第十章 离子注入.docx

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第十章离子注入

第十章离子注入

本征硅的晶体结构由硅的共价键形成。

本征硅的导电性能很差，只有当硅中加入少量杂质，使其结构和电导率发生改变时，硅才成为一种有用的半导体。

这个过程被称为掺杂。

掺杂被广泛应用于硅片制造的全过程，杂质是ⅢA族和ⅤA族的一些元素，例如硼、磷、砷、锑等。

在晶片制造中，有两种方法可以向硅片中引入杂质元素，即热扩散和离子注入。

热扩散利用高温驱动杂质穿过硅的晶格结构，这种方法受到时间和温度的影响。

离子注入通过高压离子轰击把杂质引入硅片。

图10.1和表10.1显示了CMOS的一个基本单元的掺杂情况。

10.1扩散

扩散是物质的一个基本性质，描述了一种物质在另一种物质中运动的情况。

原子、分子和离子的运动造成由浓度高的地方向浓度低的地方进行扩散。

在半导体制造中，利用高温扩散驱动杂质穿过硅晶格。

扩散分为三种，即气态、液态和固态。

将所需杂质按要求的浓度与分布掺入到半导体材料中，以达到改变材料电学性质，形成半导体器件的目的。

10.1.1扩散原理

硅中固态杂质的热扩散需要三个步骤：

预淀积、推进和激活。

在预淀积过程中，硅片被送入高温扩散炉，杂质原子从源转移到扩散炉内。

在较低的扩散温度下（900到1000℃），杂质仅进入了硅片中很薄的一层，此时，其表面浓度是恒定的。

预淀积为整个扩散过程建立了浓度梯度。

表面的杂质浓度最高，并随着深度的增加而减小。

根据扩散方程可以得出此时的杂质浓度沿深度方向的分布为余误差函数分布。

热扩散的第二步是推进，也称为再分布。

这是个高温过程（1000到1250℃），用以使淀积的杂质穿过硅晶体，在硅中形成期望的结深。

这个过程并不向硅片中增加杂质，也就是说硅中的杂质原子总量是近似恒定的。

一般再分布的同时通入O2生长氧化层，原因是需要氧化层做后道工序的掩蔽层。

但是高温环境下形成的氧化物会影响推进过程中杂质的扩散，一些杂质（如硼）趋向于进入生长的氧化物层，而另一些杂质（如磷）会被推离SiO2。

这种由硅表面氧化引起的杂质浓度改变被称为再分布。

同样根据扩散方程可以得出此时的杂质浓度沿深度方向的分布为高斯函数分布。

热扩散的第三步是激活。

这时的温度要稍微升高一点，使杂质原子与晶格中的硅原子键合。

这个过程激活了杂质原子，改变了硅的电导率。

第二步与第三步是同时进行，也可靠后续的高温过程进行。

杂质在硅晶体中的扩散机构主要是间隙式扩散和替位式扩散。

硅中点缺陷会影响扩散杂质的分布，主要表现在：

1）氧化增强扩散；2）发射区推进效应。

10.1.2扩散工艺

随着集成电路制造工艺的发展，杂质源的种类越来越多，因而采用的扩散方法和扩散系统有固态源、液态源和气态源扩散。

一.固态源扩散：

1．开管扩散：

把杂质源放在坩埚中，准备扩散的硅片放在石英船（舟）上，然后将坩埚和石英船相隔一定距离放在扩散炉管内，放有杂质源的坩埚应在气流的上方。

一般通过惰性气体或氮气把杂质源蒸气输运到硅片表面，在扩散温度下杂质的化合物与硅反应，生成单质的杂质原子并向硅内扩散。

硅表面的浓度由扩散温度下杂质在硅中的固溶度所决定。

（见图10.2）。

反应方程为：

2B2O3+Si=4B+3SiO2

2．箱法扩散：

把杂质源和硅片装在由石英做成的箱内，在氮气或氩气保护下进行扩散。

在高温下杂质源的蒸气充满整个箱内空间，并与硅表面反应，形成一层含有杂质的薄氧化层，杂质由氧化层直接向硅内扩散。

硅表面浓度基本由扩散温度下杂质在硅中的固溶度所决定。

3．涂源法扩散：

把溶于溶剂中的杂质源直接涂在待扩散的硅片表面，由惰性气体保护进行扩散。

高温下溶剂挥发之后在硅表面形成一层杂质源，直接向硅内扩散。

二.液态源扩散：

携带气体（通常是氮气）通过源瓶，把杂质源蒸气带入扩散炉管内。

液态源一般都是杂质化合物，在高温下杂质化合物与硅反应释放出杂质原子，或者杂质化合物先分解产生杂质的氧化物，氧化物再与硅反应释放出杂质原子并向硅内扩散。

（见图10.3）。

反应方程为：

2P2O5+5Si=4P+5SiO2

三.气态源扩散：

进入扩散炉管内的气体，除了气态杂质源外，有时还需通入稀释气体，或者是气态杂质源进行化学反应所需要的气体。

气态杂质源一般先在硅表面进行化学反应生成掺杂氧化层，杂质再由氧化层向硅中进行扩散。

（见图10.4）。

10.1.3选择扩散

在集成电路制造中掺杂是在需要的地方进行的，也就是通过在阻挡介质上开出窗口，在窗口内进行杂质扩散，而在窗口外由于存在介质，杂质进入不了硅衬底。

这层阻挡介质基本上都采用二氧化硅。

一．杂质在二氧化硅中的扩散系数

选择扩散是根据某些杂质在条件相同的情况下，在二氧化硅中的扩散速度远小于在硅中扩散速度的性质来完成的。

在相同条件下，杂质在硅中的扩散深度已达到要求时，在二氧化硅中的扩散深度还非常浅，没有扩透预先生长的二氧化硅层，因而在二氧化硅层保护的硅内没有杂质进入，如此就起到了掩蔽作用。

杂质在二氧化硅中的扩散运动与在硅中一样，都服从扩散规律，扩散系数DSiO2与温度也是指数关系

DSiO2=D0exp（-⊿E/kT）

⊿E为杂质在二氧化硅中的扩散激活能，D0为表观扩散系数。

二．掩蔽层厚度的确定

为了保证二氧化硅层能起到有效的掩蔽作用，不但要求杂质的DSi远大于DSiO2，而且还要求二氧化硅层具有一定的厚度，这样才能保证由二氧化硅掩蔽的硅中没有杂质扩进。

二氧化硅薄膜的掩蔽效果不但与厚度、杂质在二氧化硅中的扩散系数有关，而且还与二氧化硅和硅衬底中的杂质浓度、杂质在衬底中的扩散系数以及杂质在衬底与二氧化硅界面的分凝系数等因素有关。

