集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)1/37集成电路工艺原理集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)2/37大纲大纲 第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶体生长晶体生长第第三章三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 热氧化热氧化第六章第六章 热扩散热扩散第七章第七章 离子注入离子注入第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积第九章第九章 刻蚀刻蚀第十章第十章 后端工艺与集成后端工艺与集成第十一章第十一章 未来趋势与挑战未来趋势与挑战集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)3/37上节课主要内容上节课主要内容LSS理论？阻止能力的含义？理论？阻止能力的含义？离子注入的杂质分布？退火后？离子注入的杂质分布？退火后？离子注入的主要特点？离子注入的主要特点？掩蔽膜的厚度？掩蔽膜的厚度？精确控制掺杂，浅结、精确控制掺杂，浅结、浅掺杂，纯度高，低温，浅掺杂，纯度高，低温，多种掩模，多种掩模，非晶靶。能量损失为两个彼非晶靶。能量损失为两个彼此独立的过程此独立的过程(1) 核阻止与核阻止与(2) 电子阻止之和。电子阻止之和。能量为能量为E的入的入射粒子在密度为射粒子在密度为N的靶内走过的靶内走过x距离后损失的能量。距离后损失的能量。掩膜层能完全阻挡离子的条件：掩膜层能完全阻挡离子的条件：集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)4/37总阻止本领（总阻止本领（Total stopping power）v核阻止本领在低能量下起主要作用（核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端注入分布的尾端）v电子阻止本领在高能量下起主要作用电子阻止本领在高能量下起主要作用核阻止和电核阻止和电子阻止相等子阻止相等的能量的能量集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)5/37离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应沟道效应（沟道效应（Channeling effect）当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远。变，可以走得很远。集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)6/37110111100倾斜旋转硅片后的无序方向倾斜旋转硅片后的无序方向集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)7/37浓度分布浓度分布 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离LSS理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的当长的“尾巴尾巴”产生非晶化的剂量产生非晶化的剂量沿沿的沟道效应的沟道效应集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)8/37表面非晶层对于沟道效应的作用表面非晶层对于沟道效应的作用Boron implantinto SiO2Boron implantinto Si集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)9/37B质量比质量比As轻，当以约轻，当以约7 角度进行离子注入硅衬底时，角度进行离子注入硅衬底时， B的尾区更大。因为：的尾区更大。因为：沟道效应：当沟道效应：当离子沿晶轴方向注入离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道时，大部分离子将沿沟道运动，几乎不会受到原子核的运动，几乎不会受到原子核的散射散射，方向基本不变，可以走，方向基本不变，可以走得很远（很深）。得很远（很深）。倾斜角度注入倾斜角度注入表层非晶化：预非晶化，大剂量注入，表层非晶化：预非晶化，大剂量注入，非晶非晶SiO2膜膜1）B碰撞后传递给硅的能量小，难以形成非晶层碰撞后传递给硅的能量小，难以形成非晶层2）B的散射大，容易进入沟道。的散射大，容易进入沟道。非晶非晶集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)10/37减少沟道效应的措施减少沟道效应的措施v 对大的离子，沿沟道轴向对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离偏离710ov用用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层形成非晶层（Pre-amorphization）v增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）沟道离子减少）v表面用表面用SiO2层掩膜层掩膜集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)11/37表面处晶格表面处晶格损伤较小损伤较小射程终点（射程终点（EOR）处晶格损伤大处晶格损伤大集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)12/37EOR damageCourtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002).