离子注入一

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1、第四章 离子注入,4.1 离子注入原理 4.2 注入离子在靶中的分布 4.3 注入损伤 4.4 退火 4.5 离子注入设备与工艺 4.6 离子注入的其他应用,1,两步扩散,第一步 为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition） （称为预沉积或预扩散） 控制掺入的杂质总量,第二步 为有限源的扩散（Drive-in），往往同时氧化 （称为主扩散或再分布） 控制扩散深度和表面浓度,扩散工艺,2,定义： 离子被强电场加速后注入靶中，离子受靶原子阻止而停留其中，经退火后成为具有电活性的杂质的一个非平衡的物理过程。,离子注入的基本过程 将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子 在强电场

2、中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶） 以改变这种材料表层的物理或化学性质,4.1 离子注入原理,什么是离子注入？,注入元素纯度高，能量单一；污染小； 可精确控制掺杂原子数目，平面上杂质掺杂分布非常均匀（1% 以内）； 衬底保持在低温，可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质，避免了高温过程引起的热缺陷； 可通过精确控制掺杂剂量和能量来达到各种杂质浓度分布与掺杂深度； 表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度或深结高浓度； 离子注入直进性，横向效应小，有利于芯片尺寸缩小； 硅表面的薄膜起到保护膜作用，防止污染； 适合化合物掺杂。,4.1 离子注入原理,离子注入的特点,离子注入的缺点： 入

3、射离子对衬底有损伤，必须退火； 很浅和很深的结难于制得； 高剂量注入产率受限制； 设备昂贵； 不安全因素，如高压、有毒气体,4.1 离子注入原理,相对于扩散，它能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。 在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为一种主流技术。 离子注入已成为VLSI制程上最主要的掺杂技术。,隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断 调整阈值电压用的沟道掺杂 CMOS阱的形成 浅结的制备,4.1 离子注入原理,离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。,4.1

4、离子注入原理,注入离子如何在体内静止？,LSS理论对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究,1963年，Lindhard, Scharff and Schiott首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论。 该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程 (1) 核阻止（nuclear stopping） (2) 电子阻止 （electronic stopping） 总能量损失为两者的和,4.1 离子注入原理,核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论,核碰撞 (注入离子与靶内原子核间的碰撞） 来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。 质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生散射，失去

5、一定的能量。靶原子也因碰撞而获得能量，离开原来所在晶格位置，进入晶格间隙，留下一个空位，形成缺陷。 Sn(E)=(dE/dx)n 电子碰撞(注入离子与靶原子周围电子云的碰撞） 来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。 两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，散射角度也小，运动方向基本不变。电子则被激发至更高的能级或脱离原子。能瞬时形成电子-空穴对。 Se(E)=(dE/dx)e,4.1 离子注入原理,阻止本领,核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论,4.1 离子注入原理,阻止本领,-dE/dx：能量随距离损失的平均速率 E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量 Sn(E)：核阻止本领/截面 (

6、eVcm2) Se(E)：电子阻止本领/截面（eVcm2) N: 靶原子密度 51022 cm-3 for Si,LSS理论,能量E的函数,能量为E的入射粒子在密度为N的靶内走过x距离后损失的能量,4.1 离子注入原理,低能量时，核阻止本领随能量的增加而线性增加，Sn(E)会在某一中等能量时达到最大值。 高能量时，由于高速粒子没有足够的时间和靶原子进行有效的能量交换，所以Sn(E)变小。,核阻止本领,4.1 离子注入原理,电子阻止本领,电子阻止本领同注入离子的速度成正比，即与注入离子能量的平方根成正比。 V 为注入离子速度，Ke 与注入离子和靶的原子序数、质量有微弱关系，粗略估计时，可近似为常

7、数,4.1 离子注入原理,核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论,4.1 离子注入原理,不同能区的能量损失形式 低能区：以核碰撞为主 中能区：核碰撞、电子碰撞持平 高能区：以电子碰撞为主,R：射程，离子在靶内的总路线长度 Rp：投影射程，R在入射方向上的投影,Rp：标准偏差（Straggling），投影射程的平均偏差 R：横向标准偏差（Traverse straggling）, 垂直于入射方向平面上的标准偏差。,射程分布：平均投影射程Rp，标准偏差Rp，横向标准偏差R,4.1 离子注入原理,几个概念,对于无定形靶（SiO2、Si3N4、光刻胶等），注入离子的纵向分布可用高斯函数表示： 其中：,4

