影响离子注入因素在线视频

同学们好

上一节我们学习了

在半导体材料中引入杂质的重要

工艺步骤离子注入

我们学习了离子注入设备的组成部分

离子注入的过程以及离子注入后

离子和基体发生的各种碰撞现象

当真空中有一束离子束

射向一块固体材料的时候

离子束把固体材料的原子或者分子

撞出固体材料的表面

那这个现象就叫溅射

而让离子束射到固体材料的时候

从固体材料表面弹了回来

或者穿出固体材料而去

这些现象叫做散射

另外还有一种现象就是

离子束射到固体材料以后

受到固体材料的抵抗

而速度慢慢减低下来

并最终停留在固体材料中

这种现象就叫做离子注入

今天我们进一步学习

影响离子注入效果的影响因素

那第一个方面就是横向偏差的问题

这一点注入工艺和扩散工艺是一样的

在注入过程中

由于入射离子和基体的原子、电子碰撞

导致入射离子散射到各个方向去

最后的结果就体现为

入射离子的分布大于光刻胶开孔的区域

我们看一下这张图

这张图显示了注入过程的横向偏差

大家可以看到整个离子注入的离子分布

是大于原来光刻胶开孔的位置

这个光刻胶开孔就是上面黄的这一层

中间有白的开孔的地方

那么蓝色的区域就是离子注入的

这个离子分布的区域

那么我们入射离子在基体里面

它的运动是可以用蒙特卡洛的方法进行模拟的

那是不是每一次都需要你自己用

MATLAB

去编程 去计算离子的射程

还有纵向偏差 还有横向偏差呢

其实不用

那么有一个人叫James Ziegler

是个德国人

他将离子注入过程的模拟工具

集成了一个软件放到网上

让大家可以免费使用

这个软件就叫做SRIM

英文全称就是

The Stopping and Range of Ions in Matter

我们看一下这张图显示了

用SRIM软件模拟的结果

同学们可以访问这个网站

www.srim.org来获取这个软件

我建议同学们应该下载这个软件

并尝试着输入不同注入离子的种类

不同的剂量和不同的能量

看一下入射离子的分布

这对于

同学们理解离子注入过程

是非常有好处的

大家可以看到这张图

离子进来之后它会散射到各个方向

最后它有一个离子浓度的分布

好 刚才讲横向偏移的问题

那第二方面呢我们来讨论一下

离子注入过程中

我们需要用到这个mask

就是这个掩膜层

这个掩膜层来规定说什么地方离子可以进去

什么地方离子不能进去

这个mask用什么材料呢

在很多情况下

离子注入使用的mask

是图形化的一个光刻胶

就是有机物的一个光刻胶

但有的时候也可以选用二氧化硅或者氮化硅

那光刻胶开孔的地方离子可以注入

光刻胶保留的地方就可以阻挡离子注入过程

那这个问题就来了

光刻胶需要多厚才可以挡住入射离子呢

这两张图 我们看这两张图显示了

不同的入射离子

在二氧化硅及光刻胶里面的射程

以及它的纵向偏差

比如说我们注入同样一个是5OkeV的硼离子

我们上面这张图就显示了

如果是二氧化硅做mask

可以显示在二氧化硅里面

50keV的硼它的射程大概是在1500

那么下一张图显示了

如果说换成光刻胶

那这里面射程就是5800

可以看到入射的硼离子

在光刻胶里面的射程是远远地超出

在二氧化硅里面的射程

所以说我们在做离子注入这个工艺的时候

在你选择光刻胶或者二氧化硅

做掩膜板的时候

做mask的时候

那厚度问题你是需要考虑的

那么经常你可以找一些参考的图

来稍微做些计算就可以了

那么你算的这个厚度

应该要给它足够的冗余度

保证它不会说有太多离子

这个入射离子到了你这个硅片的表面

影响你器件的性能

那第三个方面呢是分子注入的情况

在离子注入过程中

离子在电场的作用下被加速

它获得的加速动能是电压差

以及离子所带电荷的速度

和离子的质量本身是无关的

比方说硼离子 磷离子和砷离子

在注入过程中 如果说

它们都是带了一个正电荷的情况下

那么通过加速获得动能是一样的

如果是硼离子带两个正电荷呢

那么它得到加速的情况下

获得动能就翻倍了

如果硼离子带三个正电荷

加速情况下获得三倍的动能

所以说这个动能的获得

是跟我这个电压

这个电压差还有我这个

离子所带的电荷有关

在半导体的离子注入过程当中

我们经常需要进行低能注入

就说我需要用一个很低能量的离子

注入到我的这个衬底去

那么这样子就可以获得比较浅的结

也就是说PN结 它的junction

它的位置相对于硅表面来讲

是比较浅的 我们叫浅结

甚至现代工艺需要超浅结

但是如果我们一味地降低电压

就会降低这个加速电压

就会带来一个问题

就是导致离子束这个速流不稳定

这样注入工艺就会产生不均匀一些问题

那么我们如何实现这个低能的注入呢

