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微电子工艺原理与技术 李 金 华1.第二篇 单项工艺1 1华山风光2.第四章 离子注入3.主要内容1.1.什么是离子注入？2.2.离子注入机的结构原理；3.3.注入离子与衬底原子的相互作用；4.4.垂直投影射程及标准偏差；5.5.注入损伤及退火恢复；6.6.离子注入浅结的形成；7.7.SOISOI埋成的离子注入合成；8.8.问题和关注点-沾污和均匀性；9.9.理论模拟。4.1.1.什么是离子注入？离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，这一现象就叫做离子注入。离子注入可分为半导体离子注入（掺杂）、材料改性注入（金属离子注入）和新材料合成注入。5.离子注入工艺的特点1.1.低温工艺2.2.注入剂量可精确控制3.3.注入深度可控4.4.4.4.不受固溶度限制5.5.5.5.半导体掺杂注入需要退火以激 活杂质和消除损伤6.6.6.6.材料改性注入可不退火引入亚稳态获得特殊性能7.7.7.7.无公害技术8.8.8.8.可完成各种复合掺杂6.离子注入的应用1.P阱或N阱注入 10E12/cm22.阈值调整注入 10E11/cm23.场注入 10E12/cm24.源漏注入 10E15/cm25.隔离注入 10E15/cm26.基区注入 10E12/cm27.发射、收集区注入 10E15/cm28.智能剥离氢注入 10E16/cm29.材料改性注入 10E16/cm210.SOI埋层注入 10E17-10E18/cm27.2.2.离子注入机的结构原理离子注入机主要由以下几部分组成：1.离子源 在起弧室内产生等离子体2.2.离子吸出系统 从源内引出离子束3.3.磁分析系统 从引出离子束中偏析出所需注入束4.4.加速系统 对注入离子束加速获得所需能量5.5.聚焦、扫描、偏转系统 调控注入离子束66.法拉第电荷计量系统 测控注入离子剂量7.7.装片、注入、出片系统 完成离子注入工艺8.8.真空系统 使束通道达到10-3-10-5Pa的真空度9.9.冷却系统 对离子源、分析腔、注入靶等冷却8.先加速后分析注入机结构示意9.离子注入系统的原理示意图10.国产中束流离子注入机11.20-80KeV400-500W/hVll Sta 810XEr 中束流注入机12.Vll Sta 80HP 300mm 300mm 大束流注入机1-80KeV FOR 90nm IC process13.高能P P阱注入机2keV-900keV VIISta 900XP 高能注入机14.国产多功能离子改性注入机无分析器气体金属辅助溅射四种离子源15.全方位离子注入 16.离子源的种类1.1.潘宁源 在阴极-阳极间起弧电离源气分子，获得等离子体，适合小束流气体离子注入2.2.2.2.热灯丝源（FreemanFreeman源）靠灯丝发射电子激发等离子体，适合无氧气体离子的中小束流注入3.3.3.3.溅射源 对ArAr离子溅射出的金属离子起弧电离，获得等离子体，适合小束流高熔点金属离子注入4.4.4.4.蒸发源 对金属蒸汽起弧电离形成等离子体，适合低熔点金属离子注入5.5.5.5.MEVVAMEVVA源（金属蒸汽真空弧离子源）新型的强流金属离子源，适合材料改性的无分析注入 17.大束流离子源（160XP）中束流离子源（CF-3000）Varian 注入机离子源18.Eaton注入机 离子源大束流离子源（8-10mA）中束流离子源（NV-6200）19.蒸发离子源的结构20.