最小掩蔽层厚度可表示为：

xmin=4.6（DSiO2t）1/2

t为杂质在硅中达到扩散深度所需要的时间。

不同方法制备的二氧化硅质量可能相差很大，因而掩蔽效果也就有很大差别，图10.5给出的是干氧氧化方法生长的不同温度下所需的磷、硼扩散的最小掩蔽层厚度。

三．热氧化过程中的杂质再分布

掺有杂质的硅在热氧化过程中，靠近Si-SiO2界面的硅中杂质，将在界面两边的硅和二氧化硅中发生再分布。

决定杂质再分布的主要因素有：

1）杂质的分凝现象；2）杂质通过SiO2表面逸散；3）氧化速率的快慢；4）杂质在SiO2中的扩散速度。

分凝系数（m）：

m=杂质在硅中的平衡浓度/杂质在二氧化硅中的平衡浓度

对于m<1（例如硼）和m>1（例如磷、砷）的杂质再分布情况见图10.6。

氧化速率对杂质再分布的影响见图10.7，10.8。

图10.7说明一定温度下，快速的水汽氧化比慢速的干氧氧化所引起的再分布程度增大，即CS/CB值大。

这是因为氧化速率越快，一定时间内加入分凝的杂质数量就越多，又因磷在SiO2中的扩散速率很低，损失少，所以造成硅表面浓度增大。

在同一氧化气氛中，氧化温度越高，磷向硅内扩散的速度就越快，因而减小了在表面的堆积，表面浓度CS趋于CB。

在相同温度下，水汽氧化的CS/CB小于干氧氧化的CS/CB，说明水汽氧化引起的再分布程度高。

在同一氧化气氛下，CS/CB随温度升高而变大，这是因为扩散速度也提高，加快补偿硅表面杂质的损耗。

四．横向扩散

实际扩散过程中，杂质通过窗口以垂直硅表面扩散的同时，也将在窗口边缘附近的硅内进行平行表面的横向扩散。

横向扩散和纵向扩散虽然是同时进行，但两者的扩散条件并不完全相同，一般横向扩散的距离约为纵向扩散距离的70%～80%。

由于横向扩散的存在，实际扩散区域要比二氧化硅窗口的尺寸大，其后果是硅内扩散区域之间的实际距离比由光刻版所确定的尺寸要小，如图10.9所示。

这种效应直接影响ULSI的集成度。

另外，由于扩散区域的变大，对结电容也将产生一定的影响。

10.2离子注入

离子注入是一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学性能的方法。

它是一个物理过程，不发生化学反应。

每一次掺杂对杂质的浓度和深度都有特定的要求，而离子注入能够重复控制杂质的浓度和深度，因此在几乎所有应用中都优于扩散。

10.2.1概况

离子注入工艺在离子注入机内进行。

注入机包含离子源部分，它能从源材料中产生带正电荷的杂质离子。

离子被吸出，然后用质量分析仪将它们分开以形成需要掺杂离子的束流。

束流中离子的数量与希望引入硅片的杂质浓度有关。

离子束在电场中加速，获得很高的速度（107cm/s数量级），使离子有足够的动能注入到硅片的晶格结构中。

束流扫描整个硅片，使硅片表面均匀掺杂。

注入之后的热退火过程将激活晶格结构中的杂质离子。

所有注入工艺都是在高真空下进行的。

一．离子注入的优点

1．精确控制杂质含量：

能在很大范围内精确控制注入杂质浓度，从1010到1017ions/cm2（离子每平方厘米），误差在±1%之间。

扩散在高浓度控制杂质含量误差在5%到10%以内，但浓度越小误差越大。

2．很好的杂质均匀性：

用扫描的方法控制杂质的均匀性。

3．对杂质穿透深度有很好的控制：

通过控制注入过程中离子能量控制杂质的穿透深度，增大了设计的灵活性，如埋层，最大杂质浓度在埋层里，最小浓度在硅片表面。

4．产生单一离子束：

质量分离技术产生没有沾污的纯离子束。

不同的杂质能够被选出进行注入。

高真空保证最少沾污。

5．低温工艺：