在这种情况下我们就可以采用注入的办法

比如说

我们的目标是注入低能的硼离子

我们选择注入二氟化硼离子而不是硼离子

不是直接注入硼离子

那么当这个二氟化硼的分子进入晶体之后

它立即分解为一个硼离子和两个氟离子

那分解后每个离子都保持同样的速度

由于硼离子的重量是11个原子重量单位

那氟离子是19个原子重量单位

两种离子速度一样

那么大家可以看到这个计算公式

算出来它们各自的动能

那么按照能量守恒的原则

那入射分子总体的动能

应该等于所有的这三个离子动能之和

这时候我们就可以计算出来

我们得到硼离子的动能

它的能量只有入射的二氟化硼离子动能的20%

这样子我们就成功地实现了低能输入的目标

所以说分子注入

我们经常用于硼离子的注入过程

好 我们学习完这个分子注入

我们再来看一下

在离子注入过程中

第四个方面的问题

第四个方面就是沟道效应

在无定形固体中原子不显示长程有序

但它存在某些短程有序

短离子入射到这种固体的时候

离子和固体原子相遇的几率是很高的

但是在晶体材料它不是这样子

由于晶体类存在三维原子排列是个单晶体

所以沿一定的径向它存在开口的一个沟道

那如果我们沿特定的方向

观察到的通道

我们就称之为沟道

如果离子

我们入射的离子它非常

幸运或者非常Lucky

它能够沿着沟道方向入射

那么入射离子呢

就沿沟道运动

会很少受到原子核的碰撞

这些离子透入晶体固体

比无定形材料更加深

这种效应就称作离子沟道效应

因为沟道效应就会使速度分布

产生一个较长的拖尾

那么我们可以看到上面两张图

左图就显示我们的衬底是单晶硅

正常情况是很随机地跟这些原子进行碰撞

那很好 这是正常的一个分布

高斯分布

但是中间一条直线 刚好有些很幸运的离子

它的这个方向

入射的方向

和我这个沟道是同一个方向

这样子这些离子就可以走得很远很远

这个反映就在右图

那就是

我们看这个离子浓度分布的时候就发现

我们这个绿色的区域就是正常的这个高速分布

我们后面还叠加了一个黄色的分布

那就是因为它因为沟道效应

导致我后面一个很长的尾巴

所以为了避免这种拖尾

我们一般采用的是偏离轴注入

就是我们这时候把我们的硅片

给它典型地给它倾斜个7度

所以为了避免这种拖尾

我们一般采用偏离轴注入

其典型的倾斜角为7度

另外一种解决方案就是衬底的非晶化处理

比如说在表面注入大剂量的硅或者氩离子

那因为大剂量的硅和氩离子

就把表面给它打乱了变成一个非晶态的状态了

或者说在表面伸展一层很薄的

200到250个氨

也是20到25个纳米的二氧化硅

这些办法都可以有效地避免沟道效应

那么这张图显示了

如果我们注入300keV的磷离子

表面我们伸展不同厚度的二氧化硅的薄膜

那沟道效应它的情况

可以看到如果说我们是

只长上一层二氧化硅的话

可以看到这个沟道效应很明显

这个分布其实是沟道效应的分布

加上正常的高速分布叠加在一起

所以我们的分

其实跑到了1.3微米左右这个区域

但其实我们的目标本来是0.3微米

如果说我们后面通过增加不同厚度的二氧化硅

可以不断地减少这个沟道效应

从图片上可以看到

在11.9纳米的情况下

沟道效应比较减弱了

就不是很明显了

好 那么第五个方面我们再谈一谈退火

虽然离子注入工艺非常好用

而且它除了设备昂贵之外

但它最大的一个缺点就是

用高能离子轰击衬底的时候

会导致晶体的晶格破坏

从而造成损伤

所以我们必须要经过加温退火工艺

才能够恢复晶格的完整性

此外 为了使注入杂质起到

所需的施阻或者受阻作用

也就是说注入后

在间隙位置注入杂质原子

要能够移动到晶格位置变成电激活

它必须有一个加温激活的过程

这两种综合在一起我们称为离子注入退火

那注入损伤的阈值剂量是指的什么呢

是指的注入剂量超过某一个剂量后

形成了一个完全的损坏

那晶体的长程有序呢就被彻底破坏了

那么我们看这张图显示的

常见的硅中杂质使这个硅衬底非晶化的

临界注入剂量与衬底温度的关系

可以看见如果离子越轻

达到同样的损伤程度需要的剂量越大

基体的温度越高

对应所需要造成的损伤的阈值也就越高

那我们再来看另外一个这张图

那这张图的显示我做的是70keV的硼离子

然后我们对样品

分别采用了800度和900度35分钟的退火

我们对比这两个样品它里面

这个杂质硼离子的分布

为了看这个分布我们用两种方法来检测

一种叫SIMS一种叫霍尔的测试方法

那么SIMS这种分析手段主要是分析材料里面

某种重要的原子它在什么地方

那这种方法是不管这个原子在什么位置

是不是电激活它是不管的

所以CMS可以判断注入后

杂质元素在衬底的分布

那霍尔测试呢