磁分析器原理设吸出电压为V V，对电荷q q的正离子，能量为qV(eV)。经过磁场强度为B B、方向与离子运动方向垂直的分析腔，受到洛仑兹力qvB，该力使离子作圆周运动。有：可见，偏转半径r r与B B成反比，与m成正比。对固定的离子注入机，分析器半径r r和吸出电压固定，调节B B的大小（励磁电流）即可分析出不同荷质比的离子。21.BF3气源磁分析质谱22.注意：同一荷质比的离子有相同的偏转半径，磁分析器无法作出区分。要求源气有很高的纯度，尽量避免相同荷质比离子出现。如：N2+和Si+，N+和Si+，H2+和He+等。磁分析器的分辨率影响分辨率的还有：1.1.吸出前源内离子的能量分散 对几keVkeV的吸出电压，10eV10eV左右的分散度可以忽略。2.2.2.2.分析腔的出口宽度 分析腔的出口宽度实际上改变了出射离子的半径，从而改变了荷质比。23.对质量为m m的离子，偏转半径为R R，当质量为m+m+m m的离子，进入磁分析器后，离子束将产生的位移距离为：当D大于束的宽度加上出口狭缝的宽度，就称两种质量离子能分。通常采用 =90 磁铁，R在1m左右。R大、M小时分辨率高。24.离子束的加速和扫描 对先加速后分析系统，由于待分析离子的能量高，要求分析器有很大的半径。通常采用先分析后加速结构。加速系统使离子获得需要的注入能量。为了获得均匀的掺杂，常把注入束聚焦，并扫描，中、小束流离子注入机X和Y方向都采用电扫描，大束流注入机则采用混合扫描。大束流材料改性离子注入机采用无分析系统，吸出离子束不聚焦，面积很大（直径在150mm-200mm），没有扫描和偏转系统，采用靶台转动来提高均匀性。对全方位离子注入机，样品的周围全部由等离子体包围，适当转动样品使注入均匀性提高。25.全电扫描和混合扫描系统示意全电扫描混合扫描26.离子束的偏转 离子在注入到硅片前，一般需要作二次偏转，目的是：1.1.去除中性原子 在离子束的传输过程中，由于离子与残余气体分子的碰撞等原因，离子俘获电子成中性原子，以原来的高速度与离子一起运动。因为中性原子不带电，如果通过法拉第电荷测量系统注入硅片，将会使实际注入剂量超出设定剂量。所以为了保证注入剂量的正确，必须从注入束中去除中性原子。方法是在X X扫描板上加上固定的直流偏压，带电的离子束将向负电板方向偏转。一般将根据扫描板与法拉第筒的距离偏转角5-75-7。使中性束完全不能进入法拉第电荷测量系统。27.2.2.防止沟道效应 对单晶材料的轴沟道和面沟道，由于散射截面小，注入离子可以获得很深的穿透深度，称为沟道效应。为了尽可能避免沟道效应，离子束在注入硅片时必须偏离沟道方向约77。通常，这种偏转是用倾斜硅片来实现。沟道效应及避免方法离子束（100）Si 28.沟道效应示意29.沟道临界角，即理论上会产生沟道效应的最大角度：式中，E0 为注入能量，单位是keVkeV；Zi，Zt分别是注入离子和靶原子的核电荷数，d d为与注入方向一致的靶单晶的原子间距，单位为。除了转动靶片，还可以用事先生长氧化层或用SiSi、F F等离子预非晶化的方法来消除沟道效应。对大直径SiSi片，还用增大倾斜角的方法来保证中心和边缘都能满足大于临界角。沟道效应及避免方法30.硅中常用杂质的临界角上：（111）下：（100）31.3.3.离子与衬底原子的相互作用 注入离子与衬底原子的相互作用，决定了注入离子的分布、衬底的损伤。注入离子与靶原子的相互作用，主要有离子与电子的相互作用，称为电子阻止和离子与核的相互作用，称为核阻止。核阻止主要表现为库仑散射。