离子注入工艺技术
第23卷第4期
2005年12月JICHENGDIANLU TONGXUN
集成电路通讯
V o. l 23 N o . 4
D ec . 2005
离子注入工艺技术
宋宁 周坤
(中国兵器工业第214研究所 蚌埠 233042)
摘 要 本文介绍了离子注入工艺的基本特点和工艺中应注意的几个问题, 对离子注入在浅结形成及化合物半导体集成电路工艺中的应用进行了描述。
关键词 离子注入 损伤 退火 浅结 掺杂 隔离
1 引 言
随着半导体集成电路的高速发展, 对工艺提出了更高的要求, 特别是对关键工艺的影响更大。本文对半导体集成电路工艺中的离子注入工艺的主要特点、工艺中存在的几个问题及在化合物半导体集成电路工艺中的应用等方面进行了重点阐述。
中。因为碰撞离子的路径不是笔直的, 这样离子走过的距离各不相同。在注入方向的投影是一个比较有意义的参量, 因为它决定了注入的深度, 称作投影射程。
一些离子的碰撞次数小于平均值, 所以离子就停止在比投影射程更远些的位置, 而某些离子碰撞次数较多, 那么它就停止在较近处。沿着投影射程离子浓度的统计波动称作投影偏差。离子在垂直入射方向上也有散射, 横向离子浓度所形成的波动称作投影横向偏差或侧向偏差。对器件制造来讲两种偏差意味着在离子注入区的纵向和横向成份分布是不会很陡的。
2 离子注入工艺
2. 1 简介
离子注入是将具有高动能的掺杂离子引入到半导体中的一种工艺, 其目的是改变半导体的载流子浓度和导电类型。在超大规模集成电路工艺中, 离子注入主要用于硅片表面区域的选择性掺杂。离子注入系统可分为三个部分:离子源、加速管和终端台。离子源首先要将含有注入物质的气体送入系统。在硅工艺中常用的气体有BF 3、A s H 3和P H 3。大多数采用气态源的注入机通过打开相应的阀门可以选择几种不同气体中的任何一种。
2. 2 离子注入工艺的主要特点
离子通过固体时会与固体中的电子相互作用, 并造成能量损失。离子也可能与固体中的原
, 图1
在无定形S i 和热生长S i O 2中对B 、P 及A s
16
集成电路通讯
第23卷第4期
轻离子比重离子有较长的射程。在Si 中对B 、P 及A s 离子的投影偏差和侧向偏差也遵循离子质量关系。
原子核碰撞和电子的库仑作用会使入射离子减速, 由于两种机理相互独立, 损失能量可以相加。由于与原子核及电子碰撞, 离子能量损失将取决于离子的能量, 而离子的射程与入射离子能量、靶原子的密度、固体的阻止本领等参数有关。2. 3 工艺中应注意的几个问题
(1) 离子沟道
在无定形固体中, 原子不显示长程有序, 但可存在某些短程有序。当离子入射到这种固体时, 离子和固体原子相遇的几率是很高的。但晶体材料不是这样, 由于晶体内存在三维原子排列, 沿一定晶向存在开口的沟道。沿特定方向观察到的通道称作为沟道, 如果离子沿沟道方向入射, 一些离子将沿沟道运动, 并且很少受到原子核的碰撞。离子透入晶体固体比无定形材料更深, 这种效应称作离子沟道效应。因沟道效应会使注入分布产生一个较常的拖尾, 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。
对于制造器件来讲, 不能沿沟道方向注入, 因为这样很难控制注入离子浓度的深度分布。为了在晶体中出现类似于无定形材料入射离子情况, 晶体要偏离沟道方向, 这样可保证离子开始不会进入沟道, 但后面有些离子可能因散射会进入沟道。因此, 离子穿透可能比要计算得更深一些, 这个影响产生在离子浓度的深度分布的末端。
(2) 损伤
当离子进入固体时, 由于离子与电子及原子核的相互作用而减慢速度, 与电子的相互作用不产生原子移动, 但与原子核碰撞会使原子移动。如果进入的离子转移能量到主体原子超过极限值(一般为几十e V, 称为位移能量), 原子将离开它的位置, 由于原子核碰撞移动的原子可能获得足够的高能量, 因此, 这些原子还能一个接一个撞击其它位于点阵的原子。同样, 入射离子也将不断, 由于这些多次碰撞, 离子注入固体中位移损伤的程度是很大的, 损伤的程度取决于入射离子能量、离子的剂量、剂量的速率、离子的质量及注入的温度。
