§4离子注入工艺

2019/10/31第四章离子注入工艺离子注入的特点是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺杂种类广泛，并且易于自动化。由于采用了离子注入技术，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展，从而使集成电路的生产进入了大规模及ULSI时代。2019/10/32一．离子注入工艺设备结构离子注入机原理图2019/10/332019/10/34二、离子注入工艺的特点(1)注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。另外，注入过程是在清洁、干燥的真空条件下进行的，各种污染降到最低水平。2019/10/35(2）可以精确控制注入到硅中的掺杂原子数目。（3）衬底温度低，一般保持在室温，因此，像二氧化硅、氮化硅、铝何光刻胶等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。（4）离子注入深度是随离子能量的增加而增加，因此掺杂深度可以通过控制离子束能量高低来实现。另外，在注入过程中可精确控制电荷量，从而可精确控制掺杂浓度。-2019/10/36（5）离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底材料中的固溶度限制，原则上对各种元素均可掺杂。（6）离子注入时的衬底温度低，这样就可以避免了高温扩散所引起的热缺陷。（7）由于注入的直进性，注入杂质是按掩膜的图形近于垂直入射，因此横向效应比热扩散小的多，有利于器件特征尺寸的缩小。2019/10/37（8）离子往往是通过硅表面上的薄膜注入到硅中，因此硅表面上的薄膜起到了保护膜作用（9）化合物半导体是两种或多种元素按一定组分构成的，这种材料经高温处理时，组分可能发生变化。采用离子注入技术，基本不存在上述问题，因此容易实现对化合物半导体的掺杂2019/10/38基个概念：（1）靶：被掺杂的材料。（2）一束离子轰击靶时，其中一部分离子在靶面就被反射，不能进入靶内，称这部分离子为散射离子，进入靶内的离子成为注入离子。（3）非晶靶成为无定形靶，本章所涉及道德靶材料，都是按无定形来考虑。2019/10/39三、离子注入原理“离子”是一种经离化的原子和分子，也称“等离子体”，它带有一定量的电荷。“等离子发生器”已广泛应用到CVD、金属镀膜、干法刻蚀、光刻胶的去除等工艺中，而在离子注入的设备中，它被用来制造工艺所要注入的离子。因为离子带电荷，可以用加速场进行加速，并且借助于磁场来改变离子的运动方向。当经加速后的离子碰撞一个固体靶面之后，离子与靶面的原子将经历各种不同的交互作用，如果离子“够重”，则大多数离子将进入固体里面去。反之，许多离子将被靶面发射。2019/10/310当具有高能量的离子注入到固体靶面以后，这些高能粒子将与固体靶面的原子与电子进行多次碰撞，这些碰撞将逐步削弱粒子的能量，最后由于能量消失而停止运动，新城形成一定的杂质分布。同时，注入离子和晶格原子相互作用，那些吸收了离子能量的电子，可能激发或从原子之内游离，形成二次电子。2019/10/311离子在硅体内的注入深度和分布状态与射入时所加的电场强度、离子剂量、衬底晶向等有关。通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下，注入的深度将随电场的强度增加而增加。实践表明，用离子注入方法在硅片内部形成杂质分布与扩散是完全不同的。扩散法得到的杂质分布近似为余误差函数和高斯函数分布，而用离子注入法形成的分布，其浓度最大值不在硅片表面，而是在深入硅体一定距离。这段距离大小与注入粒子能量、离子类型等有关。2019/10/312在一般情况下，杂质浓度最大值在距离表面0.1um处，其分布有一点像高斯分布，是由于杂质被电场加速注入到硅片内后，受到硅原子的阻挡，使其动能完全消失，停留在原位。但由于杂质离子具有的能量是不均匀的，也就是使杂质离子的能量有大有小，这样就形成了按一定的曲线分布，能量大和能量小的都是少数，而能量近似相等的居多数。当然注入后，能量最大的注入深，能量小的注入浅。2019/10/313离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系。如果注入的离子沿规则排列的晶格方向进入硅中，离子可能要走很长一段路途才碰到硅原子，因此，进入深度就大，使杂质分布出现两个峰值，这种现象称为“沟道效应”。向100，110晶向注入时，往往会发生这种沟道效应，而111再偏离一定角度，情况就好得多。2019/10/314离子注入时，由于受到高能量杂质离子的轰击，硅片内许多晶格被破坏而出现晶格缺陷，严重时会出现非晶层。这种缺陷一定要经过退火处理来消除，所以退火工艺在离子注入工艺中是必不可少的。与扩散一样，离子注入也需要掩蔽，其掩蔽物可以是二氧化硅、氮化硅、AL2O3及AL都行，且掩蔽膜厚度随电场强度和杂质剂量的增加而加厚。2019/10/315§4.1核碰撞和电子碰撞LSS理论:注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程(1)核碰撞，（2）电子碰撞，总能量损失为它们的和。