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1、集成电路工艺基础集成电路工艺基础离子注入离子注入第1页，本讲稿共51页离子注入离子注入v离子注入是一种将离子注入是一种将带电带电的且的且具有能量具有能量的粒子注入衬底硅的过程，的粒子注入衬底硅的过程，注注入能量入能量介于介于1KeV到到1MeV之间，之间，注入深度注入深度平均可达平均可达10nm10um。离子剂量变动范围离子剂量变动范围，从用于阈值电压调整的，从用于阈值电压调整的1012/cm2到形成到形成绝缘埋层的绝缘埋层的1018/cm2。v相对于扩散，它能更相对于扩散，它能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。艺温度。v离子注入已成为离子注
2、入已成为VLSI制程上最主要的掺杂技术。一般制程上最主要的掺杂技术。一般CMOS制程，制程，大约需要大约需要612个或更多的离子注入步骤。个或更多的离子注入步骤。第2页，本讲稿共51页离子注入应用离子注入应用v隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断v调整阈值电压用的沟道掺杂调整阈值电压用的沟道掺杂vCMOS阱的形成阱的形成v浅结的制备浅结的制备 在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为一种在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为一种主流技术。主流技术。第3页，本讲稿共51页使带电粒子偏转，分出中性粒子流使带电粒子偏转，分出中性粒子流中性束路径中性束路径类似电视
3、机，让束流上下来回的对圆片扫描类似电视机，让束流上下来回的对圆片扫描离子注入系统的原理示意图离子注入系统的原理示意图第4页，本讲稿共51页v离子源离子源通过加热分解气体源如通过加热分解气体源如BF3或或AsH3成为带正电成为带正电离子（离子（B或或As）。）。v加上约加上约40KeV左右的负电压，引导这些带正电离子移出离左右的负电压，引导这些带正电离子移出离子源腔体并进入子源腔体并进入磁分析器磁分析器。v选择磁分析器的磁场，使只有质量选择磁分析器的磁场，使只有质量/电荷比符合要求的电荷比符合要求的离子得以穿过而不被过滤掉。离子得以穿过而不被过滤掉。v被选出来的离子接着进入被选出来的离子接着进入
4、加速管加速管，在管内它们被电场，在管内它们被电场加速到高能状态。加速到高能状态。离子注入系统原理离子注入系统原理第7页，本讲稿共51页v 被掺杂的材料称为被掺杂的材料称为靶靶。由加速管出来的离子先由静电聚焦。由加速管出来的离子先由静电聚焦透镜进行聚焦，再进行透镜进行聚焦，再进行x、y两个方向的两个方向的扫描扫描，然后通过，然后通过偏转系统偏转系统注入到靶上。注入到靶上。扫描目的：把离子均匀注入到靶上。扫描目的：把离子均匀注入到靶上。偏转目的：使束流传输过程中产生的中性离子不能到达靶偏转目的：使束流传输过程中产生的中性离子不能到达靶上。上。v注入机内的压力维持低于注入机内的压力维持低于104Pa
5、以下，以使气体分子散以下，以使气体分子散射降至最低。射降至最低。离子注入系统原理离子注入系统原理第8页，本讲稿共51页离子注入的优缺点离子注入的优缺点v优点：优点：注入的离子注入的离子纯度高纯度高可以精确控制掺杂原子数目，同一平面的掺杂均匀性得到保证，可以精确控制掺杂原子数目，同一平面的掺杂均匀性得到保证，电学性能得到保证。电学性能得到保证。温度低温度低：小于：小于400。低温注入，避免高温扩散所引起的。低温注入，避免高温扩散所引起的热缺陷；扩散掩膜能够有更多的选择热缺陷；扩散掩膜能够有更多的选择掺杂深度和掺杂浓度可控，得到不同的杂质分布形式掺杂深度和掺杂浓度可控，得到不同的杂质分布形式非平衡
6、过程，杂质含量不受固溶度限制非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制横向扩散效应比热扩散小得多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，防止污染。离子通过硅表面的薄膜注入，防止污染。可以对化合物半导体进行掺杂可以对化合物半导体进行掺杂第9页，本讲稿共51页离子注入的优缺点离子注入的优缺点v 缺点：缺点：产生的晶格损伤不易消除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很难进行很深或很浅的结的注入高剂量注入时产率低高剂量注入时产率低设备价格昂贵（约设备价格昂贵（约200万美金）万美金）第10页，本讲稿共51页4.1 核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v高能离子进入靶后，不断与高能离子进入
7、靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动在碰撞时，注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道路，最后在个非常曲折的道路，最后在靶中某一点停止下来靶中某一点停止下来第11页，本讲稿共51页核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v 注入离子在靶内能量损失方式注入离子在靶内能量损失方式核碰撞核碰撞(注入离子与靶内原子核间的碰撞）注入离子与靶内原子核间的碰撞）质量为同一数量级，故碰撞后质量为同一数量级，故碰撞后注入离子注入离子会发生
