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1、第四章 离子注入,主 讲：毛 维 西安电子科技大学微电子学院,概述,目的：掺杂（1954年，Shockley 提出）；应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的 沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断， 特别是浅结。定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬 底中的过程。,注入温度低:对Si，室温；对GaAs,400。 （避免了高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜。）掺杂数目完全受控:同一平面内的杂质均匀性和重复性在1（而高浓度扩散的最好结果只能控制在（5-10）；能精确控制浓度分布及结深，特别适合制作高浓度浅结、突变型分布。无污染:注入离子纯度高，能量单一。 （质量分析器；背景真空度高）,离
2、子注入的特点：,横向扩散小：有利于器件特征尺寸的缩小。不受固溶度限制:原则上各种元素均可掺杂。注入深度随离子能量的增加而增加。（诸多优点，使离子注入成为IC工艺的主要掺杂技术）缺点：损伤(缺陷)较多:必须退火。设备昂贵，成本高。,离子注入的特点：,离子注入基本原理：,基本原理将杂质原子经过离化变成带电的杂质离 子，并使其在电场中加速，获得一定能 量后，直接轰击到半导体基片内，使之 在体内形成一定的杂质分布，起到掺杂 作用。离子注入三大基本要素： 离子的产生 离子的加速 离子的控制,离子注入设备的结构,离子源；质量分析器（磁分析器）；加速器(管)；偏束板；扫描器；靶室 注：和统称聚焦和扫描系统,
3、离子注入系统的原理示意图,离子注入系统的原理示意图,掺杂浓度及深度的控制,离子注入机分类,离子注入机按注入能量的大小，可粗略地区分为低能机（200Kev以下）、中能机（200KevlMev）和高能机（1Mev以上）按离子束电流强度区分，可分为小束流机（1100 A以下）、中束流机（100A1mA）和强束流机(1mA以上)若按使用不同对象区分，又可分为半导体用离子注入机和金属用离子注入机。,离子注入设备,1.离子源作用：产生注入用的离子。原理：杂质原子高能电子轰击（电子放电）注入离子类型：高频，电子振荡，溅射2.磁分析器（质量分析器）作用：将所需离子分选出来。原理：带电离子在磁场中受洛伦磁力作用
4、，运动轨迹 发生弯曲。3.加速器作用：使离子获得所需的能量。原理：利用强电场，使离子获得更大的速度。,离子注入设备,4.偏束板作用：使中性原子束因直线前进不能达到靶室。原理：用一静电偏转板使离子束偏转5-8作用再进 入靶室。5.扫描器作用：使离子在整个靶片上均匀注入。方式：靶片静止，离子束在X,Y方向作电扫描。粒子束在Y方向作电扫描，靶片在X方向作机械运动。粒子束静止，靶片在X,Y方向作机械运动。6.靶室（工作室）：高温靶（800），低温靶（液氮温度），冷却靶（小于120 ）。,基本概念：,靶：被掺杂的材料。常用的靶有 晶体靶：Si片； 无定形靶：SiO2、Si3N4、光刻胶等。无定形靶：可精
5、确控制注入深度。,4.1 核碰撞和电子碰撞,典型的注入能量E0：5 - 500keV注入离子分布-LSS模型：能量损失模型；离子在同靶中的电子和原子核多次碰撞后，逐步损失能量，最后在靶中某一点停止下来。 （Lindhard，Scharff，Schiot三人创立） 核碰撞（阻止） 注入离子与靶原子核碰撞，将能量传给靶核， 离子发生偏转，靶核产生位移。 电子碰撞（阻止） 注入离子与靶内的自由电子和束缚电子碰撞，产 生电子空穴对； 注入离子运动方向基本不变。,4.1 核碰撞和电子碰撞,4.1.1 核阻止本领Sn(E)Sn(E)=(dE/dx)nE-注入离子在x处的能量(dE/dx)n -核阻止能量损
6、失率,4.1 核碰撞和电子碰撞,注入离子与靶原子的相互作用(当忽略电子屏蔽作用时)库仑力 F(r)=q2Z1Z2/r2 势能 V(r)=q2Z1Z2/r Z1 、Z2 -核电荷数（原子序数）；r距离。考虑电子的屏蔽作用(当两粒子相距较远时)势能 V(r)=q2Z1Z2/rf(r/a) f(r/a)-屏蔽函数；a-屏蔽参数；最简单（一级近似）：f(r/a)=a/r，则Sn=Sn0=常数 （图4.2，虚线）；更精确：托马斯-费米屏蔽函数（图4.2，实线）。,4.1 核碰撞和电子碰撞,4.1.2 电子阻止本领LSS模型：认为电子是自由电子气，类似黏滞气体。 Se(E)=(dE/dx)e=CV=ke(
7、E)1/2 (dE/dx)e -电子阻止能量损失率； V - 注入离子速度；C - 常数； ke-与Z1、Z2、M1、M2有关的常数（对于非晶而言）： 对非晶Si：ke1x103(eV)1/2m-1； 对非晶GaAs：ke 3x103(eV)1/2m-1；单个入射离子在靶内单位距离上总的能量损失为：,4.1 核碰撞和电子碰撞,4.1.3 射程粗略估计LSS模型：引入简化的无量纲的能量参数和射程参数，即 = (RNM1M24a2)/(M1+M2)2 = E0aM2/Z1Z2q2(M1+M2)N- 单位体积的原子数；M1- 注入离子质量M2- 靶原子质量a-屏蔽长度以d/d 1/2 作图，得图4.
