區(qū)與畸形團(tuán)，使遷移率和壽命等半導(dǎo)體參數(shù)受到影響。此外，大局部的離子在被注入時(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。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)與窄雜質(zhì)分布的需求。快速熱退火〔RTA〕是一種采用各種能源、退火時(shí)間X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)?！鐾嘶?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，■局部或全部消除硅片中的損傷，少數(shù)載流子的壽命與遷移率也會(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，在真空或氮、氬等氣體的保護(hù)下對襯底作退火處理。缺點(diǎn)：去除缺陷不完全，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與所含劑量有關(guān)CC舉.茨弋空:滬 iCC舉.茨弋空:滬 i屮 |屮 lD*御雖倆子樹鈕與團(tuán)7-11師％的目和瞬漓于越麼活所需的退我渤度與注丸業(yè)的關(guān)廉'硼的退火特性1區(qū)單調(diào)上升：點(diǎn)缺陷、陷井缺陷消除、自由載流子增加團(tuán)7-11師％的目和瞬漓于越麼活所需的退我渤度與注丸業(yè)的關(guān)廉'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。癱的暹火特桂圖中給出的是瑚離子Ml50keVetl能量和三個(gè)不同劑量注入硅中的退火特性o如閣所示』可以把退火遍度分為三亍區(qū)域°1.0SxlO—/cmQ150keV^§-Ts=2iC//電嫩活比例P2.5x10I八7詁014/“高溫階罠牡磷的退火特性雜質(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°C?800°CT主毛不叵珀刊至梓也弋￡勻電五于気2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°C?800°CT主毛不叵珀刊至梓也弋￡勻電五于気2刑旦豈JA為于近止藍(lán)愷（二!“的A樂1L瑚10T3-25°Cl§*30min1181x10040214；//?* 玉;二27/ ---II無定卡T ——丄也匸-IUJ；UJ&UJ'；UJS/LU

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熱退火問題：■簡單、價(jià)廉■激活率不咼擴(kuò)散效應(yīng):■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):獷歆效應(yīng)熱退戈的遍登與超擴(kuò)散打?qū)彛肥⒋灞?，旻世得爹.但是，對十汪入埜的余反，即性在比較化的品度K，朵負(fù)擴(kuò)放也是非帚亙著的-迓是兇刀汪人冉于加苣戍圧晶略擁仕，■■史足內(nèi)的空伍密錐憊半衡盯晶萍中審空立譽(yù)度妾尢保埶弔外，由于罷子.主入也使晶訃內(nèi)仔吐穴量的間陰原于相鑒科鐵陷，迖業(yè)都M便擴(kuò)散糸數(shù)増大』H散液竝堆強(qiáng)，因吐，也hi也稱迪追火過程q■的耳或?yàn)閴垙?qiáng)h散，虹果退乂晶片満足半尢限犬條件，則圧入余質(zhì)經(jīng)退火

萬在牲內(nèi)旳士布仍録是高斯因虧，阻襖準(zhǔn)嗚差妄右聽修止°分布窗數(shù)的羔込式為:77(jl,/)-77(jl,/)-(2岸嚴(yán)仏砒|2D^2式屮旳擴(kuò)散系鑿D，匕計(jì)E冋溫匡下晶訃屮的才散東數(shù)要天丿L倍，縣至兒十倍，tlK「小可迄入?yún)^(qū)E勺按怙小同，各赴的擴(kuò)散系數(shù)D也有很大的差別°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)的比擬。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。塊速退火快速退火可以分対:瀏光退火、電子束退火:、禽子束退火、非相干光退火等等匚苴退火時(shí)ra?10_11-102s^間，亦肺瞬態(tài)退火°憂點(diǎn)；先熔化，再結(jié)晶■時(shí)間快.雜質(zhì)束不錄擴(kuò)散-RHT設(shè)備采用清華大學(xué)微電子所發(fā)明的紅外光快速迪處理技術(shù).詩技術(shù)采用高頻感應(yīng)加熱石英腔向的高純度石星作対紅外輻射熱源，使晶片在石墨腔內(nèi)迅速升溫?通常約三秒可炷⑴血°C,而在加熱區(qū)外迅遠(yuǎn)降溫-設(shè)備具有升溫快，加熱均勻I熱處理后晶片不變形等憂點(diǎn).反射器燈石英窗氣體入口 芯片 IR溫度計(jì)2?Eo、Mj各種瞬吋退火方法所需功率密度與退火吋間（昧沖持續(xù)吋間）的關(guān)系10~14反射器燈石英窗氣體入口 芯片 IR溫度計(jì)2?Eo、Mj各種瞬吋退火方法所需功率密度與退火吋間（昧沖持續(xù)吋間）的關(guān)系10~14xr108<o*?w4io'2退火時(shí)間(S)快速熱退火表卜丄技術(shù)比較決定因素常規(guī)退火爐技術(shù)快速熱退火技術(shù)加工形式分批式單片式爐況熱壁冷壁加熱速率低髙循環(huán)周期短溫度監(jiān)測爐晶片熱繭計(jì)量A低塵埃間題存在最小化均勻性和重復(fù)性高低9注入相關(guān)工藝一屢次注入與掩蔽髙低在許多應(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，使外表變成非晶。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