由入射离子产生的损伤分布将取决于离子与主体原子的轻重, 由于碰撞时转移的能量正比于离子的质量, 所以每次与晶格原子碰撞时, 轻离子转移很小的能量, 因此入射离子会有较大角度散射, 位移晶格原子只具有小的能量, 因此不可能产生其它靶原子的位移。而入射离子的大多数能量是在与电子的碰撞中损失的, 所以只有相当小的晶体损伤。轻离子的射程比较大, 并且损伤将扩展到靶体较大的区域。当重离子快速运动时, 阻止本领变成更小, 因此往往在表面区域几乎没有缺陷。重离子在相同的情况下, 原子核碰撞传输给靶原子的能量很大, 这意味着位移原子能多次产生位移损伤, 离子散射具有更小的角度, 离子射程也较短, 这些因素使缺陷集中在一个很小的区域内。
半导体中的点缺陷是电活性的, 所以注入材料电特性较差。离子注入后, 少数载流子的寿命和迁移率均急剧地下降。因此, 仅有一部分注入离子处在替位, 并对载流子浓度有所贡献。为了消除离子注入的损伤, 材料必须在高温退火。
(3) 退火
退火工艺可以实现两个目的:一是减少点缺陷密度, 因为间隙原子可以进入某些空位; 二是在间隙位置的注入杂质原子能移动到晶格位置, 变成电激活。除非注入能量和剂量低, 注入材料不可能恢复到它原始状况。目前, 用离子注入制造器件, 这种局限还不成为问题。
实际上, 离子注入期间产生的损伤只是统计概念, 它会改变损伤分布。因此, 要预言退火后残余损伤种类与特性是困难的。
(4) 预防沾污
在离子注入过程中, 预防沾污是十分重要的, 尤其是颗粒沾污。如果注入前有颗粒挡在圆片,
第23卷第4期
集成电路通讯
17
除掉颗粒但留下的看不见的遮挡是一个不易发现的致命的缺陷。所以我们要尽可能地避免这种情况的发生。由于多数颗粒都是由于不正确的操作圆片、不正确的抽真空步骤、夹紧步骤、充气时使用未过滤的气体以及强束流机的转盘造成的, 因此, 我们在工艺加工过程中要规范、谨慎。2. 4 用作选择性掺杂的离子注入与扩散的比较
对选择性掺杂来讲, 离子注入优于热扩散, 因为横向扩散效应小, 因此, 在制造微电子电路时离子注入已基本上替代了扩散掺杂。
离子注入有以下较明显的优点:
(1) 引入杂质的总量可控, 因为它决定于总的离子流量;
(2) 精心设计晶片的旋转和平移, 使得离子束流均匀地淀积在大直径晶片上;
(3) 离子渗透衬底的深度随注入能量的增加而增加, 因此, 通过改变能量, 可控制注入深度;
(4) 对注入掩模材料的热稳定性要求不高, 光刻胶二氧化硅、氮化硅和各种金属化合物都可以作为选择性掺杂的掩模;
(5) 注入到衬底的离子剂量范围很宽, 且能精确控制剂量, 离子的浓度的横向均匀性也很好。
(6) 能够质量分离不同的离子成单一、高纯的掺杂离子束;
2. 5 离子注入在浅结形成中的应用
为了抑制MOS 穿通电流和减小器件的短沟效应, 半导体工艺的重要要求是减小C MOS 源/漏结深。先进C MOS 工艺对器件p -n 结有很高要求, 要有高的表面掺杂浓度、极浅的结深、低接触和薄层电阻以及小的结漏电流等。
为了形成浅结, 离子注入是一种可选技术, 结深由注入能量和下一步扩散工艺决定。注入能量的下限受束流下降限制, 扩散温度的下限取决于消除注入损伤、激活杂质和避免退火期间的瞬时增强扩散。现代商业注入机通常不低于10ke V, 非常低的能量存在束流稳定和低束流问题。为了制作超浅p-n 结, 现代商业注入机所采用的注入, , 格控制注入分布, 对此还存在于射程偏差、横向偏差和沟道等有关的问题。为了形成非晶的表面层, 注入一种电不激活物质, 如硅或锗, 可以制作p-n 浅结。这样可以消除沟道效应, 而且与重损伤注入层相比, 完全非晶层退火后有更好的晶体质量。
在形成p-n 浅结的工艺过程中, 与离子注入相关的主要缺点是在结区附近存在剩余缺陷, 要用高温才能消除这些缺陷, 为了克服用离子注入制备浅p-n 结的困难, 已试验了各种工艺, 主要包括:由掺杂沉积层扩散、外延S, i Ge , S i 1-x Ge x 、多晶S i 和S i 1-x G e x 、硅化物、硼硅玻璃、涂布二氧化硅乳胶、气相浸没激光掺杂、气相扩散、等离子体浸没离子注入等。