电子阻止在每单位长度上的能量损失可表示为能量梯度，其中 ke 是与离子和靶物质有关的比例常数：Z Zi i和Z Zt t分别是注入离子和靶原子的核电荷数。32.库仑散射注入离子与靶原子核的相互作用，主要表现为库仑散射，b 为碰撞参数定义为不发生散射时两原子核接近的最小距离。利用靶离子加外电子模型处理库仑散射。符合动量守恒、能量守恒和角动量守恒。在质心坐标系中有：33.注入离子的能量损失为：可见，注入离子单次散射的能量损失与入射能量成正比，与散射角（离子质量和碰撞参数）有关。角动量守恒动量守恒能量守恒库仑散射的能量损失34.任何一次碰撞过程中的能量损失都是碰撞参数的敏感函数，碰撞参数b b越小，能量损失越大。能量损失也是离子质量与靶原子质量之比的函数，比值越小，每次碰撞损失的能量越大。另外，能量损失也是能量自身的函数，当入射离子能量很低时，碰撞一般不能破坏靶原子的化学键，离子只能发生弹性碰撞，改变离子的运动方向，不会损失很多能量。在同样能量下，靶原子质量越大，核阻止越大，靶原子质量越小电子阻止越大。核阻止使离子能量损失的最大值为：35.各种杂质注入SiSi的电子阻止和核阻止36.当Se Se 和SnSn已知，得到投影射程和标准偏差如下：实际上关于电子阻止和核阻止的经典模型有LSSLSS（Linhard，Scharff，Schictt）理论给出，相关的投影射程和标准偏差也用数值计算给出。该理论结果与实际测量值十分吻合。通常可用查表得到。4.4.平均投影射程及标准偏差37.注入离子分布 离子注入衬底后与衬底原子碰撞，能量不断损失，轨迹不断变化，但服从统计分布。作为注入离子分布的一次近似，注入离子随深度的分布为：式中，D D为注入剂量，x x为离表面的深度。38.平均投影射程及标准偏差深度x杂质浓度NRPNp 事实上，注入离子分布的一级近似为典型的高斯分布。平均投影射程R RP P 注入离子的最可几射程，代表了离子的平均注入深度，称为投影射程。在RP处浓度最高，为NP。用 RP 表示投影射程的标准偏差。从公式可见，RP 实际上是浓度为0.61NP的分布曲线半宽度。39.无定形靶中离子注入的高斯分布40.离子注入的平均投影射程41.SiSi中N N型杂质注入的R RP P和 R RP P42.Si中P型杂质注入的RP和 RP43.SiSi中其它杂质注入的R RP P和 R RP P44.GaAsGaAs中N N型杂质注入的R RP P和 R RP P45.GaAsGaAs中P P型杂质注入的R RP P和 R RP P46.SiOSiO2 2中离子的 R RP P和 R RP P47.AZ111AZ111光刻胶中离子的R RP P和 R RP P48.各种离子注入SiSi和SiOSiO2 2中的投影射程49.各种离子注入SiSi中的标准偏差50.SiSi3 3N N4 4中离子注入的投影射程51.SiSi3 3N N4 4中离子注入的标准偏差52.能屏蔽注入离子的掩摸厚度53.注入离子分布的高次矩 注入离子分布的高次矩有助于描述注入低浓度区的分布特点。分布的第i i次矩定义为：1.1.一次矩是归一化剂量；2.2.二次矩是剂量和 RP2 的乘积；3.3.三次矩表示了分布的非对称性，用偏斜度 表示，=m3/RP3，0 表示x RP侧的浓度增加。B+注入要用Pearson 型分布描述。54.4.四次矩与高斯峰值的畸变有关，畸变用峭度 表示：=m4/RP4 高斯分布的峭度为3，峭度越大，高斯曲线顶部越平。、可用蒙特卡罗模拟得到，也可测量实际分布曲线拟合得出。分布的高次矩a 高斯分布b 负偏斜度c 大陡度 55.5.5.注入损伤 离子注入衬底单晶与衬底原子作级联碰撞，产生大量的位移原子，注入时产生的空位、填隙原子等缺陷称为一次缺陷。