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，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，并通過轉(zhuǎn)移足夠的能量將碰撞原子從晶格碰離出來。這些過程將持續(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)，退火過程無法在短時(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)。下圖說明了在熱退火過程中的晶體復(fù)原及摻雜物的激活情況。

高溫過程中，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)散過程將快于退火過程;而當(dāng)溫度較高時(shí)，例如高于1000攝氏度,退火過程比擴(kuò)散過程快，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