離子注入和快速退火工藝（總13頁）本頁僅作為文檔封面，使用時可以刪除Thisdocumentisforreferenceoiilv-rai21veaf.Maich

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IkeV到IMeV之間，注入深度平均可達10nm~10um,離子劑量變動范圍從用于閾值電壓調整的1012/cm3到形成絕緣層的1018/cm3o相對于擴散工藝，離子注入的主要好處在于能更準確地控制雜質摻雜、可重復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，最后停在晶格內某一深度。平均深度由于調整加速能量來控制。雜質劑量可由注入時監控離子電流來控制。主要副作用是離子碰撞引起的半導體晶格斷裂或損傷。因此，后續的退化處理用來去除這些損傷。離子源■|40kV匕終端地90w分析器磁體mm加速管焦面真空系統中性束捕捉和束閥掃描板離子源■|40kV匕終端地90w分析器磁體mm加速管焦面真空系統中性束捕捉和束閥掃描板X軸 裝在晶片工掃描板藝腔中的晶片束捕捉和閥板瞬蠶圖7?2中尊能毘離子注入機原理圖1離子分布(a)離子射程慮及投影射程心的示意圖-個離子在停止前所經過的總距離，稱為射程1離子分布(a)離子射程慮及投影射程心的示意圖-個離子在停止前所經過的總距離，稱為射程R。此距離在入射軸方向上的投/心)=/心)=影稱為投影射程Rp°投影射程的統計漲落稱為投影偏差op。沿著入射軸的垂直的方向上亦有一統計漲落，稱為橫向偏差。丄。z下圖顯示了離子分布，沿著入射軸所注入的雜質分布可以用一個高斯分布函數來近似：zS為單位面積的離子注入劑量.此式等同于恒定摻雜總量擴散關系式。沿X軸移動了一個Rp。回憶公式:對于擴散，最大濃度為X=O；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處則將為10%。在±3?處為1%。在±4?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:v2exp（-T^）2無表示。因為這種形式的分布也會參數某些橫向注入。離子中止使荷能離子進入半導體襯底后靜止有兩種機制。—是離子能量傳給襯底原子核，是入射離子偏轉，也使原子核從格點移出。設E是離子位于其運動路徑上某點x處的能量，定義核原子中止能力：S”（D=（妝dx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制的疊加而得:如果一個離子在停下來之前，所經過的總距離為&則UEE0為初始離子能量，R為射程。

核阻止過程可以看成是一個入射離子硬球與襯底核硬球之間的彈性碰撞Ml轉移給M2的能量為:轉移給M2的能量為:4A/rW:（砌+曆產十二如…' Eq圖7?4—碩球之問的彈性礒損電子中止能力與入射離子的速度成正比*心5

其中系數ke是原子質量和原子序數的弱相關函數。硅的ke值107(eV)l/2/cmo碑化鐐的ke值為3x107(eV)1/2/cm離子中止兩種機制：一是離子能量傳給襯底原子核，是入射離子偏轉.也使原子核從格點移出。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，電子則被激發至高能級或脫離原子。?帝能之朵質離子硅品體晶格X対線???/?原子式碰撞'Q??被置換的硅原子圖7?5?帝能之朵質離子硅品體晶格X対線???/?原子式碰撞'Q??被置換的硅原子圖7?5確對碑、磚、硼離子的核中止能力S.(E)?電子中止能力S(E),曲線的交點對應這兩種中止施力相等時的能試。硅中電子中止能力如虛線所示，交叉能量點是Sn(E)=Se(E)o—旦Sn(E)和呈式來求得投影射程與投影Se(E)已知，可計算處占呈式來求得投影射程與投影偏差：

