微电子工程学5

1、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，

2、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

3、：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（10111017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510，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

4、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

5、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200500KeV范围，比硅（50150KeV）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

6、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

7、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

8、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Rp来表示，有时把Rp称为散布。)()(ESESNdxdEen000)()(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Rt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，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

9、 (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 2/02dZeZ)(21exp)2()(22/10pppRRxRQxNx15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710，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12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

10、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710。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。1920212

11、2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，很短，因而抑制尾区的形成。Dxenn/0242526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

12、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Schitt（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

13、在p2R0时，才发生能量的转移，R0为两球半径。用p0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为 (5.7)上式表明。转移到静止球上的能量和散射角有关。同时，碰撞后运动球的速度为 (5.8)cos()()()()/121121201 221021 2MMEEMMEEVVMMMMM1202122121 212cos(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。 VMMMV2

14、11202()124222121220M MM MMME()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.

15、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 2222EM MMMVr12121202()tansincos(/) MM1230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=1.610-19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

16、 (5.16)式中a是屏蔽参数， 称为屏蔽函数。屏蔽函数的ThomasFermi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。 F rq Z Zr( ) 2122V rq Z Zr( ) 212V rq Z Zrfra( )( )2122/13/223/210)(885. 0ZZaafra( )32第5章精密控制掺杂技术5.1 离子注入 ThomasFermi 屏蔽函数33第5章精密控制掺杂技术5.1 离子注入 用ThomasFermi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

17、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ThomasFermi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。当离子速度下降时，能量转移率增大，然后降至零，这时离子最终停下来。T E pn( , )xpdppETxNEn2),(002),()(pdppETESnn34第5章精密控制掺杂技术5.1 离子注入 能量损失率与离

18、子能量的关系35第5章精密控制掺杂技术5.1 离子注入 利用函数的近似式时，势和距离的平方成反比，能量损失率为常数。能量损失率近似表式为 (5.20)式中 (5.21)对于大多数离子靶系统，这相当于能量损失率为每埃10100eV左右。故核阻止本领的近似值为 (5.22) dEdxNZ ZZMMMeV cm2 8 1015121 3112.()()/ZZZ1 312 322 3 1 2/()SZ ZZMMMeVcmn015121 311222 8 10.()()/36第5章精密控制掺杂技术5.1 离子注入 电子阻止 目前，对由于电子和入射离子相碰撞而发生电子激发和电离的非弹性能量交换过程还没有作

19、出全面的处理。但是，用半经典的方法可以合理地估计这些过程引起的能量损失率。考虑一个质量为M1，能量为E0的离子和一个质量为m0的电子的正面碰撞，容易看出电子能够被激发和电离。因为M1m0，由该过程引起的最大能量转移是 (5.23)激发能为几个电子伏，而 ,因为注入时入射离子的能量一般在50500keV范围内，因此电子的激发和电离都可能发生。 44101020100M mMmEMmE()Mm1010002000/37第5章精密控制掺杂技术5.1 离子注入 考虑一个入射离子和自由电子气的碰撞，可以近似地计算出该过程的非弹性能量损失。用这种方法可以看出，若离子的速度小于能量等于费米能的一个电子的速度

20、，则电子阻止本领与离子的速度成正比。若用离子能量来表示则为 (5.24)k的大小和轰击粒子及靶材料有关。但对非晶态靶，k和轰击粒子的关系不大。对硅， (5.25a)对砷化镓 (5.25b)故电子阻止造成的能量损失率是每埃几个电子伏，大大低于核阻止引起的(每埃10100eV左右)能量损失率。 SEkEe()/1 2keVcmSi0 210151 22.()/keVcmGaAs0 5210151 22.()/38第5章精密控制掺杂技术5.1 离子注入侧向散布和侧向效应通过狭缝的离子注入a.以70eV注入硅中 b.以不同的能量向硅中注磷通过1um的掩膜窗口注入时的离子等浓度（0.1%) 曲线39第5

21、章精密控制掺杂技术5.2 注入损伤高能离子在最终停下来之前，要与晶格原子多次碰撞，有足够的能量转移到晶格，使许多晶格原子位移，位移的原子经常具有相当高的能量，又使其它原子位移，导致级联碰撞。设Ed是一个靶原子移开其位置所需能量，并假定是弹性硬球模型，若晶格原子接受的能量低于Ed ，就不会发生位移。同样，若入射离子碰撞后反跳时的能量小于Ed ，就不会再将别的原子驱逐出格位。因此，要使位移原子的数目净增，入射离子的能量必须大于2Ed 。每一个入射离子产生的位移原子数约为E0/2Ed,E0是离子的初始能量。硅和砷化镓的位移能约为1415eV，每一个入射离子可使103-104个晶格原子位移，该过程产生

22、103-104个夫仑克尔原子对。404142434445第5章精密控制掺杂技术5.2 注入损伤注入损伤的本质取决于入射离子是轻离子还是重离子。轻离子每次和靶相遇时一般只转移一小部分能量，而且以较大的散射角偏转。位移的靶原子得到的能量少，可能不引起进一步的位移。因此，轻的入射离子造成的损伤具有分叉的位错网的形式，同时，轻离子的大部分能量通过电子阻止传给晶格，晶体损伤较轻微，射程比较远，损伤扩展范围大。重离子的效应完全不同，每一次碰撞转移掉大部分能量，入射离子以较小的散射角偏转，位移原子在偏离入射离子的路径运动时能有较大的位移。同时，射程短，大部分能量通过核阻止而转移到晶格，在较小的体积内产生较严

