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离子注入集成电路工艺之MaterialsDesignMasksICFabTestPackagingFinalTestThermalProcessesPhoto-lithographyEtchPRstripImplantPRstripMetalizationCMPDielectricdepositionWafersIC制造流程内容（1）离子注入与扩散掺杂（2）注入离子的微观运动过程（3）离子路径和浓度分布（4）相关效应（5）晶格损伤和修复（6）离子注入机系统介绍（7）离子注入的典型应用举例半导体掺杂•两种基本掺杂方法–扩散掺杂–离子注入掺杂扩散掺杂•最先被采用的半导体掺杂技术•是早期集成电路制造中最重要的技术之一，高温炉通称为“扩散炉”。•需在高温炉中进行•需使用二氧化硅作掩膜•无法独立控制结深和浓度•各向同性•杂质剂量控制精度较差。自1970年中期开始离子注入技术被广泛采用。扩散技术目前主要应用于杂质的推进，以及用于形成超浅结（仍处于研发中）。扩散掺杂离子注入掺杂•基本过程：使待掺杂原子（分子）电离；离子在电场中被加速；高速离子射入到半导体中；退火激活杂质。•发展历史：1954年肖克莱首先提出并申请了专利。1955年英国人W.D.Gussins用硼离子轰击Ge晶片，在n型材料上形成p型层，但当时对p-n结形成机理不很清楚，所以这一新技术没有得到人们重视。随着原子能技术的发展，对于离子束对物质轰击效果的研究，强离子束设备的出现，为离子注入的发展奠定了基础。同时，半导体器件工艺需要进一步提高，寻求一种新的掺杂方法，于是在六十年代，离子注入技术又重新兴起。1961年第一个实用的离子注入器件问世；1963年在Si中注入高浓度铯离子形成p-n；1968年离子注入变容二极管，及MOS晶体管；1973年第一台商用离子注入机问世；1973年以后，更深入的了解和更广泛的应用；1980年后，大多数工艺技术已经全部采用离子注入；目前离子注入技术已成为特大规模集成电路制作中不可缺少的掺杂工艺。发展历史（续）：离子注入优点：1.离子由质量分析器提纯，纯度高，不受源纯度的影响。注入过程在高真空下进行，避免了污染。2.掺杂不受杂质在衬底的固溶度限制。对各种元素都可掺杂，使掺杂更为灵活。3.衬底无需加热，可用光刻胶掩蔽，为自对准掩蔽技术提供了更多灵活性，这是扩散无法相比的。另外，衬底温度低，故离子注入时不改变内部原杂质分布。4.横向效应小，有利于提高集成度。离子注入优点（续）：5.能独立控制结深（通过调节离子能量）和掺杂剂量（通过调节离子电流乘以注入时间）。采用多重注入，可获得各种掺杂分布。6.可精确控制注入到硅中掺杂剂量。1011～1017cm-2范围，均匀性±1%，而对于高浓度扩散只有±5%～±10%，低浓度扩散均匀性更差。7.可调节MOS器件阈值电压（透过SiO2注入）。8.可实现化合物半导体掺杂。（化合物半导体高温处理时组分会发生变化，采用离子注入可使之不分解）离子注入的缺点：1．入射离子对晶格有损伤（需要消除，但某些情况是无法完全消除的）。2．很浅和很深的注入分布无法实现。（沟道效应，要有一个角度注入）3．高剂量注入时，离子注入的产率受限制（尤其是与同时运行200片硅片的扩散工艺相比）。4．设备昂贵（一台最新系统超过2百万美金）。栅未对准栅氧n-Sin-Sip+S/Dp+S/D金属栅金属栅对准未对准离子注入，磷多晶硅n+P-型硅n+SiO2P+注入和扩散比较PRSiO2SiSi离子注入扩散掺杂区结深注入和扩散比较扩散离子注入高温，硬掩膜低温，光刻掩膜各向同性杂质分布各向异性杂质分布不能同时控制杂质浓度和结深能同时控制杂质浓度和结深批处理工艺既有批处理也有单片工艺内容（1）离子注入与扩散掺杂（2）注入离子的微观运动过程（3）离子路径和浓度分布（4）相关效应（5）晶格损伤和修复（6）离子注入机系统介绍（7）离子注入的典型应用举例注入离子的微观运动过程•离子射入衬底•与晶格碰撞•逐渐失去能量最后停止停止机制：原子核阻挡和电子阻挡在集成电路制造中注入离子能量一般几十到几百keV，这样的能量既要考虑注入离子与靶内原子核的作用，也要考虑与自由电子和束缚电子的作用。