更主要测的是载流子的浓度分布

这就反映了

电激活杂质元素的分布情况

可以看到

上面是800度35分钟退火情况

它测出来的杂质分布

SIMS明显比这个霍尔测出来的高

这是因为在840度30分钟下

它很多情况下这个杂质没有被电激活

如果你对比下面这部分

940度情况下

SIMS得到的结果它的杂质分布

跟霍尔测试得到的分布几乎一模一样

这是因为在940度情况下

在这个退火情况下

绝大部分的杂质全部被电激活了

好 讲到了离子注入的退火

这里面需要和同学们讲一下

IC工艺中的热预算 也叫solut budget

IC制造过程中

经过的每一步高温工艺

都会对最终的杂质分布产生影响

所以我们说杂质在整个分布

是每一步的这个高温过程

对它这个离子的扩散

它的一个叠加的因素

随着IC器件中 IC中器件尺寸的不断缩小

我们要求杂质这种再分布要尽可能地小

所以说Thermal budget 也就是热预算

成为工艺集成中需要考虑的

一个非常重要的概念

我们要在过程中尽量减少这个Thermal budget

要尽量减少采用高温工艺

尤其我们不能用这种炉制

的高温工艺

因为炉制的furnace的高温工艺

一般来说时间特别长

那它整个Thermal budget就比较高

我们要采用这种RTA工艺

也就叫Rapid Thermal Annealing

就快速退火的工艺

好 最后我们再来讲一下

SOI硅片的制备方法

因为这个办法跟这个离子注入有密切的关系

那SOI指的是Silicon-On-Insulator

指的是绝缘衬底上的硅

这个技术是在顶层硅和被衬底之间

引入了一层氧化层

SOI材料具有铁硅所无法比拟的优点

它可以实现集成电路中元器件的介质隔离

采用这种材料制成的

集成电路具有集成电容小

集成密度高

速度快

工艺简单

短沟道效应小等等优点

特别适用于低压低功耗的电路

那么这两张图对比了

铁硅情况和SOI硅片情况下

三极管耗尽区的分布

可以看到SOI硅片情况下

耗尽区要小很多

这对器件的性能是很有好处的

如何自备SOI硅片呢

我们今天介绍三种办法

办法一 硅片键合技术

第一步就将两片硅片热氧化

第二步就把

经过热氧化的两片硅片做亲水处理

然后重叠在一起

吸附在表面的羟基团

在室温下

受 Van der wall力作用相互吸引

使两个硅片结合在一起

再经过适当的温度退火来增强键面键合的程度

最后通过机械研磨和抛光

将其中的一片硅片减薄到一个微米

就形成了SOI结构

大家可以看这个工艺图

硅片键合技术成本比较高而且浪费材料

因为把一片硅片绝大部分的材料都要磨掉

第二个方法叫智能切割技术 也叫smart cut

智能切割的独创性在于通过注入氢离子

并且在加热情况下形成气泡

使晶片在注入深度处发生断裂

达到减薄的目的

那智能切割主要包括四个步骤

第一步是离子注入硅片

A中

A上长有介电层比如说就2号硅

典型的注入剂量

大概在10的16次方到10的17次方

这是第一步

第二步

对A和支撑片B进行

RCA clean清洗

然后低温键合

这个时候B就起到了加热板的作用

第三步就是两步热处理

第一步热处理就是400到600度

使这个在A片在氢原子分布的地方

分布的高分的地方给它剥离

那么

其中以薄层单晶硅和支撑片B形成了SOI结构

第二步就在1100度

氮气气氛下热处理

这个目的是增强键合强度

和恢复顶层硅膜的注入损伤

就把它损伤给消除掉

最后一步我们通过表面的抛光

使这个粗糙度小于到0.1微米

或更低的粗糙度

那智能切割技术成功地解决了

键合SOI中规模的减薄问题

可获得均匀性很好的顶层硅膜

且硅膜质量接近于铁硅

另外剥离下来的硅片

又可以作为下一次键合的衬底

大大降低了成本了

最后一种方法呢叫SIMOX

SIMOX就叫（Separation by Implanted Oxygen）

这是英文全称

那么是目前制造SOI材料

最可行的制造方法之一

它的主要优势是

制造的规模和研磨层

就研磨的2号硅层均匀性好

SIMOX基本工艺包括

一是氧离子注入

注入剂量是10的17次方到10的18次方

第二步是高温

在1350度热退火一到四个小时

第三片是晶片清洗

通过清洗去掉表面微粒和脏物

离子注入工艺对SIMOX

技术起到了决定的作用

它决定着这个晶片的质量

产量 成本等等因素

好了 同学们

在今天的课程上

我们讲了影响离子注入的因素

包括横向偏差

离子注入中的mask选择

分子注入方式 沟道效应

和离子注入退火

我们还讨论了IC工艺中的热预算

以及SOI硅片的制备方法

这节课就上到这里 谢谢各位同学