微电子工程学5.

1第5章精密控制掺杂技术----离子注入掺杂及快速退火处理微电子工程学2第5章精密控制掺杂技术离子注入技术适应了电路图形不断微细化的需要。应用离子注入掺杂技术，可以比较随心所欲地精密控制掺杂层的杂质浓度、掺杂深度和掺杂图形几何尺寸。虽然离子注入技术早在1964年就已发明，并很快地被应用到微波半导体器件和一些特殊器件的制作中代替杂质扩散方法，但自从大规模集成电路兴起后，离子注入技术有了新的发展和新的涵义。3第5章精密控制掺杂技术现在大规模、特别是超大规模集成电路的制作，几乎都是应用离子注入法来形成电路中所需的杂质掺杂区域的。这是因为如果应用传统的杂质扩散方法来制作大规模和超大规模集成电路，即使光刻图形已达到所需要的微细化程度，但掺杂区域的几何尺寸很难控制，如杂质的侧向扩散就会破坏电路的微细结构。因此，超大规模集成电路不再沿用热扩散工艺，而代之以离子注入掺杂技术。4第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入5.2注入损伤5.3退火处理5.4离子注入系统5.5注入工艺5.6离子注入在器件制造中的应用5第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入所谓离子注入技术，就是将需要作为掺杂剂的元素原子离化，转变为离子，并将其加速到一定能量（50--500keV）后，注入到晶片表面，以改变晶片表面的物理和化学性质。离子注入是半导体工艺中有别于扩散的一种制结的方法。其特点主要有以下几个方面：6第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入1、可以用质量分析系统获得单一能量的高纯杂质原子束，没有沾污。因此，一台注入机可用于多种杂质。此外，注入过程是在真空下即在本身是清洁的气氛中进行的。2、通过靶的剂量可在很宽的范围（1011－1017离子/cm2）内变化，且在此范围内精度可控制到±1％。与此相反，在扩散系统中，高浓度时杂质浓度的精度最多控制到5－10％，低浓度时比这更差。此外，扩散时掺杂剂的耦合对于表面电子学特性的变化非常敏感，而离子注入时就不是这样。因此，离子注入能在表面上提供比扩散时更均匀的覆盖，特别是在要求表面浓度低的时候。7第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入3、离子注入时，衬底一般是保持在室温或温度不高（≤400℃），因此，可用各种掩模（如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶）进行选择掺杂。在制备不能采用扩散工艺的器件时，这为独特的自对准掩模技术的设计提供了很大的自由度。4、离子束的穿透深度随离子能量的增大而增大，因此，控制同一种或不同种的杂质进行多次注入时的能量和剂量，可以在很大的范围内得到不同的掺杂剂浓度分布截面。用这种方法比较容易获得超陡的和倒置的掺杂截面。8第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质浓度可以超过平衡固溶度。6、用离子注入也可在半导体的特定区域淀积一定量的带电物质。因此，对控制MOS器件的阈值是一项很重要的应用。9第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入离子注入也有一些缺点，例如设备复杂而昂贵，因此与扩散相比（在可以用扩散工艺的前提下），这种工艺是不经济的。这种竞争上的缺点对砷化镓更为明显，因为砷化镓的注入能量要求在200－500KeV范围，比硅（50－150KeV）高。但离子注入技术的自动化程度高，包括在线控制及终端检测，从而弥补了上述不足。离子注入技术的第二个缺点是对半导体造成损伤。为了部分地或完全消除损伤，必须进行高温退火。对硅而言，这没有什么问题，因为硅在退火温度下的蒸汽压特别低。此外，硅经常还要进行后续高温处理，可以把这些损伤完全退火掉。但对于砷化镓，则必须用一包覆层，或者在砷超压下进行退火，以免发生分解或者不符合化学计量成分。无论哪一种办法都不能完全令人满意，这个问题目前还没有解决。另外一个问题是穿透深度Rp和热退火时值之间的关系。对硅，Rp》，因此，退火时，掺杂剂的运动较小。但对砷化镓，情况往往相反，退火时，掺杂剂的运动往往是很重要的。