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1、1,第6章 离子注入,田丽,微电子工艺5,2,内容,6.1 概述 6.2离子注入原理 6.3注入离子在靶中的分布 6.4注入损伤 6.5退火 6.6离子注入设备与工艺 6.7离子注入的其它应用,3,什么是离子注入 离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质,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 在强电场中加速，获得较高的动能 注入材料表层（靶）以改变这种材料表层的物理或化学性质,6.1 概述,4,离子注入特点,各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量（1011-1017 cm-2）和能量（5-500
2、keV）来达到 同一平面上杂质掺杂分布非常均匀（1% variation across an 8 wafer） 非平衡过程，不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度 注入元素通过质量分析器选取，纯度高，能量单一 低温过程（因此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扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂； 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小 可防止玷污，自由度大 会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进 设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机） 有不安全因素，如高压、有毒气体,5,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
3、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。,6,R：射程（range） 离子在靶内的总路线长度 Xp：投影射程（projected range） R在入射方向上的投影,射程分布： 平均投影射程Rp， 标准偏差Rp， 横向标准偏差R,6.2离子注入原理6.2.1与注入离子分布相关的几个概念,7,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。,8,LSS理论对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究,1963年，Lindhard, Sch
4、arff 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) 核碰撞（nuclear stopping） (2) 电子碰撞 （electronic stopping） 阻止本领（stopping power）：材料中注入离子的能量损失大小。,6.2.2 离子注入相关理论基础（LSS理论）,9,核碰撞：能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。,核阻止本领 能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，
5、损失给靶原子核的能量。,核碰撞,碰撞参数pr1+r2,10,核阻止本领,M质量 Z 原子序数 下标1离子 下标2靶,正面碰撞 最大能量转移：,忽略外围电子屏蔽作用，注入离子与靶内原子之间势函数：,注入离子与靶内原子之间弹性碰撞,11,能量损失率与离子能量的关系,核碰撞,电子屏蔽函数,考虑电子屏蔽时离子 与靶核之间相互作用势函数,a屏蔽参数,12,电子碰撞,电子碰撞指的是注入离子与靶内白由电子以及束缚电子之间的碰撞。 注入离子和靶原子周围电子云通过库仑作用，使离子和电子碰撞失去能量，而束缚电子被激发或电离，自由电子发生移动。 瞬时地形成电子-空穴对。,电子阻止本领,电子阻止本领和注入离子的能量的
6、平方根成正比。,离子速度,13,-dE/dx：能量损失梯度 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 Se(E)：电子阻止本领 N: 靶原子密度 51022 cm-3 for Si,LSS理论,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,单位路程上注入离子由于核阻止（Sn(E)） 和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量 损失为两者的和。,14,As,P,B在硅中核、电子阻止本领与能量关系计算值,6.2.3 几种常用杂质在硅中的核阻止本领与能量关系,15,(1)低能区：Sn(E)占主要地位，Se(E)可忽略 (2)中能区：Sn(E)和Se(E)同等
7、重要 (3)高能区：Se(E) 占主要地位， Sn(E) 可忽略,16,核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端） 电子阻止本领在高能量下起主要作用,17,EOR damage,Courtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002).,18,6.3.1 纵向分布,注入离子在靶内受到的碰撞是随机的，所以杂质分布也是按几率分布的。 离子进入非晶层（穿入距离）的分布接近高斯分布。,Rp：投影射程的标准偏差 R：横向离散,6.3注入离子在靶中的分布,19,能量损失与射程R,b E 和R 的缓慢变化函数 M1M2; b=1/3,20,纵向分布,离子注入的实际浓度分布用
8、高斯函数表示,高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好,单位面积注入的离子总数,21,6.3.2横向效应,横向效应指的是注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况 由LSS理论计算得到的硼、磷和砷入射到无定形硅靶中R与入射能量的关系如图所示,22,横向分布,23,35 keV As注入,120 keV As注入,横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度,24,沟道（渗透）效应(Channeling effect ):衬底为单晶材料，离子束准确的沿着晶格方向注入，几乎不会受到原子核的散射，其纵向分布峰值与高斯分布不同。一部分离子穿过较大距离。,6.3.3单晶靶中的沟道效应,25,硅中常用杂质发生沟道效