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這種區(qū)域，必須要做一系列不同能量與劑量的注入〔屢次注入〕。屢次注入如如下圖所示，用于形成一平坦的雜質(zhì)分布。為了要在半導(dǎo)體襯底10'r的掩蔽層。此層要阻止i得。在某一深度d之后加計(jì)塩■&分布5?keV穿越深度d的劑量的百分比可由穿透系數(shù)T求得:10加計(jì)塩■&分布5?keV穿越深度d的劑量的百分比可由穿透系數(shù)T求得:1015EI7IH用爭底注人飛曲的克加雜帳分布'形成p-n結(jié)，注入時(shí)需要一層適宜小厚度可從離子的射程參數(shù)來求一旦得到了T,對任一恒定的Rp和op來說，都可以求得掩蔽層厚度d,對Si02、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。10傾斜角度離子注入,” ” 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〔啰，需要在縱向和橫向上準(zhǔn)確控制雜質(zhì)分布。垂直于外表的離子速度決.定注入分布的入＜1=1丄從厶心詹.LU當(dāng)器件縮小到亞5阻寸程。如果硅芯片相對于離子束傾斜了一個(gè)很大的角度，如此10傾斜角度離子注入,” ” 方向也縮寫是很重要的?，F(xiàn)代器件結(jié)構(gòu)如輕摻雜漏極〔啰，需要在縱向和橫向上準(zhǔn)確控制雜質(zhì)分布。垂直于外表的離子速度決.定注入分布的入＜1=1丄從厶心詹.LU當(dāng)器件縮小到亞5阻寸程。如果硅芯片相對于離子束傾斜了一個(gè)很大的角度，如此在傾斜角度離子注入時(shí)，需考慮硅芯片角度導(dǎo)致一個(gè)小陰影區(qū)61nm的陰影區(qū)。可能是器件產(chǎn)生一個(gè)預(yù)想不月影效應(yīng)。較小的傾斜子束的入射角為7度，將導(dǎo)致一個(gè)0.010.0160keV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)11高能量與大電流注入注入機(jī)能量可高體內(nèi)深達(dá)好幾個(gè)微米的廝60keVAs-^SL離子束達(dá)不用其能將雜質(zhì)摻入半導(dǎo)。也可用于制作低D10 20 30 40 60 70BO -除度（HD1）11高能量與大電流注入注入機(jī)能量可高體內(nèi)深達(dá)好幾個(gè)微米的廝60keVAs-^SL離子束達(dá)不用其能將雜質(zhì)摻入半導(dǎo)。也可用于制作低D10 20 30 40 60 70BO -除度（HD1）圖7-156CikeV的碑離子注人酣中時(shí)與麺斛角度的函數(shù)關(guān):借助高溫下長時(shí)間的擴(kuò)散14電阻埋層。例如，CMOS器件中距離外表深達(dá)到3um的埋層。大電流注入機(jī)〔10-20mA〕工作在25-30keVX圍下，通常用于擴(kuò)散技術(shù)中的預(yù)置處理。因?yàn)槠淇偭磕軌驕?zhǔn)確控制。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)順便將外表區(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，準(zhǔn)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X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):a:離子束注入面工：外表B:模擬的平面9:離子束方向與y軸方向