8、大角会发生大角度的度的散射散射，失去一定的能量。，失去一定的能量。靶原子靶原子也因碰撞而获也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离开原来所在晶格位置，开原来所在晶格位置，进入晶格间隙进入晶格间隙，并留下一个，并留下一个空位，形成缺陷。空位，形成缺陷。第12页，本讲稿共51页核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v 注入离子在靶内能量损失方式注入离子在靶内能量损失方式电子碰撞电子碰撞(注入离子与靶原子周围电子云的碰撞）注入离子与靶原子周围电子云的碰撞）能瞬时形成电子能瞬时形成电子-空穴对空穴对两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，两者
9、质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，散射角度也小，虽然经过多次散射，散射角度也小，虽然经过多次散射，注入离子运动方注入离子运动方向基本不变向基本不变。电子电子则被激发至更高的能级则被激发至更高的能级（激发）（激发）或或脱离原子脱离原子（电离）。（电离）。第13页，本讲稿共51页4.2 注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v 一个离子在停止前所经过的总路程，称为一个离子在停止前所经过的总路程，称为射程射程Rv R在入射轴方向上的投影称为在入射轴方向上的投影称为投影射程投影射程Xpv R在垂直入射方向的投影称为在垂直入射方向的投影称为射程横向分量射程横向分量Xtv平均投影射程
10、平均投影射程Rp：所：所有入射离子的投影射程的有入射离子的投影射程的平均值平均值v标准偏差标准偏差：第19页，本讲稿共51页注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v对于无定形靶（对于无定形靶（SiO2、Si3N4、光刻胶等），注入离子的纵向分布、光刻胶等），注入离子的纵向分布可用高斯函数表示：可用高斯函数表示：其中：其中：第20页，本讲稿共51页注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v横向分布（横向分布（高斯分布）高斯分布）入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布横向渗透远小于热扩散横向渗透远小于热扩散第21页，本讲稿共51页v高
11、斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。轻离子轻离子/重离子入射对高斯分布的影响重离子入射对高斯分布的影响实践中，用高斯分布快速估算注入离子在靶材料中的分布。实践中，用高斯分布快速估算注入离子在靶材料中的分布。注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布第22页，本讲稿共51页v随能量增加，投影射程增加随能量增加，投影射程增加v 能量一定时，轻离子比重离子的能量一定时，轻离子比重离子的射程深。射程深。射程与能量的关系射程与能量的关系 注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布第23页，本讲稿共51页v 以上讨论的是以上讨论的是无定形靶无定
12、形靶的情形。的情形。无定形材料中原子排列无序，靶对入射离子的阻止作用是无定形材料中原子排列无序，靶对入射离子的阻止作用是各各向同性向同性的的一定能量的离子沿不同方向射入靶中将会得到相同的平均射程。一定能量的离子沿不同方向射入靶中将会得到相同的平均射程。v实际的硅片实际的硅片单晶单晶在单晶靶中，原子是按一定规律周期地重复排列，而且晶格具在单晶靶中，原子是按一定规律周期地重复排列，而且晶格具有一定的对称性。有一定的对称性。靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而与晶体取向有靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而与晶体取向有关。关。*离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应第24页，本讲稿共51页
13、*离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应第25页，本讲稿共51页*离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应v定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿一些离子将沿沟道沟道运动。沟道离子唯一的能量损失运动。沟道离子唯一的能量损失机制是电子阻止，因此注入离子的能量损失率就很机制是电子阻止，因此注入离子的能量损失率就很低，故注入深度较大。低，故注入深度较大。离子方向离子方向=沟道方向时沟道方向时离子因为没有碰到晶格而长离子因为没有碰到晶格而长驱直入驱直入效果：在不应该存在杂质的深度发现杂质效果：在不应该存在杂质的深度发现杂质多出了一个峰！多