集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)13/37晶格损伤：晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰碰撞撞，可能使靶原子发生，可能使靶原子发生位移位移，被位移原子还可能把能量依，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的次传给其它原子，结果产生一系列的空位间隙原子对空位间隙原子对及及其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。什么是注入损伤什么是注入损伤(Si)SiSiI + SiV集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)14/37损伤的产生移位原子移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。：因碰撞而离开晶格位置的原子。移位阈能移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量的最小能量. (对于硅原子对于硅原子, Ed 15eV) EEd 无位移原子 EdE2Ed 级联碰撞注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程，注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程，称为称为能量传递过程能量传递过程集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)15/37损伤区的分布损伤区的分布重离子每次碰撞传输给靶的能量较重离子每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，获得大能量的位移大，散射角小，获得大能量的位移原子还可使许多原子移位。注入离原子还可使许多原子移位。注入离子的能量损失以核碰撞为主。同时，子的能量损失以核碰撞为主。同时，射程较短，在小体积内有较大损伤。射程较短，在小体积内有较大损伤。重离子注入所造成的损伤区域小，重离子注入所造成的损伤区域小，损伤密度大。损伤密度大。质量较靶原子轻的离子传给靶原子质量较靶原子轻的离子传给靶原子能量较小，被散射角度较大，只能能量较小，被散射角度较大，只能产生数量较少的位移靶原子，因此，产生数量较少的位移靶原子，因此，注入离子运动方向的变化大，产生注入离子运动方向的变化大，产生的损伤密度小，不重叠，但区域较的损伤密度小，不重叠，但区域较大。呈锯齿状。大。呈锯齿状。集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)16/37离子注入损伤估计离子注入损伤估计100KeV B离子注入损伤离子注入损伤初始核能量损失：初始核能量损失：30eV/nm, 硅晶面间距硅晶面间距: 0.25nm, 每穿过一个晶面每穿过一个晶面能量损失能量损失: 30eV/nm X 0.25nm=7.5eV Ed (15eV). 当能量降到当能量降到50KeV,穿过一个晶面能量损失为穿过一个晶面能量损失为15eV, 该能量所对应的射程为该能量所对应的射程为: 150nm. 位位移原子数为移原子数为: 150/0.25=600, 如果移位距离为如果移位距离为: 2.5nm, 那么损伤体积那么损伤体积: (2.5)2 X150=3X10-18cm3. 损伤密度损伤密度: 2X1020 cm-3, 大约是原子密度大约是原子密度0.4%.100KeV As离子注入损伤离子注入损伤平均核能量损失：平均核能量损失：1320eV/nm,损伤密度损伤密度: 5X1021 cm-3, 大约是原子密大约是原子密度度10%, 该数值为达到晶格无序所需的临界剂量该数值为达到晶格无序所需的临界剂量, 即非晶阈值即非晶阈值.集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)17/37集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)18/37非晶化（非晶化（Amorphization）q注入离子引起的晶格损伤注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完全破有可能使晶体结构完全破坏变为无序的非晶区。坏变为无序的非晶区。q与注入剂量的关系与注入剂量的关系注入剂量越大，晶格损注入剂量越大，晶格损伤越严重。伤越严重。临界剂量：使晶格完全临界剂量：使晶格完全无序的剂量。无序的剂量。临界剂量和注入离子的临界剂量和注入离子的质量有关质量有关集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)19/37损伤退火损伤退火 （Damage Annealing）q被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。q注入后的半导体材料：注入后的半导体材料： 杂质处于间隙杂质处于间隙 nND；pNA 晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降 热退火后：热退火后：n n=ND (p=NA) bulk 0集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)20/37损伤退火的目的损伤退火的目的q恢复晶格恢复晶格去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构q激活杂质激活杂质让杂质进入电活性（让杂质进入电活性（electrically active） 位置位置替位位置替位位置。