8、5,注入离子能量低能区：核阻挡占主要，电子阻挡可忽略；中能区：核阻挡与电子阻挡相当；高能区：电子阻挡占主要，核阻挡可忽略。,4.1 核碰撞和电子碰撞,4.1 核碰撞和电子碰撞,临界能量（交叉能量）Ene( Ec): Sn(E)=Se(E)处的能量。Ene随注入离子原子量 的增加而增大。轻离子，B: Ene15keV， 重离子，P: Ene150keV。,4.1 核碰撞和电子碰撞,在粗略的一级近似下，核阻止本领Sn0与电子阻止本领Se(E)的比较, S,E,Se(E),Ec,4.1 核碰撞和电子碰撞,射程R的粗略估算 注入离子初始能量E0Ene： Se(E)为主，则 Rk1E01/2 k1=2/
9、ke 对非晶Si：ke1x103(eV)1/2m-1； 对非晶GaAs：ke 3x103(eV)1/2m-1； 注入离子初始能量E0 Ene： Sn(E)为主，且假设 Sn(E)= Sn0，则 Rk2E0 k2近似为常数。,1.总射程R定义：注入离子在靶内走过的路径之和。R与E的关系：根据能量的总损失率， 则，式中，E0注入离子的初始能量。,4.2 注入离子在无定形靶中的分布,4.2 注入离子分布,2.投影射程XP： 总射程R在离子入射方向（垂直靶片）的投影长度，即离子注入的有效深度。3.平均投影射程RP：投影射程XP的平均值，具有统计分布规律几率分布函数。,4.2 注入离子分布,4.标准偏差
10、（投影偏差）RP 反映了RP的分散程度（分散宽度）。5. R, RP, RP间的近似关系 M1注入离子质量， M2靶原子质量,4.2 注入离子分布,4.2.1 注入离子纵向分布-高斯分布 注入离子在靶内不断损失能量，最后停止在某处； 注入离子在靶内的碰撞是一随机过程； 注入离子按一定的统计规律分布。求解注入离子的射程和离散微分方程，距靶表面为x(cm)处的浓度分布为 ，高斯函数 Nmax=0.4NS/RP峰值浓度（在RP处）(后面具体推导) NS注入剂量（通过靶表面单位面积注入的离子数）,4.2 注入离子分布,在实验中，入射离子的剂量(即垂直入射在靶表面单位面积上的离子数) 是人为控制的，它是
11、一个己知量。设Ns为沿x方向的剂量，则,令：,则：dx = RP dX,由图可见，浓度分布具有以 下几个特点：在平均投影射程xRp处有 一最高浓度,在平均投影射程Rp两边，注入离子浓度对称下降，x-Rp 越大，下降越快。在x-RpRP处N(x)/Nmax=e-1/2=0.6065,n结的位置：,常用离子在硅中的注入能量(KeV)与射程( )等数据的关系,4.2 注入离子分布,4.2.2 横向效应横向效应与注入能量成正比；是结深的30-50；窗口边缘的离子浓度是中心 处的50；沿x方向垂直入射各向同性非晶靶内，注入离子空间分布函数为：,4.2 注入离子分布,4.2.3 沟道效应(ion chan
12、neling)非晶靶：对注入离子的阻挡是 各向同性；单晶靶：对注入离子的阻挡是 各向异性；沟道：在单晶靶的主晶轴方向 呈现一系列平行的通道， 称为沟道。,硅晶体的原子构型,沿 轴的硅晶格视图,4.2 注入离子分布,沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射 程比非晶靶远的多。 好处：结较深；晶格损伤小。 不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。减小沟道效应的途径 注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值-70； 淀积非晶表面层（SiO2)； 在表面制造损伤层； 提高靶温； 增大剂量。,4.3 注入损伤,4.3.1 级联碰撞1 .损伤的形成 Ed:靶原子离开其平衡位置所需的最低能量。 ET:靶