14、出了一个峰！第26页，本讲稿共51页射程分布与注入方向的关系射程分布与注入方向的关系第27页，本讲稿共51页怎么解决？怎么解决？v倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入方向，典型值为方向，典型值为7。v先重轰击晶格表面，形成无定型层先重轰击晶格表面，形成无定型层v表面长二氧化硅薄层表面长二氧化硅薄层第28页，本讲稿共51页怎么解决？怎么解决？第29页，本讲稿共51页浅结的形成浅结的形成v为了抑制为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器件的短沟效应，晶体管的穿通电流和减小器件的短沟效应，要求减小要求减小CMOS的源的源/漏结的结深漏结的结深v形成硼的浅结较困难，目
15、前采用的方法：形成硼的浅结较困难，目前采用的方法：硼质量较轻，投影射程深，故采用硼质量较轻，投影射程深，故采用BF2分子注入法分子注入法F的电活性、的电活性、B的扩散系数高的扩散系数高B被偏转进入主晶轴的几率大被偏转进入主晶轴的几率大降低注入离子的能量形成浅结降低注入离子的能量形成浅结低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差。低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差。预先非晶化预先非晶化注注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。之前，先用重离子高剂量注入，使硅表面变为非晶的表面层。第30页，本讲稿共51页注入后发生了什么注入后发生了什么v晶格损伤和无定型层晶格损伤和无定型
16、层靶原子在碰撞过程中，获得能量，离开晶格位置，进入间靶原子在碰撞过程中，获得能量，离开晶格位置，进入间隙，形成间隙空位缺陷对；隙，形成间隙空位缺陷对；脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可使得被碰靶原脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可使得被碰靶原子脱离晶格位置。子脱离晶格位置。缺陷的存在使得半导体中载流子的迁移率下降，少子寿命缩短，缺陷的存在使得半导体中载流子的迁移率下降，少子寿命缩短，影响器件性能。影响器件性能。v杂质未激活杂质未激活在注入的离子中，只有少量的离子处在电激活的晶格位置。在注入的离子中，只有少量的离子处在电激活的晶格位置。第31页，本讲稿共51页注入损伤注入损伤v级
17、联碰撞？级联碰撞？v简单晶格损伤简单晶格损伤孤立的点缺陷或缺陷群（注入离子每次传递给硅原子的能量约孤立的点缺陷或缺陷群（注入离子每次传递给硅原子的能量约等于移位阈能）等于移位阈能）局部的非晶区域（单位体积的移位原子数目接近半导体的原局部的非晶区域（单位体积的移位原子数目接近半导体的原子密度）子密度）v非晶层非晶层注入离子引起损伤的积累注入离子引起损伤的积累第32页，本讲稿共51页轻离子注入轻离子注入第33页，本讲稿共51页重离子注入重离子注入第34页，本讲稿共51页非晶层的形成非晶层的形成第35页，本讲稿共51页注入后需要做什么注入后需要做什么v 退火：退火：定义：定义：又叫热处理，集成电路工
18、艺中所有的在氮气等不活又叫热处理，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泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火作用作用激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位激活杂质：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，起到杂质置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用的作用消除损伤消除损伤第36页，本讲稿共51页注入后需要做什么注入后需要做什么v 退火：退火：退火方式：退火方式：炉退火炉退火快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯
19、、石墨加热器、如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等红外设备等)第37页，本讲稿共51页注入后需要做什么注入后需要做什么v 退火：退火：原理原理高温下，原子振动能高温下，原子振动能，移动能力，移动能力，可使，可使复杂损伤复杂损伤分解分解为简单缺陷（如空位、间隙原子等），简单缺为简单缺陷（如空位、间隙原子等），简单缺陷以较高的迁移率移动，陷以较高的迁移率移动，复合复合后缺陷消失。后缺陷消失。高温下，高温下，非晶区域损伤恢复非晶区域损伤恢复发生在损伤区与结晶区发生在损伤区与结晶区的交界面，即由单晶区向非晶区通过的交界面，即由单晶区向非晶区通过固相外延或液固相外延或液相外延相外延而使整个非晶区得到
20、恢复。而使整个非晶区得到恢复。第38页，本讲稿共51页硼的退火特性硼的退火特性v低剂量（低剂量（81012/cm2）电激活比例随温度上升而增加电激活比例随温度上升而增加v 高剂量（高剂量（1014/cm2和和1015/cm2）退火温度可以分为三个区域退火温度可以分为三个区域500以下，电激活比例又随温度上升而增加以下，电激活比例又随温度上升而增加500600范围内，出现逆退火特性范围内，出现逆退火特性晶格损伤解离而释放出大量的间隙晶格损伤解离而释放出大量的间隙Si原子，这些间隙原子，这些间隙Si原原子与替位子与替位B原子接近时，可以相互换位，使得原子接近时，可以相互换位，使得B原子进入晶原子进