9、应的临界角 （对每种杂质，上面曲线表示111衬底， 下面对应100衬底）,26,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”,沿的沟道效应,27,表面非晶层对于沟道效应的作用,Boron implant into SiO2,Boron implant into Si,28,减少沟道效应的措施,对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离710o 用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层（Pre-amorphization） 增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少） 表面用SiO2层掩膜,29,沟道效应
10、的防止方法,（111）硅一般采取偏离晶向7，平行偏转15的注入方法,30,实际上高能离子入射到衬底时，一小部分与表面晶核原子弹性散射，而从衬底表面反射回来，未进入衬底，这叫背散射现象.,6.3.4影响注入离子分布的其它因素,31,纵向分布,硼比硅原子质量轻得多，硼离子注入就会有较多的大角度散射。被反向散射的硼离子数量也会增多，因而分布在峰值位置与表面一侧的离子数量大于峰值位置的另一侧，不服从严格的高斯分布。 砷等重离子和硼轻离子的分布正好相反。,32,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 当轻离子硼（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
11、位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。,33,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。,6.4注入损伤,(Si)SiSiI + SiV,34,高能离子在靶内与晶格多次碰撞，从而导致靶的晶格损伤。 碰撞有弹性碰撞和非弹性碰撞。 注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程，称为能量淀积过程。,6.4.1级联碰撞,35,移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。 移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子
12、发生移位，所需的最小能量. (对于硅原子, Ed15eV) 碰撞中，当转移能量EEd移位阈能时，靶原子位移；若移位原子能量2Ed时，移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，这种现象称级联碰撞。,36,移位原子的估算,入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量 Ed 2Ed时，才能增加移位原子的数目。 估算一个以起始能量E0入射的离子，在碰撞过程中可以使靶内原子移位的数目N(E)为,37,损伤特点,损伤有三种： 点缺陷 非晶区 非晶层,损伤主要与注入离子质量、能量、剂量、剂量率有关；与靶温有关。 损伤峰值非常接近投影射程的75% 损伤造成半导体电学特性衰退：载流子迁移率下降；少子寿命变短；pn结反
13、向漏电。,38,重离子每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，获得大能量的位移原子还可使许多原子移位。注入离子的能量损失以核碰撞为主。同时，射程较短，在小体积内有较大损伤。重离子注入所造成的损伤区域小，损伤密度大。,质量较靶原子轻的离子传给靶原子能量较小，被散射角度较大，只能产生数量较少的位移靶原子，因此，注入离子运动方向的变化大，产生的损伤密度小，不重叠，但区域较大。呈锯齿状。,一个B，E080KeV，Rp 250nm，480个Si移位，损伤原子约0.4,一个As，E080KeV，Rp 250nm，4000个Si移位，损伤原子约8,6.4.2简单晶格损伤,39,6.4.3非晶化（Amorphi
14、zation）,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：使晶格完全无序的剂量。 临界剂量和注入离子的质量有关 与靶温关系 -自退火 与注入离子能量关系 与注入离子剂量率之间关系 与晶体取向的关系 与注入速度的关系,40,注入离子剂量,理论上可以由离子电流大小来量度: （ ion/cm2） 其中：I为电流；t为时间；A为注入面积。,41,在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩散进入替位，有电活性；并使晶体损伤区域“外延生长”为晶体，恢复或部分恢复硅的迁移率，少子寿命。 退火效果(q/NA,)，与温度，时间有关。
15、一般温度越高、时间越长退火效果越好。 退火后出现靶的杂质再分布。,6.5退火,42,退火条件、方法,退火条件：依据损伤情况定，目的是激活杂质，恢复电学特性 注入杂质的质量，剂量、剂量率，能量 靶温 退火方法 高温退火 快速退火：激光、宽带非相关光、电子束退火,43,损伤退火 （Damage Annealing）,被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。 注入后的半导体材料： 杂质处于间隙 nND；pNA 晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降 热退火后：n n=ND (p=NA) bulk 0,44,损伤退火的目的,去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原
16、有完美晶体结构 让杂质进入电活性（electrically active） 位置替位位置。 恢复电子和空穴迁移率 注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布,45,一定温度下，通常在Ar、N2或真空条件下,热处理 退火温度/时间/方式取决于注入剂量,靶温及非晶层的消除等不同条件而定。 修复晶格：退火温度600 oC以上，时间最长可达数小时 杂质激活：退火温度650900 oC，时间1030分钟 * 方法简单 * 不能全部消除缺陷 * 对高剂量注入激活率不够高 * 杂质再分布,6.5.1硅材料的热退火 特性,46,剂量对退火的影响,QT低，简单损伤，在较低温度下退火就可以消除。Sb，QT=1013cm2，T 300 退火，缺陷基本上消除； QT增大，形成非晶区，T400退火，Si中无序群才开始分解，Sb激活率只有20-30，非晶区的重新结晶要在550-600 。在此温度Si也随着结晶形成而进入晶格，被电激活。 重结晶常伴有位错环产生，低于800位借环