q电性能还原电性能还原恢复载流子迁移率和少子寿命恢复载流子迁移率和少子寿命注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)21/37集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)22/37损伤恢复机制损伤恢复机制（Damage Recovery Mechanism）Annihilation: recombinationSiI + SiV (Si)SiMonte Carlo模拟的模拟的 I-V 复合结复合结果：短时间内（果：短时间内（10-2秒）秒）800 C 下，体内的下，体内的 V 在表面复合迅速在表面复合迅速完成，产生剩余的完成，产生剩余的 I ，其表面，其表面复合相对较缓慢。在复合相对较缓慢。在400 C以以上，这些上，这些 I 可接合入可接合入311面形面形成棒成棒/带状缺陷，并可以稳定较带状缺陷，并可以稳定较长时间。长时间。Frenkel I-V pairs集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)23/37该该311缺陷带在较高温度下（缺陷带在较高温度下（8001000 C）即可退）即可退火修复，但是释放出大量填隙原子火修复，但是释放出大量填隙原子I。损伤小于临界值，这些损伤小于临界值，这些311缺陷可以完全分解，回复缺陷可以完全分解，回复完美晶体。完美晶体。损伤高于临界值，则损伤高于临界值，则311缺陷可能变成稳定的位错环，缺陷可能变成稳定的位错环，该位错环位于该位错环位于EOR，并难以去除。，并难以去除。TED漏电流大漏电流大集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)24/37a)常规热退火常规热退火 一定温度下，通常在一定温度下，通常在Ar、N2或真空条件下或真空条件下退火温度退火温度取决于注入剂量及非晶层的消除取决于注入剂量及非晶层的消除。修复晶格：退火温度修复晶格：退火温度600 oC以上，时间最长可达数小时以上，时间最长可达数小时杂质激活：退火温度杂质激活：退火温度650900 oC，时间，时间1030分钟分钟 * 方法简单方法简单 * 不能全部消除缺陷不能全部消除缺陷 * 对高剂量注入激活率不够高对高剂量注入激活率不够高 * 杂质再分布杂质再分布集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)25/37集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)26/37。高功率激光束辐照高功率激光束辐照。电子束。电子束 。高强度的光照。高强度的光照 。其它辐射。其它辐射 RTP主要优点是掺杂的再分布大大降低，主要优点是掺杂的再分布大大降低，对制备浅结器件特别有利对制备浅结器件特别有利b）快速热退火，）快速热退火， Rapid Thermal Processing（RTP）集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)27/37集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)28/37集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)29/37集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)30/37集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)31/37离子注入在集成电路中的应用离子注入在集成电路中的应用一、一、CMOS制造制造9-10 different I/Iidentified !集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)32/37二、双极型制造（二、双极型制造（Bipolar fabrication）。高能注入形成埋层。高能注入形成埋层。LOCOS下方的下方的p-n结隔离结隔离。形成基区注入。形成基区注入。砷注入多晶硅发射区。砷注入多晶硅发射区 。多晶电阻。多晶电阻集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)33/37三、其它应用三、其它应用硅衬底背面损伤形成吸杂区硅衬底背面损伤形成吸杂区 Backside Damage Layer Formation for Gettering形成形成SOI结构结构 Silicon-On-Insulator Using Oxygen or Hydrogen Implantation集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)34/37集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)35/37集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)36/37本节课主要内容本节课主要内容什么是离子注入损伤？什么是离子注入损伤？退火的目的是什么？什退火的目的是什么？什么是么是RTP？产生大量空位间隙对，直至产生大量空位间隙对，直至非晶化。恢复晶格，激活杂质，非晶化。恢复晶格，激活杂质，恢复载流子迁移率和少子寿命。恢复载流子迁移率和少子寿命。快速热退火，热扩散小，制作快速热退火，热扩散小，制作浅结。浅结。集成电路工艺原理INFO130024.02第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (下下)37/37离子注入小结：离子注入小结：(1) 注入离子在靶内的纵向浓度分布注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式可近似取高斯函数形式(2) 在平均投影射程在平均投影射程 x=Rp 处有一最高处有一最高浓度，最大浓度与注入剂量关系浓度，最大浓度与注入剂量关系(3) 平均投影射程两边，注入离子浓平均投影射程两边，注入离子浓度对称地下降。离平均投影射程越度对称地下降。离平均投影射程越远，浓度越低。远，浓度越低。