23、重的晶格损伤。46第5章精密控制掺杂技术5.2 注入损伤 入射离子形成的无序区都有一个内核，其中有大于0.02%原子分数的缺陷密度，主要是空位、双空位、夫仑克尔对和位错，并有许多占据替代位置和填隙位置的杂质及靶离子。另外，许多入射离子并非停留在替代位置，因此，注入的载流子浓度常比离子浓度低几个数量级。但在此结构中仍存在长程结晶有序。大部分损伤在较低的温度下热处理后很容易退火掉，甚至在注入过程中也会发生一定程度的退火。但是随着入射离子剂量的增大，孤立的无序区开始重叠。对硅，会形成非晶层，结构不再是长程结晶有序的了。离子越轻，产生非晶层所需剂量越大，对硅靶，当离子能量相同时，注硼（M=11）时形成

24、非晶层所需的剂量一般比注砷（M=75）时要大两个数量级。 4748第5章精密控制掺杂技术5.2 注入损伤注入时形成非晶态有一些好处。一个是由于基质结构上的随机性，离子浓度非常接近于预期的高斯分布。在掺杂浓度低的情况下，可在注入杂质之前用惰性离子（如氩、氖或硅）注入硅中使之成为非静态。如图，先用100keV,1014和1015离子/cm2的剂量注硅使材料预损伤，再用100keV向硅中注入小剂量磷。预损伤较严重的情况相当于注入区在注磷前已成为非晶态，这时离子分布截面非常接近于理论所预期的高斯分布。二是在砷化镓中严重损伤的多晶态使材料变成半绝缘性的，活化的载流子浓度低于1011/cm3，利用这种特性

25、可以隔离制作在同一衬底上的器件。但在许多情况下，注入损伤在衬底内形成一层无用的半绝缘材料，无意中形成p-i-n或p-n-n结构而不是p-n结。49第5章精密控制掺杂技术5.2 注入损伤硅中注磷（100keV,7X1012cm-2)50第5章精密控制掺杂技术5.2 注入损伤入射离子进入靶中运动时，其能量下降，因此在初始穿透区中以电子阻止为主。故最大损伤区位于离开靶表面某一距离处。此外，如果入射离子束的初始能量较高，射程较远，则最大损伤区在靶中的位置更深。计算表明，损伤比射程分布得更远，损伤峰值的位置非常接近于投影射程的75%。靶中入射离子能量储存下来的体积一般要比产生实际的晶格损伤的体积大得多。

26、离子能量的大部分以局域化热峰的形式转移到晶格。在此过程中，杂质离子和靶原子之间有强交互作用，产生一些自退火，并且大大偏离高斯分布截面。这种偏离与离子的电荷性质有关，对于不同的离子是不一样的。离子注入时发生自退火的程度和热峰及衬底温度有关。因此，控制衬底温度及离子剂量是促进或延缓非晶态出现的有效方法。 51第5章精密控制掺杂技术5.3 退火处理离子注入损伤使材料的特性如迁移率及少子寿命蜕化。此外，只有一部分注入离子位于替代位置而成为电活性的。将半导体在适当的温度下退火适当的时间，可以部分地或全部消除损伤。理论上，如果半导体能回到原始的单晶态，则少子寿命、迁移率和载流子活化率可以完全恢复。这只有经

27、过熔化和外延再生长才能做到。而实际的热退火过程远远没有达到这种程度，因此，所有的退火处理基本上都是不完全退火。52第5章精密控制掺杂技术5.3 退火处理实际退火工艺取决于为使电路中的器件能满意地工作而要求迁移率、寿命和载流子活化率恢复到何种程度，因此和器件及电路设计有关。例如，硅双极型高速晶体管逻辑电路侧重于要求发射极的载流子浓度高，但少子寿命要求短；固态电视摄像靶要求漏电流特别小的结，即要求空间电荷产生寿命长；砷化镓器件和集成电路经常利用多子传导，少子寿命并不重要；场效应晶体管中，精密控制注入区的载流子活化率和深度是基本的要求。 53第5章精密控制掺杂技术5.3 退火处理对退火的要求还与损伤

28、区在半导体中的物理位置及其对器件工作的影响有关。离子损伤峰更接近于半导体表面而不是接近于离子浓度峰。当要求保持精确的不拖尾的高斯分布时，必须用预注入的方法使半导体变为非晶态。选择预注入离子的种类和射程，使损伤区和杂质离子淀积的区域一致。54第5章精密控制掺杂技术5.3 退火处理退火周期一般延续1530分钟。退火温度取决于器件应用以及半导体在生产工艺的这一步上容许这种热处理的能力。如赤裸的硅可在1200C热处理，而有铝金属布线的硅集成电路若避免形成铝-硅合金，就不能在500C以上热处理。退火温度还和注入剂量及衬底的结晶取向有关。小剂量注入产生孤立的树枝状损伤网络，可在低温退火掉。而大剂量，特别是在形成非晶层的剂量下，则很难退火掉。发现硅的退火速率约比硅快10倍。 5556575859606162636465来来6667第5章精密控制掺杂技术5.4 离子注入系统686970第5章精密控制掺杂技术5.4 离子注入系统Nielsen气体源电磁铁离子引出口灯丝阳极7172第5章精密控制掺杂技术5.4 离子注入系统狭缝质量分析器7374757677第5章精密控制掺杂技术5.4 离子注入系统静电-机械偏转系统78第5章精密控制掺杂技术5.4 离子注入系统剂量测定线路798081828384858687888990919293949596979899100101102