(a)B,P和AaAft中'的投?(b)H(a)B,P和AaAft中'的投?(b)H?ZcfCTc&W化t?中'的投形射投妙＜8洋和橫向恢筮 &投形俁澄和橫向伎丸0.01a圖74投影射程、投彫個差和橫向飴差比較離子注入的溝道效應前述高斯分布的投影射程及投影的標準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晶向＜111＞,硅和碑化稼中的分布狀態就如在非晶半導體中一樣。在此情況下，靠近峰值處的實際雜質分布，可用“高斯分布函數”來表示，即使延伸到低于峰值—至兩個數量級處也一樣.這表示在下圖中。然而即使只偏離〈111＞晶向7度，仍會有一個隨距離而成指數級exp(-x/X)變化的尾區，其中入的典型的數量級為0.lum。襯底定位時有意偏離晶向情況下的雜質分布。離子束從〈111＞軸偏離7度入0.2 0.4 0.6 0.8深/tt(Mm)I知7-7杷定位時有応偏海品向情況下的雜質分布，圖中離子束入射方向1MK＜11D軸7°2指數型尾區與離子注入溝道效應有關，當入射離子對準一個主要的晶向并被導向在各排列晶體原子之間時，溝道效應就會發生。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，因為它與靶原子較遠，使它在和核碰撞時不會損傷大量能量。對溝道離子來說?唯一的能量損傷機制是電子阻止，因此溝道離子的射程可以比在非晶硅靶中大得多。離子進入的角度及通道<100><110><111>溝道效應降低的技巧1、 覆蓋一層非晶體的表面層、將硅芯片轉向或在硅芯片表面制造一個損傷的表層。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化，使離子以不同角度進入硅芯片而不直接進入硅晶體溝道。2、 將硅芯片偏離主平面5-10度.也能有防止離子進入溝道的效果［圖(b)］。此方法大部分的注入機器將硅芯片傾斜7度并從平邊扭轉22度以防止溝道效應。3、 先注入大量硅或錯原子以破壞硅芯片表面，可在硅芯片表面產生一個隨機層［圖(0)］,這種方法需使用昂貴的離子注入機。離了?注入離(注入離r?注入1M11111HMOOOOOOOOO000000000OOOOOOOOOOOOOOOOOO範化層OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO損傷的品格OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO晶格晶格OOOOOOOOOOOOOOOOOO晶格(a)經過非晶體氧化層的注入(b)不對準晶軸的入射(c)在單晶址上的預先損傷5注入損傷與退火離子注入中，與原子核碰撞后轉移足夠的能量給晶格，使基質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，接著如骨牌效應導致鄰近原子的相繼移位而形成一個沿著離子路徑的樹枝狀的無序區。當單位體積內移位的原子數接近半導體的原子密度時，單晶材料便成為非晶材料。輕離子的樹枝狀的無序區不同于重離子。輕離子(11B+)大多數的能量損傷起因于電子碰撞.這并不導致晶格損傷。離子的能量會減低至交叉點能量，而在那里核阻止會成為主導。因此，晶格無序發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，因此預期有大量的損傷。如下圖(b)所示。(b)所示。要估計將單晶轉變為非晶材料所需的能量.可以利用—個判據’即認為注入量應該與融化材料所需的能量密度(1021keV/cm3)在數量級上相同。對于lOOkeV的碑離子來說，形成非晶硅所需的劑量為S 6x10個園子/cnr6退火由于離子注入所造成的損傷區及畸形團，使遷移率和壽命等半導體參數受到影響。此外，大部分的離子在被注入時并不位于置換位置。為激活被注入的離子并恢復遷移率與其它材料參數，必須在適當的時間與溫度下將半導體退火。傳統退火爐使用類似熱氧化的整批式開放爐管系統。需要長時間和高溫來消除注入損傷。但會造成大量雜質擴散而無法符合淺結及窄雜質分布的需求。快速熱退火（RTA）是一種采用各種能源、退火時間范圍很寬（100s到納秒）的退火工藝。RTA可以在最小的雜質再分布情況下完全激活雜質。■退火：將注入離子的硅片在一定溫度和真空或氮、氮等高純氣體的保護下，經過適當時間的熱處理，■部分或全部消除硅片中的損傷，少數載流子的壽命及遷移率也會不同程度的得到恢復，■電激活摻入的雜質■分為普通熱退火、硼的退火特性、磷的退火特性、擴散效應、快速退火■普通熱退火：退火時間通常為15—30min,使用通常的擴散爐，在真空或氮、氮等氣體的保護下對襯底作退火處理。缺點：清除缺陷不完全’注入雜質激活不高，退火溫度高、時間長，導致雜質再分布。7硼與磷的傳統退火退火的特性與摻雜種類及所含劑量有關500一"—j"」一~…"山_?丄““山_—一310,2 IO'3 1OU 1OI$ I01*劑運（離子數5；）隔的退火特槎因中給出的是硼離子以150keV&t）能量和三個不同劑星注入硅中的退火特性。隔的退火特槎因中給出的是硼離子以150keV&t）能量和三個不同劑星注入硅中的退火特性。如圖所示.可以把退火溫度分為三個區域。1.0莎1鈣cm2.5xl014O