注入在中等温度（小于125℃）下进行，允许使用不同的光刻掩膜，包括光刻胶、二氧化硅、氮化硅和铝，同时避免了高温扩散所引起的热缺陷。

6．注入的离子能穿过薄膜：

杂质可以通过薄膜注入，这就允许MOS晶体管阈值电压调整在生长栅氧化层之后进行，增大了注入的灵活性。

7．无固溶度极限：

注入杂质含量不受硅片固溶度限制。

8．避免了横向扩散：

注入杂质是按掩膜的图形近于垂直入射，这样横向效应比热扩散小得多。

二．离子注入的缺点离子注入的主要缺点是，高能杂质离子轰击硅原子将对晶体结构产生损伤。

当高能离子进入晶体并与衬底原子碰撞时，能量发生转移，一些晶格上的硅原子被取代。

这个反应被称为辐射损伤。

大多数甚至所有的晶体损伤都能用高温退火进行修复。

10.2.2离子注入参数

一．剂量

剂量（Q）是单位面积硅片表面注入的离子数，Q可由下面的公式计算：

Q=It/enA

其中，Q=剂量，单位是原子每平方厘米

I=束流，单位是库仑每秒（安培）

t=注入时间，单位是秒

e=电子电荷，等于1.6×10-19库仑

n=离子电荷，

A=注入面积，单位是cm2

离子注入成为硅片制造的重要技术，其主要原因之一是它能够重复向硅片中注入相同剂量的杂质。

当正杂质离子形成离子束，它的流量被称为离子束电流，单位是毫安（mA）。

中低电流的范围从0.1mA到10mA，大电流的范围从10mA到20mA。

如果电流增大，单位时间内注入的杂质原子数量也增大。

大电流有利于提高硅片产量，但也会产生均匀性问题。

二．射程

离子射程指的是离子注入过程中，离子穿入硅片的总距离。

认识射程的特性，必须首先理解能量的概念。

当离子由于电势差加速时，它们就获得了能量。

离子是运动的，所以它们的能量是动能，然而，离子注入中的能量一般用电子电荷与电势差的乘积，即电子伏特（eV）来表示。

注入机的能量越高，意味着杂质原子能穿入硅片越深，射程越大。

注入离子在穿行硅片的过程中与硅原子发生碰撞，导致能量损失并最终停止在某一深度，由于控制结深就是控制射程，所以能量是注入机的一个很重要的参数。

高能注入机的能量可以达到2~3MeV，低能量注入机的能量已下降到约200eV，能够掺杂非常浅的源漏区。

杂质在硅原子间穿过，会在晶格中产生一条受损害的路径，损伤的情况决定于杂质离子的轻重。

轻杂质原子擦过硅原子，转移的能量很少，沿大散射角方向偏转。

重离子每次与硅原子碰撞都会转移许多能量，并沿相对较小的散射角度偏转。

每个硅原子也会产生大数量的位移。

10.2.3注入离子的分布

一．纵向分布

注入离子垂直表面入射的纵向分布近似于高斯函数分布。

用Rp表示平均投影射程，⊿Rp表示Rp的标准偏差，二者的近似关系为：

⊿Rp≈2/3[（M1M2）1/2/（M1+M2）]Rp

M1、M2分别是注入离子的质量和靶材料的原子质量。

实际的分布曲线在峰值附近与高斯分布符合较好，离峰值位置较远时有较大的偏差，这是因为实际注入时还有更多影响离子分布的因素存在。

图10.10是硼离子注入硅时的纵向分布。

二．横向效应

横向效应是指注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。

横向效应直接影响了MOS晶体管的有效沟道长度。

对于掩膜边缘的杂质分布，以及离子通过一窄窗口注入，而注入深度又同窗口的宽度差不多时，横向效应的影响更为重要。

横向效应不但与注入离子的种类有关，而且也与入射离子的能量有关。

图10.11表示了注入离子的横向分布。

三．沟道效应

当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿着沟道运动，这些离子受到的阻止作用很小，它们的能量损失率很低，所以在沟道中会注入很深。