8、.1 离子注入原理,17/35,4.1 离子注入原理,投影射程Rp:,4.1 离子注入原理,注入离子的浓度分布,在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式,200 keV 注入,元素 原子质量 Sb 122 As 74 P 31 B 11,Cp,4.2 注入离子在靶中的分布,注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况 横向渗透远小于热扩散,横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。,4.2 注入离子在靶中的分布,横向效应,4.2 注入离子在靶中的分布,横向效应,常用注入离子在不同注入能量下的特性,平均投影射程Rp,标准偏差Rp,4.2 注入离子在靶中的分布,随

9、能量增加，投影射程增加 能量一定时，轻离子比重离子的射程深。,4.2 注入离子在靶中的分布,沟道效应,以上讨论的是无定形靶（非晶靶）的情形。 无定形材料中原子排列无序，靶对入射离子的阻止作用是各向同性的 一定能量的离子沿不同方向射入靶中将会得到相同的平均射程。 实际的硅片单晶 在单晶靶中，原子是按一定规律周期地重复排列，而且晶格具有一定的对称性。 靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而与晶体取向有关。,4.2 注入离子在靶中的分布,沟道效应,定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿沟道运动。沟道离子唯一的能量损失机制是电子阻止，因此注入离子的能量损失率就很低，故注入深度

10、较大。 离子方向=沟道方向时离子因为没有碰到晶格而长驱直入 效果：在不应该存在杂质的深度发现杂质多出了一个峰！,4.2 注入离子在靶中的分布,沟道效应,4.2 注入离子在靶中的分布,沟道效应,4.2 注入离子在靶中的分布,沟道效应,怎么解决？,倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入方向，典型值为7； 先重轰击晶格表面，形成无定型层； 表面长二氧化硅薄层；,4.2 注入离子在靶中的分布,沟道效应,浓度分布 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离LSS理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的“尾巴”,产生非晶化的剂量,沿的沟道效应,4.2 注入离子在靶中的分布,沟道效应,表面非晶层对于沟

11、道效应的作用,Boron implant into SiO2,Boron implant into Si,4.2 注入离子在靶中的分布,沟道效应,注入离子的真实分布,真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布 轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子(Sb)将在比峰值位置更远一侧堆积。 实际注入还有更多影响因素，主要有衬底材料、晶向、离子束能量、注入杂质剂量以及入射离子性质等。,4.2 注入离子在靶中的分布,4.3 注入损伤,晶格损伤和无定型层 靶原子在碰撞过程中，获得能量，离开晶格位置，进入间隙，形成间隙空位缺陷对；

12、 脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可使得被碰靶原子脱离晶格位置。 缺陷的存在使得半导体中载流子的迁移率下降，少子寿命缩短，影响器件性能。 杂质未激活 在注入的离子中，只有少量的离子处在电激活的晶格位置。,注入后发生了什么,4.3 注入损伤,晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞，可能使靶原子发生位移，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的空位间隙原子对及其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。,什么是注入损伤？,(Si)SiSiI + SiV,4.3 注入损伤,损伤的产生,移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。 移位

13、阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量. (对于硅原子, Ed15eV) E2Ed 级联碰撞 注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程，称为能量传递过程,4.3 注入损伤,级联碰撞 简单晶格损伤 孤立的点缺陷或缺陷群（注入离子每次传递给硅原子的能量约等于移位阈能） 局部的非晶区域（单位体积的移位原子数目接近半导体的原子密度） 非晶层 注入离子引起损伤的积累,4.3 注入损伤,轻离子注入,4.3 注入损伤,重离子注入,4.3 注入损伤,非晶化,注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完全破坏变为无序的非晶区。 与注入剂量的关系 注入剂量越大，晶格损伤越严重。 临界剂量：

14、使晶格完全无序的剂量。 临界剂量和注入离子的质量有关，随离子质量增加而下降，随靶温增加而上升。,4.3 注入损伤,第二章 氧化-作业,8.某一硅片上面已覆盖有0.2um厚的SiO2层，现需要在1200下用干氧氧化法再生长0.1um厚的氧化层，问干氧氧化的时间是（ ）min. 已知：干氧 A=0.04 m, B=7.510-4 m2/min, =1.62min 。,40,SiO2生长快慢将由氧化剂在SiO2中的扩散速度以及与Si反应速度中较慢的一个因素所决定： 氧化时间长(Thick oxide)，即t和t A2/4B时，则SiO2的厚度和时间的关系简化为： 抛物型规律，扩散控制,扩散控制：DSiO2 0， Ci 0， Co C *,两种极限情况,2.3 硅的热氧化,B 2DC*/N1抛物线速率常数，表示氧化剂扩散流F2的贡献,41,氧化时间短(thin oxide)，即（t +） A2/4B时，则SiO2的厚度和时间的关系简化为 线性规律，反应控制,反应控制：ks 0， Ci Co= C */（1+ks/h）,两种极限情况,2.3 硅的热氧化,B/A C*ks/N1线性速率常数，表示界面反应流F3的贡献,42,