微电子工程学5.ppt

微电子工程学 第5章 精密控制掺杂技术 ----离子注入掺杂及快速退火处理 第5章 精密控制掺杂技术 离子注入技术适应了电路图形不断微细化的需要。 应用离子注入掺杂技术，可以比较随心所欲地精密控制掺杂层的杂质浓度、掺杂深度和掺杂图形几何尺寸。 虽然离子注入技术早在1964年就已发明，并很快地被应用到微波半导体器件和一些特殊器件的制作中代替杂质扩散方法，但自从大规模集成电路兴起后，离子注入技术有了新的发展和新的涵义。 第5章 精密控制掺杂技术 现在大规模、特别是超大规模集成电路的制作，几乎都是应用离子注入法来形成电路中所需的杂质掺杂区域的。这是因为如果应用传统的杂质扩散方法来制作大规模和超大规模集成电路，即使光刻图形已达到所需要的微细化程度，但掺杂区域的几何尺寸很难控制，如杂质的侧向扩散就会破坏电路的微细结构。 因此，超大规模集成电路不再沿用热扩散工艺，而代之以离子注入掺杂技术。 第5章 精密控制掺杂技术 5.1 离子注入 5.2 注入损伤 5.3 退火处理 5.4 离子注入系统 5.5 注入工艺 5.6 离子注入在器件制造中的应用 第5章 精密控制掺杂技术 5.1 离子注入 所谓离子注入技术，就是将需要作为掺杂剂的元素原子离化，转变为离子，并将其加速到一定能量（50--500keV）后，注入到晶片表面，以改变晶片表面的物理和化学性质。 离子注入是半导体工艺中有别于扩散的一种制结的方法。其特点主要有以下几个方面： 第5章 精密控制掺杂技术 5.1 离子注入 1、可以用质量分析系统获得单一能量的高纯杂质原子束，没有沾污。因此，一台注入机可用于多种杂质。此外，注入过程是在真空下即在本身是清洁的气氛中进行的。 2、通过靶的剂量可在很宽的范围（1011－1017离子/cm2）内变化，且在此范围内精度可控制到±1％。与此相反，在扩散系统中，高浓度时杂质浓度的精度最多控制到5－10％，低浓度时比这更差。此外，扩散时掺杂剂的耦合对于表面电子学特性的变化非常敏感，而离子注入时就不是这样。因此，离子注入能在表面上提供比扩散时更均匀的覆盖，特别是在要求表面浓度低的时候。 第5章 精密控制掺杂技术 5.1 离子注入 3、离子注入时，衬底一般是保持在室温或温度不高（≤400℃），因此，可用各种掩模（如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶）进行选择掺杂。在制备不能采用扩散工艺的器件时，这为独特的自对准掩模技术的设计提供了很大的自由度。 4、离子束的穿透深度随离子能量的增大而增大，因此，控制同一种或不同种的杂质进行多次注入时的能量和剂量，可以在很大的范围内得到不同的掺杂剂浓度分布截面。用这种方法比较容易获得超陡的和倒置的掺杂截面。 第5章 精密控制掺杂技术 5.1 离子注入 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质浓度可以超过平衡固溶度。 6、用离子注入也可在半导体的特定区域淀积一定量的带电物质。因此，对控制MOS器件的阈值是一项很重要的应用。 第5章 精密控制掺杂技术 5.1 离子注入 离子注入也有一些缺点，例如设备复杂而昂贵，因此与扩散相比（在可以用扩散工艺的前提下），这种工艺是不经济的。这种竞争上的缺点对砷化镓更为明显，因为砷化镓的注入能量要求在200－500KeV范围，比硅（50－150KeV）高。但离子注入技术的自动化程度高，包括在线控制及终端检测，从而弥补了上述不足。 离子注入技术的第二个缺点是对半导体造成损伤。为了部分地或完全消除损伤，必须进行高温退火。对硅而言，这没有什么问题，因为硅在退火温度下的蒸汽压特别低。此外，硅经常还要进行后续高温处理，可以把这些损伤完全退火掉。但对于砷化镓，则必须用一包覆层，或者在砷超压下进行退火，以免发生分解或者不符合化学计量成分。无论哪一种办法都不能完全令人满意，这个问题目前还没有解决。 另外一个问题是穿透深度Rp和热退火时 值之间的关系。对硅，Rp》 ，因此，退火时，掺杂剂的运动较小。但对砷化镓，情况往往相反，退火时，掺杂剂的运动往往是很重要的。 第5章 精密控制掺杂技术 5.1 离子注入 穿透深度 高能离子注入半导体后，有两种基本的阻止机制使其停止下来。 第一种机制是能量转移到靶的原子核上，称为核阻止。这时，入射的离子发生偏转，而靶的原子核也离开其原来的位置。若E是离子在其路程上任一点x处的能量，可以定义核阻止本领为 以表征这一过程。核阻止过程在半导体中产生物理损伤，缺陷可以是点缺陷，也可能是线缺陷。半导体常常由于核阻止过程而变成非晶态。 第二种阻止过程是由于离子与靶中的束缚电子或自由电子的交互作用而引起的，称为电子阻止。这会瞬时地形成电子