在剂量达到一定数值后，衬底单晶非晶化，形成无定型结构。使衬底完全非晶化的注入剂量称为阈值剂量。不同衬底和不同的注入离子，在不同的能量、剂量率和不同温度下有不同的非晶剂量。轻原子的大、重原子的小；能量低大，能量高小；衬底温度低大，衬底温度高小。当衬底温度高于固相外延温度时，可以一直保持单晶。56.几种常用杂质对硅注入的临界剂量57.在合适的后续退火后，非晶层可以用固相外延的方式重新结晶。但在非晶层后的损伤区域，仍会留下一定的点缺陷或其它一次性无法消除的缺陷。在退火时形成的缺陷为二次缺陷，它主要为点缺陷团聚形成的扩展缺陷。所以，离子注入后的缺陷，在退火后，主要分布在离子射程的尾部。Si的固相外延温度在550C附近。B注入产生的填隙原子浓度大于2e16/cm2时才产生二次缺陷；P、Si 等的填隙原子浓度达到5e16/cm2产生二次缺陷，而重离子由于非晶化剂量很小，不易产生二次缺陷。而轻离子注入退火时产生的是孤立的二次缺陷，重离子能产生较大的扩展缺陷，中等重量离子注入产生的填隙原子被束缚在缺陷群中，不能聚合成大的扩展缺陷。58.离子注入损伤的RBS测量阴影区算出的填隙硅原子浓度7e16/cm7e16/cm2 2是注入剂量的3535倍a 200keV，2E15 B+/cm2 b 未注入59.退火和激活 退火的目的是激活掺杂原子和消除注入损伤。合适的退火工艺可以将注入杂质激活，将二次缺陷降低到最小，避免留下残余的扩展缺陷。常用的退火条件为：850850C1000C，3060分，N2气氛。可以用高温快速退火来提高激活效率，防止杂质的深扩散。例如用11001200C,10-30秒的退火可以较充分地激活注入Si中的B、P、As。60.注入硼的激活61.As注入Si的损伤分布62.P P注入SiSi中的退火激活63.6.6.浅结的离子注入制备 MOS器件的源漏结深随着器件沟道尺寸的减小必须降低。P型浅结的制备相当困难。原因是：1.B 的质量小，Rp和Rp大；2.B注入的沟道效应大；3.B 注入后的退火出现快速异常扩散，加大了结深。制备P型浅结的常用方法有：1.低能B注入；2.分子离子注入：用BF2+替代B+注入；3.Si预非晶注入后再注B+，降低沟道效应，结深降40；4.快速固相扩散；5.激光放电掺杂和等离子浸入掺杂。64.65.7.7.离子注入的工艺问题1.1.遮挡效应2.2.图形在园片倾斜或旋转角度注入时时产生的阴影区；2.2.大尺寸效应3.3.圆片尺寸增大使注入角在中心和边缘不同3.3.热效应4.4.大束流注入时产生的圆片升温问题4.4.颗粒遮蔽5.5.任何表面颗粒沉积都会因遮蔽造成掺杂失效，甚至造成器件失效66.5.5.沾污 包括重金属沾污和碳沾污，造成漏电和其它缺陷6.6.静电效应 在片上有大面积SiO2SiO2等介质时，注入使表面堆积静 电荷，电场将影响结深。67.68.69.8.SOI 的埋层氧注入Silicon On Insulater(SOI)1.注入元素 OSIMOX、N-SIMNI2.SOI 形成原理3.注入的O与Si在高温下合成SiO2埋层，表面在注入过程中始终保持单晶，高温退火使O凝聚，消除埋层中的Si岛和Si中的氧沉淀。4.3.注入条件 剂量：1.8e18/cm2=0.6e18/cm2x3 退火温度：13001350C，6小时 气氛 Ar+1%O270.71.10.理论模拟 可以用Trim 94 或 Suprem.3 软件模拟各种离子注入硅或其它单质、化合物衬底的平均投影射程、标准偏差、损伤分布等。72.作业：P121 1，2，4，673.