因此很难控制注入离子的浓度分布，并使注入离子的分布产生一个很长的拖尾。

为了避免沟道效应可使晶体的主轴方向偏离注入方向，偏离的典型值为7°左右。

四．浅结的形成

随着集成电路集成度的提高，器件的特征尺寸越来越小。

为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器件的沟道效应，要求减小CMOS的源/漏结的结深。

浅结的要求是高表面掺杂浓度、低接触电阻以及小结漏电流。

一般采用降低注入离子能量和预先非晶化两种方法来形成浅结。

10.2.4退火

离子注入会将原子撞击出晶格结构而损伤硅片晶格。

如果注入的剂量很大，被注入层将变成非晶。

另外，被注入离子基本不占据硅的晶格点，而是停留在晶格间隙位置。

这些间隙杂质只有经过高温退火过程才能被激活。

退火能够加热被注入硅片，修复晶格缺陷；还能使杂质原子移动到晶格点，将其激活（见图10.12）。

修复晶格缺陷大约需要500℃，激活杂质原子需要约950℃。

杂质的激活与时间和温度有关：

时间越长，温度越高，杂质的激活越充分。

硅片的退火有两种基本方法：

一．高温炉退火高温炉退火是一种传统的退火方式，用高温炉把硅片加热至800到1000℃并保持30分钟。

在此温度下，硅原子重新移回晶格位置，杂质原子也能代替硅原子位置进入晶格。

但是，在这样的温度和时间下进行热处理，会导致杂质的扩散，这是现代IC制造不希望看到的。

二．快速热退火快速热退火（RTA）用极快的升温和在目标温度（一般是1000℃）短暂的持续时间对硅片进行处理。

注入硅片的退火通常在通入Ar或N2的快速热处理机中进行。

快速的升温过程和短暂的持续时间能够在晶格缺陷的修复、激活杂质和最小化杂质扩散三者之间取得优化。

RTA是控制浅结注入中结深的最佳方法。

10.3离子注入在工艺集成中的发展趋势

由于工艺对杂质有不同的要求，因此对离子注入的要求也各不相同。

先进的MOS硅片制造有以下各种离子注入：

●深埋层

●倒掺杂阱

●穿通阻挡层

●阈值电压调整

●轻掺杂漏区（LDD）

●源漏注入

●多晶硅栅

●沟槽电容器

●超浅结

●绝缘体上硅（SOI）

图10.13到图10.20表示了以上各种情况。

用高能离子注入实现三阱结构：

p阱、n阱、埋层阱，能改进器件性能和封装密度，控制CMOS电路的闩锁效应（低阻埋层有效切断了流向地的电流）。

扩散的杂质剖面总是在硅片表面处有最大的杂质浓度，倒掺杂阱改进了晶体管抵抗闩锁效应和穿通的能力。

沟道短的亚微米器件漏端电场增大时，漏耗尽区向轻掺杂沟道区严重扩展，最终与源耗尽区连通，发生穿通。

VTB对沟道区的杂质浓度非常敏感，由于注入能形成一致、可重复的杂质浓度，所以离子注入在硅片制造中的第一个广泛应用就是阈值调整。

轻掺杂（LDD）在高浓度源漏区（1020~1021原子/cm3）和低浓度沟道区（1016~1017/cm3）间形成渐变的横向浓度梯度，减小了结和沟道区之间电场，把结中的最大电场位置与沟道中的最大电流路径分离，以防止产生热载流子。

多晶硅栅同时进行掺杂。

能够减小DRAM存储单元的尺寸。

为保持器件的电学性能，关键的器件要素必须随沟道长度等比例缩小。

对0.18µm工艺，超浅结深54±18µm；对0.10µm工艺，超浅结深30±10µm，用大束流低能注入实现。

纵向隔离，可做三维器件。

随着特征尺寸不断的减小，深亚微米的器件结深仅在十几纳米之间，离子掺杂和快速热退火工艺也受到一定的限制，出现了一些新的掺杂方法，如等离子掺杂、气体原子簇离子束技术，这里不作详细介绍。

10.4离子注入质量测量

离子注入所用到的质量测量方法在表10.2中列出。

TED（瞬时增强扩散）：

由注入硅的间隙杂质离子造成，与硅损伤没有直接联系，当形成超浅结时，由于需要严格控制杂质扩散，这种现象变得尤其重要。