電澈活比網P-Qbz.mxmux硼的退火特性1區單調上升：點缺陷、陷井缺陷消除、自由載流子增加2區出現反退火特性：代位硼減少，淀積在位錯上3區單調上升劑量越大，所需退火溫度越高。7//、2則尸/?渦溫階氐;-U'、、一， :150keV^-Ts=2dC.ta=30minJIJ0C009008O7000600CJO4001OC)T磷的退火特性雜質濃度達10:5以上時出現無定形硅退火溫度達到600C。?800C°下屈是不同碳劑呈ts況下目由總箭子塑與劑量之叱相劉如果非呂忑不呈從靶表面亓賭5￡忡予憲內某一位侵，而是正靶內杲一區域形戍氏h在退火時?刃延円生長牝在兩個界面耐發主，兩個外延面掃遇時＞可能在交畀面處發空原子失配熱退火問題:簡單、價廉激活率不高產生二次缺陷，桿狀位錯。位錯環、層錯、位錯網加劇擴散效應:擴散效應擴散效應:熱退火的溫度與熱擴散時的溫度相比，要低得多。但是＞對于注入區的雜質，即使在比較低的溫度下＞雜質擴散也是非常顯著的。這是因為注入離子所造成的晶格損傷，使硅內的空位密度比熱平衡時晶體中的空位密度要大得多。另外'由于離子注入也使晶體內存在大量的間隙原子和多種缺陷，這些郡會使擴散丟數増大，擴散效應増強。因此，有時也稱熱退火過程中的擴散為増強擴散。如果退火晶片滿足半無卩艮大條件'則注入雜質經退火后在靶內的分布仍然是高斯函數，但標準偏差要有所修正。分布函數的表達式為:8快速熱退火—個具有瞬間光加熱的快速熱退火系統表為傳統爐管與RTA技術的比較。為獲得較短的工藝時間，需在溫度和工藝的不均勻性、溫度測量與控制、硅芯片的應力與產率間作取舍。塊速退火快速退火可以分為:渕光退火.電子束退火、離子束退火■非相干光退火等等。—11 2蔑退火時間在10 ^10S之間，亦稱瞬態退火。優曲先焰化J再結晶，時間快，雜質束不及擴散。RHT設備采用潔華犬學微電子所發明的紅外光快速熱處理技術。該技術采用高頻感應加熱石英腔內的高純度石旻作為紅外輻射熱源'使晶片在石零腔內迅速升溫，通常約三秒可達1000°C＞而在加熱區外迅速降溫口i亥設備具有升溫快，加熱均勻，熱處理后晶片不變形等憂點「芯片《Ewo、>》休沖■光，電子K.*T*（n掃損皿子桌（D快aus火（io、》注入（芯片《Ewo、>》休沖■光，電子K.*T*（n掃損皿子桌（D快aus火（io、》注入（10）tFftra/cdo?）氣體入11加2”小O-C?}Y“ 1O10*4OeiM*WM（3）IR溫度計各年肉時逹火方斷B6功華&茨勺逞火X蹴齡沖肖集并阿）的關系快速熱退火表77技術比較決定因索常規退火爐技術快速熱退火技術加工形式分批式單片式爐況熱熨加熱連率低S5循環周期長短溫度監測爐晶片熱砂計母低塵埃問題存在晟小化均勻性和S［復性高低生產效率高低9注入相關工藝-多次注入及掩蔽在許多應用中’除了簡單的高斯分布外其它的雜質分布也是需要的。例如硅內預先注入惰性離子，使表面變成非晶。此方法使雜質分布能準確地控制，且近乎百分百的雜質在低溫下激活。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分布。10rE)壑童糕舉02 0.4 0.6矩離(gm)10rE)壑童糕舉02 0.4 0.6矩離(gm)0.81.0圖7-13用務次注人形成的聲加雜質分布〉為了要在半導體襯底中預先選擇的區域里形成p-n結，注入時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T求得:—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值如下圖所示。圖中內插圖顯示了在掩蔽材料內的注入物的分布。因因7幺盞菇達權甘99?—rSLN二——S沬縛淒萍寶( -S?§r5當器件縮小到亞微米尺寸時，將雜質分布垂直方向也縮寫是很重要的。現代器件結構如輕摻雜漏極(LDD),需要在縱向和橫向上精確控制雜質分布。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，需考慮硅芯片上掩蔽圖案的陰影效應。較小的傾斜角度導致一個小陰影區。如高為0.5um的掩蔽層，離子束的入射角為7度，將導致一個61nm的陰影區。可能是器件產生一個預想不到的串聯電阻。60keV碑入射到硅中，相對濃度分布為離子束傾斜角度的函數，內插圖所示是傾斜角度離子注入的陰影區圖7-1560keV的砰詔子注入稚中時與傾斜角度的函數關系,其中揺圖表示傾席離子注入形成的遮蔽區域11高能量與大電流注入注入機能量可高達1.5-5MeV,且已用作多種新型用途。主要利用其能將雜質摻入半導體內深達好幾個微米的能力而不需要借助高溫下長時間的擴散。也可用于制作低電阻埋層。例如，CMOS器件中距離表面深達1.5到3um的埋層。大電流注入機(10-20mA)工作在25-30keV范圍下，通常用于擴散技術中的預置處理。因為其總量能夠精確控制。在預置后，摻雜劑可以用高溫擴散步驟再分布，同時順便將表面區的注入損傷修補。另一用途就是MOS器件的閾值電壓調整，精確控制的雜質量經柵極氧化層注入溝道區。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