集成电路工艺原理 仇志军 zjqiu@fudan.edu.cn 邯郸校区物理楼435室

大纲 第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 后端工艺与集成 第十一章 未来趋势与挑战

上节课主要内容 精确控制掺杂，浅结、浅掺杂，纯度高，低温，多种掩模，… 离子注入的主要特点？ LSS理论？阻止能力的含义？ 离子注入的杂质分布？退火后？ 非晶靶。能量损失为两个彼此独立的过程(1) 核阻止与(2) 电子阻止之和。能量为E的入射粒子在密度为N的靶内走过x距离后损失的能量。 掩蔽膜的厚度？ 掩膜层能完全阻挡离子的条件：

总阻止本领（Total stopping power） 核阻止和电子阻止相等的能量 核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端） 电子阻止本领在高能量下起主要作用

离子注入的沟道效应 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。

110 111 100 倾斜旋转硅片后的无序方向

浓度分布 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当长的“尾巴” 沿<100>的沟道效应 产生非晶化的剂量 浓度分布 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当长的“尾巴”

表面非晶层对于沟道效应的作用 Boron implant into SiO2 Boron implant into Si

沟道效应：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，方向基本不变，可以走得很远（很深）。 倾斜角度注入 表层非晶化：预非晶化，大剂量注入，非晶SiO2膜 非晶 B质量比As轻，当以约7 °角度进行离子注入硅衬底时， B的尾区更大。因为： 1）B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。

减少沟道效应的措施 用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层（Pre-amorphization） 增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少） 表面用SiO2层掩膜

表面处晶格损伤较小 射程终点（EOR） 处晶格损伤大

EOR damage Courtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002).

(Si)SiSiI + SiV 什么是注入损伤 晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞，可能使靶原子发生位移，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的空位－间隙原子对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单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。 (Si)SiSiI + SiV

损伤的产生 E<Ed 无位移原子 􀂾Ed<E<2Ed 有位移原子 􀂾E>2Ed 级联碰撞 移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。 移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量. (对于硅原子, Ed15eV) E<Ed 无位移原子 􀂾Ed<E<2Ed 有位移原子 􀂾E>2Ed 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，称为能量传递过程

损伤区的分布 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，产生的损伤密度小，不重叠，但区域较大。呈锯齿状。 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，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，损伤密度大。

离子注入损伤估计 100KeV B离子注入损伤 初始核能量损失：30eV/nm, 硅晶面间距: 0.25nm, 每穿过一个晶面 能量损失: 30eV/nm X 0.25nm=7.5eV <Ed (15eV). 当能量降到50KeV, 穿过一个晶面能量损失为15eV, 该能量所对应的射程为: 150nm. 位 移原子数为: 150/0.25=600, 如果移位距离为: 2.5nm, 那么损伤体积: (2.5)2 X150=3X10-18cm3. 损伤密度: 2X1020 cm-3, 大约是原子密度 0.4%. 100KeV As离子注入损伤 平均核能量损失：1320eV/nm,损伤密度: 5X1021 cm-3, 大约是原子密 度10%, 该数值为达到晶格无序所需的临界剂量, 即非晶阈值.

非晶化（Amorphization） 注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完全破坏变为无序的非晶区。 与注入剂量的关系 注入剂量越大，晶格损伤越严重。 临界剂量：使晶格完全无序的剂量。 临界剂量和注入离子的质量有关

损伤退火 （Damage Annealing） 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。 注入后的半导体材料： 杂质处于间隙 n<<ND；p<<NA 晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降 热退火后：n  n=ND (p=NA)   bulk    0

损伤退火的目的 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 激活杂质——让杂质进入电活性（electrically active） 位置－替位位置。 电性能还原——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

损伤恢复机制 （Damage Recovery Mechanism） SiI + SiV  (Si)Si Monte Carlo模拟的 I-V 复合结果：短时间内（10-2秒）800 C 下，体内的 V 在表面复合迅速完成，产生剩余的 I ，其表面复合相对较缓慢。在400 C以上，这些 I 可接合入{311}面形成棒/带状缺陷，并可以稳定较长时间。 Annihilation: recombination Frenkel I-V pairs

该{311}缺陷带在较高温度下（800～1000 C）即可退火修复，但是释放出大量填隙原子I。 损伤小于临界值，这些{311}缺陷可以完全分解，回复完美晶体。 损伤高于临界值，则{311}缺陷可能变成稳定的位错环，该位错环位于EOR，并难以去除。 TED 漏电流大

常规热退火 一定温度下，通常在Ar、N2或真空条件下 退火温度取决于注入剂量及非晶层的消除。 修复晶格：退火温度600 oC以上，时间最长可达数小时 杂质激活：退火温度650－900 oC，时间10－30分钟 * 方法简单 * 不能全部消除缺陷 * 对高剂量注入激活率不够高 * 杂质再分布

b）快速热退火， Rapid Thermal Processing（RTP） 。高功率激光束辐照 。电子束 。高强度的光照 。其它辐射 RTP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

离子注入在集成电路中的应用 一、CMOS制造 9-10 different I/I identified !

二、双极型制造（Bipolar fabrication） 。高能注入形成埋层 。LOCOS下方的p-n结隔离 。形成基区注入 。砷注入多晶硅发射区 。多晶电阻

三、其它应用 硅衬底背面损伤形成吸杂区 Backside Damage Layer Formation for Gettering 形成SOI结构 Silicon-On-Insulator Using Oxygen or Hydrogen Implantation

什么是离子注入损伤？退火的目的是什么？什么是RTP？ 本节课主要内容 什么是离子注入损伤？退火的目的是什么？什么是RTP？ 产生大量空位－间隙对，直至非晶化。恢复晶格，激活杂质，恢复载流子迁移率和少子寿命。快速热退火，热扩散小，制作浅结。

离子注入小结： (1) 注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式 (2) 在平均投影射程 x=Rp 处有一最高浓度，最大浓度与注入剂量关系 (3) 平均投影射程两边，注入离子浓度对称地下降。离平均投影射程越远，浓度越低。