ion implantation 2 - 歡迎訪問(wèn)復(fù)旦微電子

1、1/37,集成電路工藝原理,仇志軍zjqiu@fudan.edu.cn邯鄲校區(qū)物理樓435室,2/37,大綱,第一章 前言第二章 晶體生長(zhǎng)第三章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗第四章 光刻第五章 熱氧化第六章 熱擴(kuò)散第七章 離子注入第八章 薄膜淀積第九章 刻蝕第十章 后端工藝與集成第十一章 未來(lái)趨勢(shì)與挑戰(zhàn),3/37,上節(jié)

2、課主要內(nèi)容,LSS理論？阻止能力的含義？,離子注入的雜質(zhì)分布？退火后？,離子注入的主要特點(diǎn)？,掩蔽膜的厚度？,精確控制摻雜，淺結(jié)、淺摻雜，純度高，低溫，多種掩模，…,非晶靶。能量損失為兩個(gè)彼此獨(dú)立的過(guò)程(1) 核阻止與(2) 電子阻止之和。能量為E的入射粒子在密度為N的靶內(nèi)走過(guò)x距離后損失的能量。,掩膜層能完全阻擋離子的條件：,4/37,總阻止本領(lǐng)（Total stopping power）,核阻止本領(lǐng)在低能量下起主要作用（注入分布的尾

3、端）電子阻止本領(lǐng)在高能量下起主要作用,5/37,離子注入的溝道效應(yīng),溝道效應(yīng)（Channeling effect）當(dāng)離子沿晶軸方向注入時(shí)，大部分離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)，幾乎不會(huì)受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠(yuǎn)。,6/37,110,111,,100,傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無(wú)序方向,7/37,濃度分布 由于溝道效應(yīng)的存在，在晶體中注入將偏離LSS理論在非晶體中的高斯分布，濃度分布中出現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的“尾巴”,,,產(chǎn)生非晶化的劑量,沿的溝

4、道效應(yīng),8/37,表面非晶層對(duì)于溝道效應(yīng)的作用,Boron implantinto SiO2,Boron implantinto Si,,,,,,,,,,,9/37,B質(zhì)量比As輕，當(dāng)以約7 °角度進(jìn)行離子注入硅襯底時(shí)， B的尾區(qū)更大。因?yàn)椋?溝道效應(yīng)：當(dāng)離子沿晶軸方向注入時(shí)，大部分離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)，幾乎不會(huì)受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠(yuǎn)（很深）。,傾斜角度注入表層非晶化：預(yù)非晶化，大劑量注入，非晶SiO2

5、膜,1）B碰撞后傳遞給硅的能量小，難以形成非晶層2）B的散射大，容易進(jìn)入溝道。,非晶,10/37,減少溝道效應(yīng)的措施,對(duì)大的離子，沿溝道軸向(110)偏離7－10o用Si，Ge，F(xiàn)，Ar等離子注入使表面預(yù)非晶化，形成非晶層（Pre-amorphization）增加注入劑量（晶格損失增加，非晶層形成，溝道離子減少）表面用SiO2層掩膜,11/37,12/37,EOR damage,,,Courtesy Ann-Chatrin Li

6、ndberg (March 2002).,13/37,晶格損傷：高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列碰撞，可能使靶原子發(fā)生位移，被位移原子還可能把能量依次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的空位－間隙原子對(duì)及其它類型晶格無(wú)序的分布。這種因?yàn)殡x子注入所引起的簡(jiǎn)單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。,什么是注入損傷,(Si)Si?SiI + SiV,14/37,損傷的產(chǎn)生,移位原子：因碰撞而離開(kāi)晶格位置的原子。移位閾能Ed：使一個(gè)處于平衡位置的原子發(fā)生

7、移位，所需的最小能量. (對(duì)于硅原子, Ed?15eV) E2Ed 級(jí)聯(lián)碰撞注入離子通過(guò)碰撞把能量傳給靶原子核及其電子的過(guò)程，稱為能量傳遞過(guò)程,15/37,損傷區(qū)的分布,重離子每次碰撞傳輸給靶的能量較大，散射角小，獲得大能量的位移原子還可使許多原子移位。注入離子的能量損失以核碰撞為主。同時(shí)，射程較短，在小體積內(nèi)有較大損傷。重離子注入所造成的損傷區(qū)域小，損傷密度大。,質(zhì)量較靶原子輕的離子傳給靶原子能量較小，被散射角度較大，只能產(chǎn)

8、生數(shù)量較少的位移靶原子，因此，注入離子運(yùn)動(dòng)方向的變化大，產(chǎn)生的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較大。呈鋸齒狀。,16/37,離子注入損傷估計(jì),100KeV B離子注入損傷初始核能量損失：30eV/nm, 硅晶面間距: 0.25nm, 每穿過(guò)一個(gè)晶面能量損失: 30eV/nm X 0.25nm=7.5eV <Ed (15eV). 當(dāng)能量降到50KeV,穿過(guò)一個(gè)晶面能量損失為15eV, 該能量所對(duì)應(yīng)的射程為: 150nm. 位移原子