•核碰撞：注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。•特点：①散射角大。②可能产生缺陷两者质量为同一数量级，每次碰撞会有较大角度的散射，并失去一定能量，靶原子也获得能量;如果能量大于束缚能，会离开原来晶格位置，进入晶格间隙，并留下一个空位，形成缺陷。阻挡机制原子核阻挡：阻挡机制（续）电子阻挡：•注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞。•特点：①形成电子、空穴对。②能量损失小，运动方向基本不变。碰撞能形成电子一空穴对。由于两者质量相差大，每次碰撞注入离子能量损失小，而且散射角度也小，注入离子运动方向基本不变。阻挡机制（续）•总的损失能量为：Etotal=En+Ee•En:原子核阻挡能,Ee:电子阻挡能•低能离子注入：主要是原子核阻挡•高能离子注入：电子阻挡更重要1963年，林华德、沙夫、希奥特提出了注入离子分布理论——简称LSS理论，该理论与实际结果符合较好。LSS理论认为离子在靶内能量损失可分为两个彼此独立的过程。•为描述离子在靶内能量损失的具体情况，引入核阻止本领和电子阻止本领•一个注入离子在运动路程上任一点x处的能量为E，则可定义：核阻止本领：电子阻止本领：nndxdEES⎟⎠⎞⎜⎝⎛≡)(eedxdEES⎟⎠⎞⎜⎝⎛≡)(•单位距离离子损失能量：•如已知Sn(E)和Se(E)，可对上式积分，便求出注入离子在靶内运动的总路程R。E0：注入离子起始能量。Sn(E)+Se(E)=F（物理意义：所受的摩擦力）。[])()(ESESdxdEen+=−∫∫+=+−=0000)()()()(EenEenESESdEESESdER核阻止模型：（1）机械弹性碰撞近似动量守恒：Pi+Pt=P0。Pi、Pt为入射球和靶球的最终动量，P0为入射球最初动量。角动量守恒：Li+Lt=L0=P0p，p碰撞参数。能量守恒:Pi2/2M1+Pt2/2M2=P02/2M1θϕM1V1M1U1M2U2pp=0时，正面碰撞，能量传输最大，表示为TM。022121222)(421EMMMMUMTM+==（2）库仑散射效应•注入离子与裸原子核之间的库仑势能函数：V(c)=q2Z1Z2/4πε0r•引入电子屏蔽函数修正势能：V(r)=(q2Z1Z2/4πε0r)exp(-r/a)•a为屏蔽参数（与波尔半径a0同数量级）a=0.88a0/(Z11/3+Z21/3)1/2•r→0f(r/a)→1,r→∞f(r/a)→0)2)((sin)(4)(2022121pEMMMMpTMθ+=计入库仑势散射，碰撞能量转换为：∫==σTddxdESnuclearn)(由T积分可求出核阻止本领：原子核阻止本领通常可近似为一常数（与E0无关）：2112/13/223/2121150)(108.2MMMZZZZSn++×=电子阻止模型:在LSS理论中，把固体中的电子看成是自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气体的阻力。电子阻止本领Se(E)同注入离子的速度成正比：Se(E)＝CV＝ke(E)1/2V为注入离子速度，ke为常数，与离子和靶的原子序数、质量是弱相关讨论：①Se=Sn0的离子能量Ec（阈值能量）令Se=Sn0，有Ec1/2=Sn0/ke注意：Ec的单位为eV对于硅靶：使用无定形硅的kSi，Z2＝14，M2＝28当硼为入射离子(Z1=5,M1=11)：Ec～10keV当磷为入射离子(Z1=15,M1=31)：Ec～200keV。②当入射能量E0Ec核阻止为主:-dE/dx≈Sn0对于重离子，当E0Ec时，符合很好，如Ge、As误差小于10%，但轻离子B、C、N比实际高出一倍）∫∫+==000)()(EenRESESdEdxR(Å)010121213/1k7.0EEMMMZZZR=+×=③E0Ec电子阻止占主导R≈k2E01/2(Å)④注入损伤发生在SnSe的范围。