2. 6 化合物半导体集成电路工艺中的离子注入
(1) 掺杂工艺
化合物半导体相对于硅的主要优点在于其较大的能隙和较高的载流子迁移率。一般来说, 这些性质允许它们在较高温度和较高频率下工作。一个附加的化合物半导体的性质是其应用带隙工程的本领, 通过组分改变产生二元、三元、四元或更复杂的化合物。 - 族化合物半导体元素可以子晶格混合来调整能隙、光学及电学性质。
掺杂工艺选择离子注入还是扩散方法, 或直接由外延生长产生导电层, 这取决于器件所要求的电学特性和允许的制造工艺。用扩散产生结的方法近年来在化合物材料中并不常用, 虽然在Ga As 工艺中有一些重要应用。但是, 扩散层深度和剖面的控制比离子注入或外延生长掺杂方法困难得多。因此基于扩散的掺杂工艺日益被冷落。离子注入的广泛应用是许多制造工厂的选择。这主要是由于其类似硅的工艺流程和相对低的器件制造成本。尽管外延层成本高于离子注入的衬底, 但它以异质结构材料的发展和对掺杂及组分接近原子级的精确控制充分发挥出化合物半导体的能力, 由于异质结构的许多优点, 这些材料很快取代了基于离子注入或外延工艺的MESFET, 特
18
集成电路通讯
第23卷第4期
(2) 隔离工艺
为了阻止集成电路中器件间的相互作用, 需要电学隔离, 其目的是限制或消除器件间电流和电场的相互作用程度, 使它们不会影响器件的工作。应用适当的隔离技术可以降低电路的寄生效应, 结果实现了器件的较高性能。电容、电感耦合和漏电流都能被消除。此外, 电子和/或空穴可以更好地被限制于晶体管单元胞中。使用隔离技术, 导致更好的电学特性的重复性, 对有源区内电荷分布的更好控制, 及类似的对无源元件, 如电阻、电感和电容特性的控制。
用于化合物半导体集成电路的制造有两种隔离技术:离子注入和台面腐蚀。每一方法都有其优点和缺点, 但台面腐蚀技术是首先发展的。由于衬底质量和器件制作工艺的不断改进, 离子注入技术逐渐变为隔离技术的首选方法。离子注入允许所希望的平坦化外观, 并可产生更精确的器件几何尺寸, 这对于高成品率和高可靠性及制造高密度电路是必不可少的。然而, 非常浅的或高掺杂层的有效隔离在实际中是十分困难的, 主要是因为离子注入工艺中杂质是高斯型分布的。为此, 则使注入离子通过光刻胶, 使杂质分布的峰值在表面附近, 从而解决了这一问题, 。
使用离子注入技术, 目的是通过离子轰击形成深能级或复合中心, 从而实现材料的半绝缘或高阻特性。使用这一技术最突出的优点是保持表面的平整性。它能相对直接地获得十分精密的图形和多层金属限定。与台面工艺相比, 离子注入可以达到更好的工艺完整性和更高的复杂性。为了成功地实现器件隔离, 选择离子杂质、控制离子
剂量、离子束纯度和离子能量都是非常关键的。离子穿透深度与离子能量、离子质量成正比, 并与母晶格原子结构、分子量及组分有关。与离子注入相关的问题是沟道、离散和深度分布的拖尾现象。
3 结束语
离子注入技术是近几十年以来在国际上得到蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性的高新技术。随着工艺技术的不断发展, 离子注入机的不断更新, 该技术将在半导体工艺中发挥越来越重要的作用。
参考文献
1 (美) K. A. 杰克逊. 半导体工艺. 科学出版社, 1999.
2 李中岳. 金属离子注入技术的研究及其应用. 真空电子技术, 2000(6).
3 金海岩. 选择离子注入集电极技术研究. 固体电子学研究与进展, 2004(1).
4 陈江红. 离子注入技术的发展及其应用. 电子工业专用设备, 2004(5).
5 王笑然. 离子注入工艺各个参数的调整. 微处理机, 2004(3).
6 施小康. 中、低能离子注入中的剂量效应及模拟方法. 半导体学报, 2004(3).
7 朱国夫. 离子注入的沟道效应控制. 微电子技术, 2002(3).
8 江炳尧. 等离子体浸没式离子注入圆形薄片均匀性研究. 功能材料与器件学报, 2002(1).