DtDt1011第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入穿透深度高能离子注入半导体后，有两种基本的阻止机制使其停止下来。第一种机制是能量转移到靶的原子核上，称为核阻止。这时，入射的离子发生偏转，而靶的原子核也离开其原来的位置。若E是离子在其路程上任一点x处的能量，可以定义核阻止本领为以表征这一过程。核阻止过程在半导体中产生物理损伤，缺陷可以是点缺陷，也可能是线缺陷。半导体常常由于核阻止过程而变成非晶态。第二种阻止过程是由于离子与靶中的束缚电子或自由电子的交互作用而引起的，称为电子阻止。这会瞬时地形成电子－空穴对，而运动的离子失去能量。可以定义电子阻止本领为以表征这一过程。nndxdES)/(eedxdES)/(1213第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入能量随距离而损失的平均速率为（5.1）式中N是半导体靶每单位体积内的原子数。若离子在停止前所运动的总距离为R，则（5.2）式中E0是离子的初始能量，R称为射程。在半导体工艺中，更重要的一个参数是射程在离子入射方向上的投影，称为投影射程。由于注入过程具有统计分布的性质，该投影射程用其平均值Rp及沿入射离子方向的标准偏差ΔRp来表示，有时把ΔRp称为散布。)]()([ESESNdxdEen000)()(1EenRESESdENdxR14第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入实际上，离子束也在和入射方向成直角的方向上扩展。射程的横向值用ΔRt表示，它对于决定掩模边缘附近掺杂剂的分布是很重要的。如果注入区的宽度比注入深度大得多，这一项可以忽略。这时，非晶靶的统计分布可以用以下形式的一维高斯分布函数来描述：(5.3)式中是平均值，δ是标准偏差。将该函数在±∞的范围内积分，得出离子的剂量。令该剂量为Q0离子/cm2，并且有(5.4)则杂质分布为(5.5)该函数在Rp处有极大值，而在平均值的两边都急剧下降。])-(21exp[)(2xxx2/02dZeZ])(21exp[)2()(22/10pppRRxRQxNx15第5章精密控制掺杂技术1617第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入如果离子束入射方向偏离低指数结晶方向至少7－10°，则硅和砷化镓都可以看作是非晶态半导体。这时，上式给出的掺杂截面在峰值以下1－2数量级内非常接近。如果入射离子束沿着结晶主轴方向，则离子分布截面可大大改变。这产生离子沟道过程，这时，离子穿过半导体晶格一直前进相当大的距离，而能量损失得很少。这种沟道离子束大大增加穿透深度，而所产生的晶格无序度较小。可是，这时射程和离子束与晶轴之间的准直度（或非准直度）及离子剂量的关系非常密切；大剂量时，产生的晶格无序度较大，因而沟道效应大大减小。18第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入在集成电路工业生产中，离子注入时一般避免发生任何沟道效应的可能性。临界非准直角和特定的晶体取向及半导体材料有关。在集成电路工艺中，非准直角一般取7－10°。即使如此，也很难完全避免沟道效应，特别是在注入剂量小的时候，因为有一些离子进入半导体后折向沟道方向。这种剩余沟道效应在掺杂截面是拖一尾巴，因为掺杂剂在半导体中穿透得较深。在严重损伤的材料中，特别是变成非晶态时观察不到尾巴，因此非常接近于高斯分布。19202122第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入图5-2离子浓度分布23第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入粒子在失去其入射能量后发生的快速填隙式扩散过程也能在掺杂截面上形成尾巴。即使在室温，这种粒子也能继续扩散，直至遇到适当的俘获中心如空位或表面为止。若τ是该过程的平均俘获时间，D是扩散系数，则杂质分布的尾巴部分具有以下形式：(5.6)在某些情况下，如果半导体在注入后经过退火（热处理），尾区扩大。但在严重损伤的材料中，τ很短，因而抑制尾区的形成。Dxenn/0242526第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入核阻止撞击在半导体表面上的某些离子由于和最表层的原子碰撞而反射出来。