文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了離子注入技術(shù)中會(huì)遇到的常見問題。

溝道效應(yīng)

離子注入單晶靶材時(shí)，因靶體存在特定晶向，其對入射離子的阻滯作用不再如非晶材料般呈現(xiàn)各向同性。沿硅晶體部分晶向觀察，能發(fā)現(xiàn)晶格間存在特定通道（圖 1）。當(dāng)離子入射方向與靶材主晶軸平行時(shí)，部分離子會(huì)直接進(jìn)入通道，極少與晶格原子發(fā)生核碰撞；這類雜質(zhì)原子主要通過與電子相互作用降低自身能量，進(jìn)而使注入深度顯著增加，該現(xiàn)象被稱為離子注入的 “溝道效應(yīng)”。

圖 1

溝道效應(yīng)的產(chǎn)生，源于入射離子與有序排列的靶晶體之間的相互作用。多年前，研究人員通過 Monte Carlo 模擬固體靶材中重金屬離子的注入分布，以及對千兆電子伏重離子在多晶金屬靶中分布剖面的測量，意外發(fā)現(xiàn)了這一效應(yīng)。通常情況下，單晶硅襯底中最易發(fā)生溝道效應(yīng)的晶向?yàn)?(110)（圖 1），原因是該晶向中間區(qū)域的原子密度最低。

溝道效應(yīng)發(fā)生時(shí)，注入離子會(huì)到達(dá)更深位置，濃度分布也偏向較深區(qū)域，呈現(xiàn)出明顯的長拖尾；當(dāng)輕原子注入重原子靶材時(shí)，注入離子的溝道效應(yīng)（拖尾現(xiàn)象）尤為顯著（圖 2）。

圖 2

臨界角常用來描述離子注入的溝道效應(yīng)，其計(jì)算公式為：

式中，E 為注入離子的能量，單位為 keV；d 為沿離子運(yùn)動(dòng)方向的原子間距，單位為 ?。若注入離子的運(yùn)動(dòng)方向與主晶軸方向的夾角遠(yuǎn)大于臨界角，則溝道效應(yīng)極少發(fā)生；反之，則易發(fā)生溝道效應(yīng)。

不過存在一種特殊情況：初始時(shí)注入離子運(yùn)動(dòng)方向與主晶軸的夾角大于臨界角，溝道效應(yīng)并未發(fā)生，但注入離子與靶原子發(fā)生多次碰撞后，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，可能轉(zhuǎn)向某一晶軸方向，進(jìn)而引發(fā)溝道效應(yīng)。盡管無法完全排除這種情況，但此類事件的發(fā)生概率極低，因此不會(huì)對注入離子的濃度分布產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。

實(shí)際工藝中，解決溝道效應(yīng)的常用方法有（圖 3）：① 采用非晶薄膜材料作為注入掩模，例如無定形二氧化硅（SiO?）薄膜等；② 將硅片傾斜一定角度，使注入離子運(yùn)動(dòng)方向與硅片主晶軸的夾角大于臨界角，通常傾斜 7°；③ 對硅片表面進(jìn)行預(yù)非晶化處理（Pre-Amorphization Implantation, PAI），常用方式是注入與硅同族且原子量更大的鍺離子，這種方法僅需較低注入劑量就能實(shí)現(xiàn)硅片表面非晶化，且不會(huì)引入額外摻雜。

圖 3

陰影效應(yīng)

當(dāng)注入離子垂直硅片表面注入時(shí)，硅片表面所有區(qū)域均可受到離子注入（圖 4（a）），不存在陰影區(qū)域；但實(shí)際工藝中，為避免離子注入的溝道效應(yīng)，需使注入離子運(yùn)動(dòng)方向與硅片主晶軸的夾角大于臨界角（通常為 7°）。此時(shí)若硅片表面存在具有一定高度的圖形（如光刻膠圖形或其他材料圖形，圖 4（b）），部分區(qū)域會(huì)處于離子注入的陰影區(qū)，無法被離子注入，且隨著圖形高度增加，陰影區(qū)域會(huì)逐漸擴(kuò)大，該現(xiàn)象被稱為離子注入的 “陰影效應(yīng)”（Shadow Effect）。

