离子注入和快速退火工艺

离子注入和快速退火工艺

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/cm3到形成绝缘层的1018/cm3。相对于扩散工艺，离子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。

高能的离子由于与衬底中电子和原子核的碰撞而失去能量，最后停在晶格内某一深度。平均深度由于调整加速能量来控制。杂质剂量可由注入时监控离子电流来控制。主要副作用是离子碰撞引起的半导体晶格断裂或损伤。因此，后续的退化处理用来去除这些损伤。

1 离子分布

一个离子在停止前所经过的总距离，称为射程R。此距离在入射轴方向上的投影称为投影射程Rp。投影射程的统计涨落称为投影偏差σp。沿着入射轴的垂直的方向上亦有一统计涨落，称为横向偏差σ┷。

下图显示了离子分布，沿着入射轴所注入的杂质分布可以用一个高斯分布函数来近似：

S为单位面积的离子注入剂量，此式等同于恒定掺杂总量扩散关系式。沿x 轴移动了一个Rp。回忆公式:

对于扩散，最大浓度为x＝0；对于离子注入，位于Rp处。在（x－Rp）＝±σp处，离子浓度比其峰值降低了40%。在±2σp处则将为10%。在±3σp处为1%。在±4σp处将为0.001%。沿着垂直于入射轴的方向上，其分布亦为高斯分布，可用:

表示。因为这种形式的分布也会参数某些横向注入。

2 离子中止

使荷能离子进入半导体衬底后静止有两种机制。

一是离子能量传给衬底原子核，是入射离子偏转，也使原子核从格点移出。设E是离子位于其运动路径上某点x处的能量，定义核原子中止能力：

二是入射离子与衬底原子的电子云相互作用，通过库仑作用，离子与电子碰撞失去能量，电子则被激发至高能级或脱离原子。定义电子中止能力：

离子能量随距离的平均损耗可由上述两种阻止机制的叠加而得：

如果一个离子在停下来之前，所经过的总距离为R，则

E0为初始离子能量，R为射程。

核阻止过程可以看成是一个入射离子硬球与衬底核硬球之间的弹性碰撞M1转移给M2的能量为:

电子中止能力与入射离子的速度成正比：

其中系数ke是原子质量和原子序数的弱相关函数。硅的ke值107(eV)1/2/cm。砷化镓的ke值为3×107(eV)1/2/cm

离子中止两种机制：一是离子能量传给衬底原子核，是入射离子偏转，也使

原子核从格点移出。二是入射离子与衬底原子的电子云相互作用，通过库仑作用，离子与电子碰撞失去能量，电子则被激发至高能级或脱离原子。

硅中电子中止能力如虚线所示，交叉能量点是Sn(E)=Se(E)。一旦Sn(E)和Se(E)已知，可计算处射程范围。可以用下述近似方程式来求得投影射程与投影偏差：

3 离子注入的沟道效应

前述高斯分布的投影射程及投影的标准偏差能很好地说明非晶硅或小晶粒

多晶硅衬底的注入离子分布。只要离子束方向偏离低指数晶向<111>，硅和砷化镓中的分布状态就如在非晶半导体中一样。在此情况下，靠近峰值处的实际杂质分布，可用“高斯分布函数”来表示，即使延伸到低于峰值一至两个数量级处也一样，这表示在下图中。然而即使只偏离<111>晶向7度，仍会有一个随距离而成指数级exp(-x/λ)变化的尾区，其中λ的典型的数量级为0.1um。

衬底定位时有意偏离晶向情况下的杂质分布。离子束从<111>轴偏离7度入射。

指数型尾区与离子注入沟道效应有关，当入射离子对准一个主要的晶向

并被导向在各排列晶体原子之间时，沟道效应就会发生。图为沿<110>方向观测金刚石晶格的示意图。离子沿<110>方向入射，因为它与靶原子较远，使它在和核碰撞时不会损伤大量能量。对沟道离子来说，唯一的能量损伤机制是电子阻止，因此沟道离子的射程可以比在非晶硅靶中大得多。

4 离子进入的角度及通道

<100> <110> <111>

沟道效应降低的技巧

1、覆盖一层非晶体的表面层、将硅芯片转向或在硅芯片表面制造一个损伤

的表层。常用的覆盖层非晶体材料只是一层薄的氧化层[图(a)]，此层可使离子

束的方向随机化，使离子以不同角度进入硅芯片而不直接进入硅晶体沟道。

2、将硅芯片偏离主平面5-10度，也能有防止离子进入沟道的效果[图(b)]。

此方法大部分的注入机器将硅芯片倾斜7度并从平边扭转22度以防止沟道效应。

3、先注入大量硅或锗原子以破坏硅芯片表面，可在硅芯片表面产生一个随

机层[图(c)]，这种方法需使用昂贵的离子注入机。

5 注入损伤与退火

离子注入中，与原子核碰撞后转移足够的能量给晶格，使基质原子离开晶格位置而造成注入损伤（晶格无序）。这些离位的在也许获得入射能量的大部分，接着如骨牌效应导致邻近原子的相继移位而形成一个沿着离子路径的树枝状的无序区。当单位体积内移位的原子数接近半导体的原子密度时，单晶材料便成为非晶材料。

轻离子的树枝状的无序区不同于重离子。轻离子（11B+）大多数的能量损伤起因于电子碰撞，这并不导致晶格损伤。离子的能量会减低至交叉点能量，而在那里核阻止会成为主导。因此，晶格无序发生在离子最终的位置附近。如下图（a）所示。

重离子的能量损失主要是原子核碰撞，因此预期有大量的损伤。如下图（b）所示。

要估计将单晶转变为非晶材料所需的能量，可以利用一个判据，即认为注入量应该与融化材料所需的能量密度（1021keV/cm3）在数量级上相同。对于100keV 的砷离子来说，形成非晶硅所需的剂量为

6 退火

由于离子注入所造成的损伤区及畸形团，使迁移率和寿命等半导体参数受到影响。此外，大部分的离子在被注入时并不位于置换位置。为激活被注入的离子并恢复迁移率与其它材料参数，必须在适当的时间与温度下将半导体退火。

传统退火炉使用类似热氧化的整批式开放炉管系统。需要长时间和高温来消除注入损伤。但会造成大量杂质扩散而无法符合浅结及窄杂质分布的需求。

快速热退火（RTA）是一种采用各种能源、退火时间范围很宽（100s到纳秒）的退火工艺。RTA可以在最小的杂质再分布情况下完全激活杂质。

⏹退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、氩等高纯气体的保护下，

经过适当时间的热处理，

⏹部分或全部消除硅片中的损伤，少数载流子的寿命及迁移率也会不同程度

的得到恢复，

⏹电激活掺入的杂质