集成电路工艺基础培训教学课件(52张).ppt

Chap 4 离子注入
离子注入
离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程，注入能量介于1KeV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm～10um。离子剂量变动范围，从用于阈值电压调整的1012/cm2到形成绝缘埋碰到晶格而长驱直入………
效果：在不应该存在杂质的深度发现杂质——多出了一个峰！
射程分布与注入方向的关系
怎么解决？？？
倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入方向，典型值为7°。
先重轰击晶格表面，形成无定型层
表面长二氧化硅薄层
怎么解决？？？
浅结的形成
为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器件的短沟效应，要求减小CMOS的源/漏结的结深
形成硼的浅结较困难，目前采用的方法：
硼质量较轻，投影射程深，故采用BF2分子注入法
F的电活性、B的扩散系数高
B被偏转进入主晶轴的几率大
降低注入离子的能量形成浅结
低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差。
预先非晶化
注B之前，先用重离子高剂量注入，使硅表面变为非晶的表面层。
注入后发生了什么………
晶格损伤和无定型层
靶原子在碰撞过程中，获得能量，离开晶格位置，进入间隙，形成间隙－空位缺陷对；
脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可使得被碰靶原子脱离晶格位置。
缺陷的存在使得半导体中载流子的迁移率下降，少子寿命缩短，影响器件性能。
杂质未激活
在注入的离子中，只有少量的离子处在电激活的晶格位置。
注入损伤
级联碰撞？
简单晶格损伤
孤立的点缺陷或缺陷群（注入离子每次传递给硅原子的能量约等于移位阈能）
局部的非晶区域（单位体积的移位原子数目接近半导体的原子密度）
非晶层
注入离子引起损伤的积累
轻离子注入
重离子注入
非晶层的形成
注入后需要做什么……
退火：
定义：
又叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火
作用
激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用
消除损伤
注入后需要做什么……
退火：
退火方式：
炉退火
快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)
注入后需要做什么……
退火：
原理
高温下，原子振动能↑，移动能力↑，可使复杂损伤分解为简单缺陷（如空位、间隙原子等），简单缺陷以较高的迁移率移动，复合后缺陷消失。
高温下，非晶区域损伤恢复发生在损伤区与结晶区的交界面，即由单晶区向非晶区通过固相外延或液相外延而使整个非晶区得到恢复。
硼的退火特性
低剂量（8×1012/cm2）
电激活比例随温度上升而增加
高剂量（1014/cm2和1015/cm2）
退火温度可以分为三个区域
500℃以下，电激活比例又随温度上升而增加
500～600℃范围内，出现逆退火特性
晶格损伤解离而释放出大量的间隙Si原子，这些间隙Si原子与替位B原子接近时，可以相互换位，使得B原子进入晶格间隙，激活率下降。
600℃以上，电激活比例又随温度上升而增加
电激活比例
虚线表示的是注入损伤区还没有变成非晶区的退火特性（剂量从3×1012/cm2增加到3×1014/cm2）
电激活比例随温度上升而增加。
剂量升高时，退火温度相应升高，才能消除更为复杂的无规则损伤。
实线表示的是非晶区的退火特性（剂量大于1015/cm2），退火温度降低为600 ℃左右
非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程相联系
在再生长过程中，Ⅴ族原子实际上与硅原子难以区分，它们在再结晶的过程当中，作为替位原子被结合在晶格位置上。所以在相对很低的温度下，杂质可被完全激活。
磷的退火特性
电激活比例
热退火过程中的扩散效应
热退火的温度与热扩散的温度相比，要低得多。但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度下，杂质扩散也是非常显著的。
这是因为离子注入所造成的晶格损伤，使硅内的空位密度比热平衡时晶体中的空位密度要大得多。
离子注入也是晶体内存在大量的间隙原子和多种缺陷，这些都会使得扩散系数增加，扩散效应增强。
热退火中的扩散称为增强扩散。
热退火过程中的扩散效应
注入杂质经退火后在靶内的分布仍然是高斯分布
标准偏差需要修正
扩散系数明显增加
热退火过程中的扩散效应
高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数衰减的拖尾
快速热退火（RTA）
传统热退火的缺点
不能完全消除缺陷，产生二次缺陷
高剂量注入时的电激活率不够高
高温长时间热退火会导致明显的杂质再分布
快速退火（Rapid Thermal Annealing）技术
在氮气或惰性气体的气氛下，极短的时间内，把晶片温度提高到1000℃ 以上。
快速热退火（RTA）