圖 4

降低或消除離子注入陰影效應(yīng)的方法包括減小圖形高度、采用自旋轉(zhuǎn)多次注入等。

離子注入損傷

離子注入技術(shù)的核心優(yōu)勢在于能精準(zhǔn)控制注入摻雜雜質(zhì)的數(shù)量與結(jié)深，但該過程屬于非平衡過程：大量碰撞動(dòng)能會(huì)傳遞至靶原子，導(dǎo)致靶原子脫離晶格位置，進(jìn)而使靶材襯底的晶體結(jié)構(gòu)不可避免地產(chǎn)生損傷。

離子在減速過程中，一方面與電子發(fā)生非彈性相互作用，另一方面與其他靶原子產(chǎn)生彈性相互作用。若傳遞給靶材晶格原子的動(dòng)能 E 超過其位移能（硅的位移能為 15eV），被碰撞的晶格原子便會(huì)脫離原有晶格位置并移動(dòng)一定距離。這些經(jīng)初次碰撞的原子會(huì)發(fā)生反沖，進(jìn)而與其他原子產(chǎn)生二次碰撞，后續(xù)還會(huì)引發(fā)更多次碰撞。后續(xù)碰撞會(huì)產(chǎn)生大量低能量反沖現(xiàn)象，導(dǎo)致原子在近乎隨機(jī)的方向上發(fā)生小幅位移，這一過程被稱為碰撞級聯(lián)，持續(xù)時(shí)間約為 10?13s，該時(shí)長可通過離子范圍除以平均離子速度計(jì)算得出。以能量 200 keV 的 As 離子為例，其速度達(dá) 10?cm/s 時(shí)，在硅中的傳播范圍為 2×10??cm，對應(yīng)的碰撞級聯(lián)過程可在 10?12s 內(nèi)完成。碰撞級聯(lián)結(jié)束后，晶格與電子傳導(dǎo)會(huì)將能量重新分配至周圍材料，此過程額外持續(xù) 10?11~10?1?s；隨后的 10??s 內(nèi)，不穩(wěn)定的無序狀態(tài)會(huì)逐漸弛豫。離子注入前后，襯底晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，若注入能量或劑量過高，單晶襯底可能完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷顟B(tài)，這種結(jié)構(gòu)變化與注入離子及襯底材料的特性均相關(guān)。

對于輕離子注入，初期能量損失以電子阻滯為主導(dǎo)。由于輕離子傳遞給靶原子的能量較低，散射角較大，僅能使少量靶原子發(fā)生位移，因此注入離子的運(yùn)動(dòng)方向變化明顯，產(chǎn)生的損傷密度低且不重疊，但損傷區(qū)域范圍較大，分布呈鋸齒狀（圖 5 (a)）。

重離子則不同，其每次碰撞都會(huì)向靶原子傳遞較高能量，且散射角較小。獲得高能量的位移靶原子會(huì)持續(xù)移動(dòng)，促使更多靶原子脫離原有晶格位置。此時(shí)，核阻滯成為注入離子能量損失的主要方式，重離子的射程較短，但會(huì)在小體積范圍內(nèi)造成嚴(yán)重?fù)p傷，表現(xiàn)為損傷區(qū)域小、損傷密度高（圖 5 (b)）。

圖 5

在靶材內(nèi)部的碰撞過程中，核碰撞產(chǎn)生的能量損失通常遠(yuǎn)高于靶原子的晶格結(jié)合能。因此，若離子注入時(shí)傳遞給晶格原子的能量超過其位移所需能量，晶格原子會(huì)脫離原有位置，導(dǎo)致晶格損傷。注入離子在襯底材料中逐步減速時(shí)，核碰撞的能量損失累積可能超過襯底材料的非晶化閾值，進(jìn)而形成埋層非晶。隨著注入劑量增加，總累積能量上升，非晶層范圍會(huì)不斷擴(kuò)大。通常會(huì)引入閾值劑量 θth 來量化這一過程，若注入劑量超過該閾值，晶格原子將受到完全損傷。此外，若靶晶格原子獲得的能量超過其位移能量的兩倍，被碰撞的晶格原子移位后仍保留較高能量，在后續(xù)運(yùn)動(dòng)中可能與其他晶格原子再次碰撞，促使更多晶格原子位移，這種連續(xù)碰撞現(xiàn)象被稱為 “級聯(lián)碰撞”。