9、數(shù)為: 150/0.25=600, 如果移位距離為: 2.5nm, 那么損傷體積: ?(2.5)2 X150=3X10-18cm3. 損傷密度: 2X1020 cm-3, 大約是原子密度0.4%.100KeV As離子注入損傷平均核能量損失：1320eV/nm,損傷密度: 5X1021 cm-3, 大約是原子密度10%, 該數(shù)值為達(dá)到晶格無(wú)序所需的臨界劑量, 即非晶閾值.,17/37,18/37,非晶化（Amorphizati

10、on）,注入離子引起的晶格損傷有可能使晶體結(jié)構(gòu)完全破壞變?yōu)闊o(wú)序的非晶區(qū)。與注入劑量的關(guān)系注入劑量越大，晶格損傷越嚴(yán)重。臨界劑量：使晶格完全無(wú)序的劑量。臨界劑量和注入離子的質(zhì)量有關(guān),19/37,損傷退火 （Damage Annealing）,被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位置，對(duì)載流子的輸運(yùn)沒(méi)有貢獻(xiàn)；而且也造成大量損傷。注入后的半導(dǎo)體材料： 雜質(zhì)處于間隙 n<<ND；p<<NA 晶格

11、損傷，遷移率下降；少子壽命下降 熱退火后：n? ? n=ND (p=NA) ?? ? ?bulk ? ? ? ?0,20/37,損傷退火的目的,恢復(fù)晶格——去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復(fù)其原有完美晶體結(jié)構(gòu)激活雜質(zhì)——讓雜質(zhì)進(jìn)入電活性（electrically active） 位置－替位位置。電性能還原——恢復(fù)載流子遷移率和少子壽命注意：退火過(guò)程中應(yīng)避免大幅度的雜質(zhì)再分布,

12、,21/37,22/37,損傷恢復(fù)機(jī)制（Damage Recovery Mechanism）,Annihilation: recombination,SiI + SiV ? (Si)Si,Monte Carlo模擬的 I-V 復(fù)合結(jié)果：短時(shí)間內(nèi)（10-2秒）800 ?C 下，體內(nèi)的 V 在表面復(fù)合迅速完成，產(chǎn)生剩余的 I ，其表面復(fù)合相對(duì)較緩慢。在400 ?C以上，這些 I 可接合入{311}面形成棒/帶狀缺陷，并可以穩(wěn)定較長(zhǎng)時(shí)間。,

13、Frenkel I-V pairs,23/37,該{311}缺陷帶在較高溫度下（800～1000 ?C）即可退火修復(fù)，但是釋放出大量填隙原子I。損傷小于臨界值，這些{311}缺陷可以完全分解，回復(fù)完美晶體。損傷高于臨界值，則{311}缺陷可能變成穩(wěn)定的位錯(cuò)環(huán)，該位錯(cuò)環(huán)位于EOR，并難以去除。,24/37,常規(guī)熱退火 一定溫度下，通常在Ar、N2或真空條件下退火溫度取決于注入劑量及非晶層的消除。修復(fù)晶格：退火溫度600

14、oC以上，時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)小時(shí)雜質(zhì)激活：退火溫度650－900 oC，時(shí)間10－30分鐘 * 方法簡(jiǎn)單 * 不能全部消除缺陷 * 對(duì)高劑量注入激活率不夠高 * 雜質(zhì)再分布,25/37,26/37,。高功率激光束輻照。電子束 。高強(qiáng)度的光照 。其它輻射 RTP主要優(yōu)點(diǎn)是摻雜

15、的再分布大大降低，對(duì)制備淺結(jié)器件特別有利,b）快速熱退火， Rapid Thermal Processing（RTP）,27/37,28/37,29/37,30/37,31/37,離子注入在集成電路中的應(yīng)用,32/37,二、雙極型制造（Bipolar fabrication）。高能注入形成埋層。LOCOS下方的p-n結(jié)隔離。形成基區(qū)注入。砷注入多晶硅發(fā)射區(qū) 。多晶電阻,33/37,三、其它應(yīng)用硅襯底背面損傷形成吸雜區(qū)

16、 Backside Damage Layer Formation for Gettering形成SOI結(jié)構(gòu) Silicon-On-Insulator Using Oxygen or Hydrogen Implantation,34/37,35/37,36/37,本節(jié)課主要內(nèi)容,什么是離子注入損傷？退火的目的是什么？什么是RTP？,產(chǎn)生大量空位－間隙對(duì)，直至非晶化?；謴?fù)晶格，激活