13、原子与注入离子碰撞后获得的能量。若 ETEd：靶原子位移，留下空位；若 ETEd：位移原子（反冲原子）再与靶原子碰撞，产生级联碰撞。4.3.2 晶格损伤,4.3 注入损伤,损伤密度 例1：B离子，E0=80keV，Rp=250nm; 已知:Si晶格间距为0.25nm；初始S（E）=35eV/nm；则 ET=350.25=8.75eVEd=15eV，Si不位移； 当E=40keV(此时Rp1=130nm) , S（E）=60eV/nm，则 ET=600.25=15eV=Ed，Si位移，且位移2.5nm/次； 设：每个晶面都有1个Si位移，则在B离子停止前，位移Si为 120nm/0.25nm=4
14、80 设：Si位移2.5nm,则损伤体积为 Vdam =（2.5nm)2(120nm)=2.410-18cm-3损伤密度=480/Vdam=21020cm-3 (占相应体积中所有原子的0.4%）,4.3 注入损伤,例2：As离子，E0=80keV，Rp=50nm，平均S（E）=1.2keV/nm1个As共产生约4000个位移SiVdam =（2.5nm)2(50nm)=110-18cm-3损伤密度=4000/Vdam=41021cm-3 (占相应体积中所有原子的8%）,4.3 注入损伤,4.3 注入损伤,4.3.3 非晶层的形成 随注入剂量的增加，原先相互隔离的损伤区发生重叠，最终形成长程无序
15、的非晶层。临界剂量形成非晶层所需的最小注入离子剂量； 临界剂量与注入离子质量成反比。靶温靶温越高，损伤越轻。,4.4 热退火,离子注入所形成的损伤有：散射中心：使迁移率下降；缺陷中心：非平衡少子的寿命减少，pn结漏电流增 加；杂质不在晶格上：起不到施主或受主的作用。退火目的：消除注入损伤，使注入离子与位移Si原子 恢复正常的替位位置电激活。退火方法：热退火（传统退火）；快速退火。,4.4 热退火,热退火机理a.无定形层（非晶层）： 通过固相外延，使位移原子重构而有序化。无定形是晶体的亚稳态，这种固相外延可在较低温度下发生。b.非无定形层： 高温下，原子振动能增大，因而移动能力增强，可使复杂的损
16、伤分解为简单的缺陷，如空位、间隙原子等。 在热处理温度下，简单的缺陷能以较高的迁移率移动，相互靠近时，就可能复合而使缺陷消失。退火工艺条件：温度；时间；方式（常规、快速）。,4.4 热退火,4.4.1 硅材料的热退火特性退火机理：复杂的损伤分解为简单缺陷：空位、间隙原子；简单缺陷可因复合而消失；损伤由单晶区向非单晶区通过固相外延再生长得到恢复。二次缺陷(能量较低)：(高能量的)简单缺陷重新组合，形成新 的缺陷。注入剂量与退火温度成正比。载流子激活所需温度：低于寿命和迁移率恢复所需温度。,热退火原理示意,晶格原子,杂质原子,晶格原子,杂质原子,晶格原子,杂质原子,晶格原子,杂质原子,晶格原子,杂
17、质原子,晶格原子,杂质原子,晶格原子,杂质原子,晶格原子,杂质原子,退火前后比较,4.4 热退火,4.4 热退火,4.4.2 硼的退火特性区：随温度增加，复合几率 增加，点缺陷消失，替 位B增加，载流子增加；区：点缺陷重新组合，B被 结合到缺陷团，随温度 增加，替位B下降，载 流子下降；区：产生Si自身空位，间隙 B进入空位成替位B。,4.4.3 磷的退火特性,虚线：损伤区是非无定形；实线：损伤区是无定形-非晶层；,4.4.4 热退火过程的扩散效应,4.4 热退火,4.4.5 快速退火(RTA，rapid thermal annealing) 常规热退火的缺点 激活率an低； 二次缺陷； 导致
18、明显的杂质再分布； 硅片变形。RTA机理：利用高功率密度的物质作用于晶片表面，使注入 层在短时间内达到高温，以达到到消除损伤的目 的。,4.4.5 快速退火,特点： 退火时间短（1011102秒）； 注入杂质激活率高； 对注入杂质分布影响小； 衬底材料的电学参数基本不受影响。种类 a.脉冲激光 退火机理：固液相外延模型。 优点：功率密度高；激活率高。,4.4.5 快速退火,b.连续波激光 退火机理：固固相外延模型。 优点：杂质分布不受影响。 缺点：能量转换率低（1）c.电子束 退火机理：固液外延模型。 优点：能量转换率高（50）。d.宽带非相干光源 光源：卤素灯，电弧灯。 优点：无干涉效应；生产效率高；设备简单。,