大劑量離子注入時(shí)，晶圓在離子束作用下表面溫度會(huì)升高（即溫升效應(yīng)），這一過程類似退火處理，可使注入離子在硅片中產(chǎn)生的部分缺陷發(fā)生遷移并實(shí)現(xiàn)修復(fù)，該現(xiàn)象稱為 “自退火效應(yīng)”。此過程中，離子注入導(dǎo)致的缺陷產(chǎn)生與退火帶來的缺陷修復(fù)同時(shí)存在且相互競爭。隨著襯底溫度升高，離子注入的非晶化閾值劑量會(huì)相應(yīng)提高（圖 6）。例如輕離子（如 B）注入時(shí)，能量損失主要由電子阻滯導(dǎo)致，因此其非晶化閾值劑量比重離子（P、As）高得多。

圖 6

熱退火

熱退火是離子注入的關(guān)鍵配套工藝，主要用于消除晶格損傷、恢復(fù)襯底晶體結(jié)構(gòu)，同時(shí)讓間隙雜質(zhì)進(jìn)入替位位置獲得電活性，恢復(fù)載流子遷移率；為避免雜質(zhì)再分布，需降低熱預(yù)算，這對源漏超淺結(jié)制備尤為重要，注入劑量超非晶化閾值時(shí)，退火會(huì)伴隨固相外延再生長，雜質(zhì)或超該溫度下固溶度極限。

1. 射程末端（EOR）缺陷

高劑量離子注入會(huì)使單晶硅變非晶硅，退火后非晶 / 單晶界面易形成位錯(cuò)環(huán)；非晶層外延再生長后，位錯(cuò)環(huán)最大濃度出現(xiàn)在原界面下方，即射程末端缺陷，其源于界面處非晶化閾值損傷；這類缺陷若在 PN 結(jié)耗盡區(qū)附近，會(huì)增大反向電流，與金屬雜質(zhì)結(jié)合還會(huì)加劇漏電流，需通過控制退火熱參數(shù)，讓缺陷處于高摻雜區(qū)且遠(yuǎn)離耗盡區(qū)。

圖 7

2. 硼退火特性

硼是硅基常用 P 型雜質(zhì)，用電學(xué)激活比例（自由空穴數(shù)與注入劑量比）衡量激活程度；低劑量注入時(shí)，硼的電學(xué)激活比例隨退火溫度單調(diào)遞增；高劑量時(shí)分為三區(qū)域：低溫區(qū)點(diǎn)缺陷移動(dòng)增強(qiáng)，激活比例上升；500~600℃點(diǎn)缺陷形成擴(kuò)展缺陷，硼被俘獲導(dǎo)致激活比例下降（逆退火特性）；超 600℃硅中空位與間隙硼結(jié)合，激活比例再升，完全激活需 900℃以上高溫。

圖 8

3. 磷退火特性

磷是常用 N 型雜質(zhì)，其退火特性與硼有差異；低劑量注入（3×1012~3×101?cm?2）時(shí)，磷的電學(xué)激活比例隨溫度升高遞增，與低劑量硼類似；高劑量注入（1×101?cm?2 及以上）時(shí)，因磷原子質(zhì)量大易形成非晶層；借助低溫（約 600℃）固相外延再生長，磷原子可進(jìn)入晶格替位位置，實(shí)現(xiàn)較高激活比例，無需像硼高劑量那樣依賴高溫。

圖 9

淺結(jié)形成

對于先進(jìn) CMOS 器件而言，源漏超淺結(jié)仍是最關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)之一，其在抑制晶體管短溝道效應(yīng)中發(fā)揮重要作用。通常，制造極小尺寸 CMOS 器件時(shí)，源漏超淺結(jié)的深度不應(yīng)超過溝道長度的 30%。