低能注入：损伤可在整个弹道上发生高能注入：损伤发生在弹道之末核阻止和电子阻止本领随注入能量的关系EcforAsEcforPEcforB•1.低能区：核阻止占主导，电子阻止可忽略•2.中能区：同时考虑核阻止和电子阻止•3.高能区：电子阻止占主导，核阻止可忽略（超出半导体应用范围，为核物理范畴）Sn0内容（1）离子注入与扩散掺杂（2）注入离子的微观运动过程（3）离子路径和浓度分布（4）相关效应（5）晶格损伤和修复（6）离子注入机系统介绍（7）离子注入的典型应用举例进入靶的离子不断通过碰撞损失能量，最后停止在某一位置。但碰撞是随机的，离子的轨迹有随机性。单离子路程有随机性，但大量注入离子将服从一定的分布规律。离子路程和投影射程离子束投影射程离子路程碰撞真空衬底RRpR：入射离子的平均路程，离子路程Rp：R在入射方向的投影射程投影射程和标准偏差Rp即为杂质浓度峰值位置至表面的距离。ΔRp为Rp的标准偏差。到表面距离Xln(浓度)投影射程衬底表面Rp∆RpCp0.61CpC121MbMRRp+=ppRMMMMR212/121)(32+≈Δ∫+=00)()(EenESESdER≈k1E0forE0Ec≈k2E01/2forE0EcRpΔRp注入离子浓度分布可采用高斯分布近似，类似于有限表面源扩散的分布：描述杂质离子浓度分布的若干参数的定义按照高斯分布方程：①x=Rp时，C(x)出现最大值单位面积注入离子总数（注入剂量）所以即Cp与注入剂量Φ成正比。)2)(exp()(22pppRRxCxCΔ−−=ppRCdxxCΔ==Φ∫∞π2)(0pppRRCΔΦ≈ΔΦ=4.02π②投影射程两边注入离子浓度对称下降，离开Rp越远,下降越快。•在x=Rp±2ΔRp处，C/Cp≈1/10•在x=Rp±3ΔRp处，C/Cp≈1/100③结深的计算令CB＝C(xj))2)(exp(22ppjpRRxCΔ−−=得：xj=Rp±ΔRp[2ln(Cp/CB)]1/2对浅注入，xj一个值；对深注入，xj可能存在两个值。描述杂质分布可选的近似方法分子离子注入注入掩膜层厚度的确定阻挡住200keV离子束需要的阻挡层厚度0.000.200.400.600.801.001.20SiSiO2Si3N4Al掩膜厚度(micron)SbAsPBPR离子注入内容（1）离子注入与扩散掺杂（2）注入离子的微观运动过程（3）离子路径和浓度分布（4）相关效应（5）晶格损伤和修复（6）离子注入机系统介绍（7）离子注入的典型应用举例掩膜层掩膜层注入横向离散效应横向效应是指注入离子在注入窗口边缘以外产生一定的分布。横向效应对小尺寸MOS器件性能有重要影响。横向离散不但与离子种类有关，也与离子能量有关。由LSS理论计算的B、P、As的横向离散的标准误差ΔRt。轻离子的横向分布效应大于重离子，但都比扩散小•扩散：比值0.75～0.85•注入：B为0.5所以短沟道MOS必须采用离子注入技术能量keV注入沟道效应•如果入射角巧合，某些离子在与晶格原子碰撞以前可以运行很长一段距离。•它导致杂质分布不易控制。A、B极少碰撞，C正常随机碰撞沟道效应与阻止机制随机碰撞(S=Sn+Se)沟道效应(S≈Se)背散射(S≈Sn)离子问题•为什么不利用沟道相应生成深结而无需求助高能离子？•离子束并不是完全平行的。很多离子在入射到衬底后就会与晶格发生多次原子核碰撞。有些离子可以通过沟道深入衬底，而其它多数离子还是会按高斯分布停下来。•沟道效应对注入倾向角度太敏感，故难以控制。避免沟道效应的三种方法使用掩蔽膜硅片倾斜,7°倾角预非晶化注锗掩蔽膜注入时的Recoil效应沿110方向,偏离11010度硅片倾斜的效果倾斜注入的阴影效应多晶硅衬底掺杂区阴影区离子束倾斜注入的阴影效应多晶硅衬底掺杂区阴影区离子束内容（1）离子注入与扩散掺杂（2）注入离子的微观运动过程（3）离子路径和浓度分布（4）相关效应（5）晶格损伤和修复（6）离子注入机系统介绍（7）离子注