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 1MeV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。1 離子分布一個(gè)離子在停

2、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Word 文檔.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。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。回憶公式 :對于擴(kuò)散，最大濃度為 x0；對于離子注入，位于 Rp處。在（ xRp）±p處，離子濃度比其峰值降低了40%。在±2p處則將為 10%。在±3p處為 1%。在±4p處將為 0.001%。沿著垂直于入射軸的

3、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：Word 文檔.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，電子則被激發(fā)至高能級或脫離原子。定義電子中止能力：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：如果一個(gè)離子在停下來之前，所經(jīng)過的總距離為R，則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

4、間的彈性碰撞M1轉(zhuǎn)移給 M2 的能量為 :電子中止能力與入射離子的速度成正比：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 3×107(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Word 文檔.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，電子則被激發(fā)至高能級或脫離原子。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。可以用下述近似方程式來求得投影射程

5、與投影偏差：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Word 文檔.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)隨距離而成指數(shù)級 exp(-x/ )變化的尾區(qū)，其中的典型的數(shù)量級為 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> 軸偏離 7度入射。指數(shù)

6、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Word 文檔.<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

7、)，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 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

8、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。如下圖Word 文檔.（ 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)量級上相同。對于 100keV的砷離子來說，形成非晶硅所需的劑量為6 退火由于離子注入所造成

9、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。快速熱退火（ RTA）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。 RTA可以在最小的雜質(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，Word 文檔.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

10、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)Word 文檔.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。Word 文檔.磷的退火特性15雜質(zhì)濃度達(dá) 10 以上時(shí)出現(xiàn)無定形硅退

11、火溫度達(dá)到600 800熱退火問題 :簡單、價(jià)廉激活率不高產(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Word 文檔.擴(kuò)散效應(yīng) :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。Word 文檔.快速熱退火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

12、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。Word 文檔.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：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 Rp和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（ T10-4 ）所需的 d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。Word 文檔.10 傾斜角度離子注入當(dāng)

13、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)。如高為0.5um的掩蔽層，離子束的入射角為7度，將導(dǎo)致一個(gè) 61nm 的陰影區(qū)。可能是器件產(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)Word 文檔.11 高能量與大電流注入注入機(jī)

14、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，CMOS器件中距離表面深達(dá) 1.5到 3um 的埋層。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MOS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

15、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) :Word 文檔.離子注入的幾何說明： ：離子束注入面 ：表面：模擬的平面 ：離子束方向與y 軸方向的夾角：離子束與模擬平面之間的夾角參數(shù)說明：Species:注入的雜質(zhì)種類Energy：注入能量（ KeV）Dose：注入劑量，單位cm-2Tilt：離子束注入的縱向角度，默認(rèn)值是7oRotation ：離子束與模擬平面之間的夾角，默認(rèn)值是30o12 離子注入系統(tǒng)離子源：用于離化雜質(zhì)的容器。 常用的雜質(zhì)源氣體有 BF3、AsH3 和 PH3 等。質(zhì)量分析器：不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。Word 文檔.加速器：為高壓靜電場， 用來對離子束加速。 該加速能量是決定離子注入深度的一個(gè)重要參量。中性束偏移器：利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。聚焦系統(tǒng)：用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)：用來實(shí)現(xiàn)離子束x、y 方向的一定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。工作室：放置樣品的地方，其位置可調(diào)。13 離子注入主要解決的問題1) 純度2) 深度3