其中有一些离子给予靶原子以足够的能量，使它们通过溅射过程而从衬底中逸出。这里我们只讨论核阻止过程，即大多数入射离子穿透入半导体，并通过弹性碰撞把自己的能量传给晶格原子的过程。Linhard，Scharff和Schiφtt（LSS）首先对核阻止过程进行了详细的计算。为了能够对注入过程有一些了解，这里概述计算中采用的方法。27第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入先考虑两个半径都是R0的硬球的弹性碰撞，如图所示。令V0和E0是质量为M1的运动球的速度和动能，静止球的质量为M2。碰撞时，静止球的速度和动能分别为V2和E2。与此相似，令V1和E1为碰撞后运动球的速度和动能。两球之间的距离用一碰撞参数p表示。对此模型，只有在p≤2R0时，才发生能量的转移，R0为两球半径。用p＝0表示正面碰撞。碰撞时，沿着球心的连线发生动量的转移。同时，动能是守恒的。根据这些条件求解，运动球偏离其原来轨道的角度θ为(5.7)上式表明。转移到静止球上的能量和散射角θ有关。同时，碰撞后运动球的速度为(5.8)cos[()()()()]//1211212012210212MMEEMMEEVVMMMMM1202122121212[cos(sin)]/28第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入入射球与原来处于静止位置的靶粒子正面碰撞时损失的能量最多。这时(5.9)因此，M2得到的能量是(5.10)这也是入射粒子M1失去的能量。VMMMV211202()124222121220MMMMMME[()]29第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入当入射粒子和靶粒子之间存在引力（或斥力）时，情况要复杂一些。和该力相联系，有一势V（r），该势场一般延伸到无限远。在这种情况下，当两个粒子相互靠近时，它们继续运动而不发生有形的相遇，因此碰撞参数p增至无限大。现在，问题简化成在势的作用下运动的质点系，这已由二粒子弹性散射理论作过经典的处理。这里用的方法是把实验室坐标系变换为以系统的质心为原点的一套运动坐标，从而使问题具有对称性。粒子之间的偏转角为，(5.11)式中p是碰撞参数，RM是粒子间的最小距离，V（r）是交互作用势函数，Er为(5.12)对于任意给定的交互势函数，都可计算出。在实验室坐标系中角的大小为(5.13)MRrrpErVrdrp]//)(1[2222EMMMMVr12121202()tansincos(/)MM1230第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入两粒子散射31第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入现考虑如果原子序数为Z1和Z2的两个原子相互接近到距离r时会发生什么情况。这两个原子间的力本质上是库仑力，其大小为(5.14)式中q=1.6×10-19库仑。势函数为(5.15)上式只有在不考虑每个原子的电子才能成立。电子的交互作用对核的相斥产生屏蔽作用，修正了势函数。这时，势函数的一种普遍形式为(5.16)式中a是屏蔽参数，称为屏蔽函数。屏蔽函数的Thomas－Fermi值可用来计算核阻止本领，另外屏蔽函数经常近似地取为a/r，(5.17)a0是波尔半径（0.35埃）。取上述近似值时，势与距离的平方成反比。FrqZZr()2122VrqZZr()212VrqZZrfra()()2122/13/223/210)(885.0ZZaafra()32第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入Thomas—Fermi屏蔽函数33第5章精密控制掺杂技术5.1离子注入用Thomas－Fermi屏蔽函数或其近似值，可以对任何碰撞参数p计算出偏转角及。然后又可以用来计算入射粒子与一个固定粒子弹性相遇时损失的能量。在厚度为，单位体积内的原子数为N的非晶态靶的实际情况下，能量是转移到所有的粒子上。对所有可能的碰撞参数值积分，可得出总的能量转移，即(5.18)故核阻止本领为(5.19)LSS利用上述方法及Thomas－Fermi屏蔽函数得出了核阻止与离子能量的关系。当一个离子进入半导体时（即E值大时），它首先慢慢地把能量转移到晶格中。当