2019/10/316核碰撞和电子碰撞:2019/10/3172019/10/318（一）、核阻止本领能量为E的一个注入离子，在单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。2019/10/319（二）电子阻止本领同注入离子的速度成正比，即和注入离子能量的平方根成正比。2019/10/320（三）射程的概念§4.2注入离子的分布2019/10/322（一）纵向分布2019/10/323*注入离子的分布计算1.平均投影射程Rp，标准偏差R通过查表根据靶材（Si,SiO2,Ge），杂质离子(B，P，As,N),能量（keV）2.单位面积注入电荷：Qss＝It/A,I：注入束流，t:时间，A：扫描面积（园片尺寸）3.单位面积注入离子数(剂量)：Ns＝Qss/q=(It)/(qA)4.最大离子浓度：NMAX=RNs22019/10/324*注入离子分布N(x)=NmaxN(x):距表面x处的浓度,Rp:查表所得的标准偏差Nmax:峰值浓度(x=Rp处)Rp:平均投影射程221expppRRx2019/10/325*离子注入结深计算BpppSjNRRxRNxN221exp2)(BspppjNNRRRx21ln22019/10/326(二）横向效应2019/10/327横向系数:BSb,约0.5但比热扩散小(0.75~0.85)2019/10/328(三)．沟道注入1、入射离子的阻挡作用与晶体取向有关,2、可能沿某些方向由原子列包围成直通道－－沟道，离子进入沟道时，沿沟道前进阻力小，射程要大得多。2019/10/3293、沟道效应的存在，将使得对注入离子在深度上难以控制，尤其对大规模集成电路制造更带来麻烦。如MOS器件的结深通常只有0.4um左右，有了这种沟道效应万一注入距离超过了预期的深度，就使元器件失效。因此，在离子注入时，要考虑到这种沟道效应，也就是说要抑止这种现象的产生。2019/10/3304、目前常用的解决方法有三种。（1）是将硅片相对注入的离子运动方向倾斜一个角度，7度左右最佳；（2）是对硅片表面铺上一层非结晶系的材料，使入射的注入离子在进入硅片衬底之前，在非结晶层里与无固定排列方式的非结晶系原子产生碰撞而散射，这样可以减弱沟道效应；2019/10/331（3）是对硅片表面先进行一次离子注入，使结晶层破坏成为非结晶层，然后进入离子注入。这三种方法都是利用增加注入离子与其他原子碰撞来降低沟道效应。工业上常用前两种方法。2019/10/332（四）复合（双层）靶注入离子在两层靶中均为高斯分布M1：Rp1,Rp1,dRp1M2:Rp2,Rp2ddp2p1p1RR1’R11pRdM1中未走完的路程2019/10/333§4.3注入损伤一．损伤的形成2019/10/334靶原子变形与移位，形成空位、间穴原子，注入离子并不正好处于格点上，解决：退火、激活2019/10/335二.移位原子数的估算2019/10/336三．非晶层的形成2019/10/337四、损伤区的分布轻离子，电子碰撞为主，位移少，晶格损伤少2019/10/338重离子，原子碰撞为主，位移多，晶格损伤大2019/10/339．§4.4热退火退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、氩等高纯气体的保护下，经过适当时间的热处理，部分或全部消除硅片中的损伤，少数载流子的寿命及迁移率也会不同程度的得到恢复，电激活掺入的杂质分为普通热退火、硼的退火特性、磷的退火特性、扩散效应、快速退火2019/10/3401．普通热退火：退火时间通常为15--30min，使用通常的扩散炉，在真空或氮、氩等气体的保护下对衬底作退火处理。缺点：清除缺陷不完全，注入杂质激活不高，退火温度高、时间长，导致杂质再分布。2019/10/3412．硼的退火特性1区单调上升：点缺陷、陷井缺陷消除、自由载流子增加2区出现反退火特性：代位硼减少，淀积在位错上3区单调上升剂量越大，所需退火温度越高。2019/10/3423．磷的退火特性杂质浓度达1015以上时出现无定形硅退火温度达到600℃～800℃2019/10/343热退火问题简单、价廉激活率不高产生二次缺陷，杆状位错。位错环、层错、位错网加剧2019/10/3444.扩散效应2019/10/3455.快速退火2019/10/346§4.5离子注入优缺点一．离子注入的优缺点优点：1）可在较低的温度下，将各种杂质掺入到不同的半导体中；2）能精确控制掺入基片内杂质的浓度分布和注入深度；3）可以实现大面积均匀掺杂，而且重复性好；4）掺入杂质纯度高；5）获得主浓度扩散层不受故浓度限制2019/10/3476）由于注入粒子的直射性，杂质的横向扩散小；7）可以置备理想的杂质分布；8）可以通过半导体表面上一定厚度的四SiO2膜进行注入而实行掺杂；9）工艺条件容易控制。2019/10/348缺点：1）高能离子注入改变晶格结构；2）设备贵。二．对VT的控制2019/10/3492019/10/350三．自对准金属栅的结构2019/10/351四.离子注入的应用2019/10/352P阱－CMOS流程中的离子注入1.P阱注入2.场注入(P阱内)Vtn03.P管开启注入(P阱外)Vtp4.P+区注入5.N+区注入2019/10/353