21、入晶格间隙，激活率下降。格间隙，激活率下降。600以上，电激活比例又随温度上升而增加以上，电激活比例又随温度上升而增加第39页，本讲稿共51页电激活比例第40页，本讲稿共51页v虚线表示的是注入损伤区还没有变成非晶区的退火特性（剂量从虚线表示的是注入损伤区还没有变成非晶区的退火特性（剂量从31012/cm2增加到增加到31014/cm2）电激活比例随温度上升而增加。电激活比例随温度上升而增加。剂量升高时，退火温度相应升高，才能消除更为复杂的无规则损伤。剂量升高时，退火温度相应升高，才能消除更为复杂的无规则损伤。v实线表示的是非晶区的退火特性（剂量大于实线表示的是非晶区的退火特性（剂量大于101
22、5/cm2），退火温度），退火温度降低为降低为600 左右左右非晶层的退火机理是与非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程固相外延再生长过程相联系相联系在再生长过程中，在再生长过程中，族原子实际上与硅原子难以区分，它们在再结晶的过程当中，族原子实际上与硅原子难以区分，它们在再结晶的过程当中，作为替位原子被结合在晶格位置上。作为替位原子被结合在晶格位置上。所以在相对很低的温度下，杂质可被完全所以在相对很低的温度下，杂质可被完全激活。激活。磷的退火特性磷的退火特性第41页，本讲稿共51页电激活比例第42页，本讲稿共51页热退火过程中的热退火过程中的扩散效应扩散效应v 热退火的温度与热扩散的温度相比，
23、要低得多。但是，热退火的温度与热扩散的温度相比，要低得多。但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度下，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度下，杂质扩杂质扩散也是非常显著的散也是非常显著的。这是因为离子注入所造成的晶格损伤，使硅内的空位密度这是因为离子注入所造成的晶格损伤，使硅内的空位密度比热平衡时晶体中的空位密度要大得多。比热平衡时晶体中的空位密度要大得多。离子注入也是晶体内存在大量的间隙原子和多种缺陷，这离子注入也是晶体内存在大量的间隙原子和多种缺陷，这些都会使得扩散系数增加，扩散效应增强。些都会使得扩散系数增加，扩散效应增强。v 热退火中的扩散称为热退火中的扩散称为增强扩散增强扩散。第4
24、3页，本讲稿共51页热退火过程中的扩散效应热退火过程中的扩散效应v 注入杂质经退火后在靶内的分布仍然是高注入杂质经退火后在靶内的分布仍然是高斯分布斯分布标准偏差需要修正标准偏差需要修正扩散系数明显增加扩散系数明显增加第44页，本讲稿共51页热退火过程中的扩散效应热退火过程中的扩散效应v高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏离，偏离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数衰减注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数衰减的拖尾的拖尾第45页，本讲稿共51页快速热退火（快速热退火（RTA）v传统热退火的缺点传统热退火的缺点不能完全消除缺陷，产
25、生二次缺陷不能完全消除缺陷，产生二次缺陷高剂量注入时的电激活率不够高高剂量注入时的电激活率不够高高温长时间热退火会导致明显的杂质再分布高温长时间热退火会导致明显的杂质再分布v快速退火快速退火（Rapid Thermal AnnealingRapid Thermal Annealing）技术技术在氮气或惰性气体的气氛下，极短的时间内，在氮气或惰性气体的气氛下，极短的时间内，把晶片温度提高到把晶片温度提高到1000 1000 以上。以上。第46页，本讲稿共51页快速热退火（快速热退火（RTA）第47页，本讲稿共51页快速热退火（快速热退火（RTA）v作用：作用：*消除由注入所产生的晶格损伤消除由注
26、入所产生的晶格损伤*恢复材料少子寿命和载流子迁移率恢复材料少子寿命和载流子迁移率*杂质激活杂质激活第48页，本讲稿共51页作业：作业：1.离子注入与热扩散相比离子注入与热扩散相比 哪个要求温度低（哪个要求温度低（）哪个掺杂纯度高（哪个掺杂纯度高（）哪个高浓度掺杂不受固溶度限制（哪个高浓度掺杂不受固溶度限制（）哪个掺杂均匀性好（哪个掺杂均匀性好（）哪个可精确控制掺杂浓度、分布和注入深度（哪个可精确控制掺杂浓度、分布和注入深度（）哪个横向效应小（哪个横向效应小（）A.离子注入离子注入 B.热扩散热扩散第49页，本讲稿共51页2.离子注入掺杂纯度高，是因为（离子注入掺杂纯度高，是因为（）.A.杂质源
27、的纯度高杂质源的纯度高 B.注入离子是通过质量分析器选出来的注入离子是通过质量分析器选出来的3.减弱或消除沟道现象的措施有：（减弱或消除沟道现象的措施有：（）入射方向偏离沟道轴向入射方向偏离沟道轴向入射方向平行沟道轴向入射方向平行沟道轴向 样品表面淀积一层二氧化硅样品表面淀积一层二氧化硅 样品表面淀积一层氮化硅样品表面淀积一层氮化硅 A B.C.D.第50页，本讲稿共51页4.离子注入所造成的晶格损伤会直接影响半导体材料和器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（件的特性，主要影响有（）PN结反向漏电流增大结反向漏电流增大 载流子迁移率下降载流子迁移率下降少子寿命下降少子寿命下降 杂质原子大多处于间隙位置不能提供导电性能杂质原子大多处于间隙位置不能提供导电性能 A.B.C.D.5.入射离子的两种能量损失模型为：入射离子的两种能量损失模型为：_碰撞和碰撞和_碰碰撞。撞。第51页，本讲稿共51页