離子注入工藝的損傷與熱退火

高電流的硅或錯(cuò)離子注入將嚴(yán)重破壞單晶體的晶格結(jié)構(gòu)，并在晶圓表面附近產(chǎn)生非晶態(tài)層。硅或錯(cuò)的非晶態(tài)注入過(guò)程可以完全消除通道效應(yīng)，因?yàn)樵诜蔷B(tài)襯底中，摻雜物界面的分布輪廓由離子注入形成，一般遵循高斯分布，這是可以預(yù)測(cè)、重復(fù)和控制的。

這種預(yù)先非晶態(tài)注入的方式增加了額外的離子注入步驟，使生產(chǎn)成本增加。當(dāng)特征尺寸不斷縮小時(shí)，熱退火的熱積存也減少了。對(duì)于納米節(jié)點(diǎn)技術(shù)，可能沒有足夠的熱積存通過(guò)退火恢復(fù)預(yù)非晶注入引起的晶體損傷，殘留的缺陷可能導(dǎo)致結(jié)的漏電。

損傷與熱退火

離子注入過(guò)程中，離子因?yàn)榕c晶格原子碰撞逐漸失去能量，同時(shí)會(huì)將能量轉(zhuǎn)移給碰撞原子。這些轉(zhuǎn)移的能量會(huì)使碰撞原子從晶格的束縛能中釋放出來(lái)，通常的束縛能為25eV左右。這些自由原子在襯底內(nèi)運(yùn)行時(shí)會(huì)與其他的晶格原子產(chǎn)生碰撞，并通過(guò)轉(zhuǎn)移足夠的能量將碰撞原子從晶格碰離出來(lái)。這些過(guò)程將持續(xù)進(jìn)行，直到?jīng)]有任何一個(gè)自由原子有足夠的能量把其他的晶格原子釋放岀來(lái)為止。高能量的離子可以使數(shù)千晶格原子的位置偏離。高能量的注入離子所產(chǎn)生的損傷如下圖所示。

由單一離子造成的損傷可以在室溫下通過(guò)襯底內(nèi)原子的熱運(yùn)動(dòng)很快自我退火而消除。然而在離子注入過(guò)程中，離子總數(shù)非常大，以至于單晶襯底中靠近表面部分造成大量的晶格損傷，進(jìn)而使單晶硅變成非晶態(tài)，退火過(guò)程無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)修復(fù)晶體的損傷。損傷的效應(yīng)與劑量、能量和離子的質(zhì)量有關(guān)，會(huì)隨劑量與離子能量的增大而增加。如果注入的劑量過(guò)高，靠近襯底表面的離子射程內(nèi)，襯底的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)完全被破壞而變成非晶態(tài)。

為了達(dá)到元器件設(shè)計(jì)的要求，晶格損傷必須在熱退火過(guò)程中修復(fù)成單晶結(jié)構(gòu)并激活摻雜物。只有當(dāng)摻雜物原子在單晶體晶格位置時(shí)，才能有效提供電子或空穴作為電流的主要載體。高溫過(guò)程中，原子能從熱能中獲得能量并進(jìn)行快速熱運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到單晶晶格中具有最低自由能的位置時(shí)，就將停留在此位置。

因?yàn)樵跊]有被破壞的襯底下是單晶硅，所以被破壞的非晶態(tài)層中的硅與摻雜物原子，將在靠近單晶硅界面位置通過(guò)落入晶格位置且被晶格能束縛后重建單晶結(jié)構(gòu)。下圖說(shuō)明了在熱退火過(guò)程中的晶體復(fù)原及摻雜物的激活情況。

高溫過(guò)程中，單晶體的熱退火、摻雜物原子的激活和摻雜物原子的擴(kuò)散將同時(shí)發(fā)生。當(dāng)集成電路的圖形尺寸縮小到深亞微米時(shí)，將只有極小的空間使摻雜物原子擴(kuò)散，因此必須在加熱退火過(guò)程中將摻雜物的擴(kuò)散減到最小。

摻雜物原子在非晶硅中具有不受限制的自由熱移動(dòng),比在單晶體晶格中的擴(kuò)散快，這是因?yàn)閱尉w晶格的束縛能將嚴(yán)重限制摻雜物原子的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)溫度較低時(shí)，擴(kuò)散過(guò)程將快于退火過(guò)程;而當(dāng)溫度較高時(shí)，例如高于1000攝氏度,退火過(guò)程比擴(kuò)散過(guò)程快，這是因?yàn)橥嘶鸬募せ钅埽s5eV）比擴(kuò)散的激活能（3?4eV）高。

審核編輯：劉清