針對注入雜質(zhì)硼，減少其瞬態(tài)增強(qiáng)擴(kuò)散（Transient Enhanced Diffusion, TED）并實(shí)現(xiàn)完全激活是一大挑戰(zhàn) —— 高摻雜意味著高注入劑量，會(huì)隨之產(chǎn)生大量缺陷，而這些缺陷會(huì)促進(jìn)雜質(zhì)擴(kuò)散。一般情況下，注入離子在靶材內(nèi)的分布可近似為高斯分布，但經(jīng)過熱退火后，部分注入離子（尤其是硼）會(huì)偏離原有高斯分布，在分布曲線尾部出現(xiàn)明顯展寬，形成按指數(shù)衰減的長拖尾，這一現(xiàn)象即 “瞬態(tài)增強(qiáng)擴(kuò)散效應(yīng)”。目前普遍認(rèn)為，該效應(yīng)源于離子注入后殘留的缺陷（如高濃度空位、自間隙原子等）：退火過程中，這些殘余缺陷中的間隙原子與硼結(jié)合，結(jié)合后的復(fù)合體擴(kuò)散速率遠(yuǎn)高于硼原子本身，最終導(dǎo)致雜質(zhì)擴(kuò)散增強(qiáng)。

表 1 列出了常用雜質(zhì)在硅中穩(wěn)態(tài)本征擴(kuò)散與瞬時(shí)擴(kuò)散的激活能。盡管硼與砷的瞬時(shí)擴(kuò)散激活能相同，但目前學(xué)界普遍認(rèn)為砷的瞬態(tài)增強(qiáng)擴(kuò)散效應(yīng)遠(yuǎn)弱于硼，這種差異與注入襯底中缺陷湮滅的速率相關(guān)。對硼離子注入后的硅片進(jìn)行快速熱退火時(shí)，瞬態(tài)增強(qiáng)擴(kuò)散現(xiàn)象十分顯著，因此難以形成源漏超淺結(jié)。通過進(jìn)一步降低注入離子能量、縮短退火時(shí)間，可減小離子注入與退火后形成的源漏超淺結(jié)深度。

表1常用雜質(zhì)在硅中穩(wěn)態(tài)本征擴(kuò)散與瞬時(shí)擴(kuò)散的激活能

然而，低能注入存在諸多問題：一是離子注入臨界角顯著增大，若采用常規(guī) 7° 傾斜注入，不僅會(huì)出現(xiàn)陰影效應(yīng)，還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈自濺射現(xiàn)象，影響注入效率與效果；二是離子束穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)，在空間電荷效應(yīng)作用下，低能離子束會(huì)逐漸發(fā)散，降低摻雜重復(fù)性與均勻性。針對這些問題，可采用離化大分子注入法 —— 通過大分子注入，能在常規(guī)能量下獲得與超低能注入等效的工藝效果。

硼離化大分子注入常選用 BF??離子束，因其是氣態(tài)硼源 BF?分子離化分解后的典型產(chǎn)物。BF??進(jìn)入硅片等靶材后，離化大分子會(huì)立即分裂為單個(gè)硼原子與氟原子，且所有原子速率相同（即硼原子速度 v_B 等于氟原子速度 v_F）。其動(dòng)能計(jì)算如下：

硼原子的動(dòng)能：

氟原子的動(dòng)能：

由于 v_B = v_F，結(jié)合硼（原子量 11）與氟（原子量 19）的原子量關(guān)系，可得：

根據(jù)上述計(jì)算，當(dāng)加速電壓為 5kV 時(shí)，有效硼注入能量約為 1keV，無需減小加速電壓即可實(shí)現(xiàn)超低能注入效果（利于形成超淺結(jié)）。除 BF?外，十硼烷（B??H??）、十八硼烷（B??H??）等大分子固體材料，也可作為硼離化大分子注入的源材料。

另一類常用方法是預(yù)非晶化離子注入 —— 在硅片表面形成非晶層，可防止后續(xù)離子注入時(shí)出現(xiàn)溝道效應(yīng)，進(jìn)而控制注入結(jié)深。需注意的是，非晶層在退火過程中會(huì)發(fā)生固相外延再生長，雖結(jié)晶質(zhì)量較好，但再結(jié)晶后可能殘留射程末端缺陷。為最大程度減少這類缺陷，可采用工藝參數(shù)為 1s/1000℃或 1s/1100℃的快速熱退火（RTA）或尖峰退火（Spike Annealing）。通常，以大分子材料作為 N 型或 P 型硅晶體（如 PMOS）的注入離子源時(shí)，預(yù)非晶化與離子注入摻雜過程可合二為一，簡化工藝流程；且熱退火后，非晶層通過固相外延再生長恢復(fù)為單晶狀態(tài)，此過程還能獲得更高的雜質(zhì)摻雜濃度。