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1、本章主要内容,离子注入特点 离子注入设备原理 离子注入机理 离子注入分布 离子注入损失 注入退火 离子注入与热扩散对比,4.1 离子注入特点,定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 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。 特点: 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:同一平面杂质均匀性和重复性在1(高浓度扩散510);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。,4.1 离子注入特点,无污染:注入离子纯度高,能量单一。 (质量分析器
2、;背景真空度高) 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。 成本高,4.2 离子注入设备原理,离子注入设备结构 离子源;质量分析器;加速器;偏束板;扫描器;靶室,离子注入系统的原理示意图,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,运动轨迹发生弯曲。,4.2 离子注入设备
3、原理,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。 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。,4.2 离子注入设备原理,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。 靶室(工作室):高温靶(800),低温靶(液氮温度),冷却靶(小于120 )。,4.2 离子注入设备原理,靶:被掺杂的材料。有 晶体靶:Si片; 无定形靶:SiO2、Si3N4、光刻胶等。 无定
4、形靶:可精确控制注入深度。,能量损失机制 核阻挡 与晶格原子的原子核碰撞 大角度散射(离子与靶原子质量同数量级) 可能引起晶格损伤(间隙原子和空位) 电子阻挡 与晶格原子的自由电子及束缚电子碰撞 注入离子路径基本不变 能量损失很少 晶格损伤可以忽略 典型的注入能量:5 - 500keV,4.3 离子注入机理 -核阻挡与电子阻挡,4.3.1 核阻挡本领Sn(E) (能量为E的注入离子) Sn(E)=(dE/dx)n (dE/dx)n -核阻挡能量损失率.,4.3 离子注入机理 -核碰撞与电子碰撞,注入离子与靶原子的相互作用 库仑力 F(r)=q2Z1Z2/r2 势能 V(r)=q2Z1Z2/r
5、Z1 、Z2 -核电荷数;r距离。 考虑电子的屏蔽作用 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)。,4.3 离子注入机理 -核碰撞与电子碰撞,4.3.2 电子阻挡本领 LSS模型:电子是自由电子气,类似黏滞气体。 Se(E)=(dE/dx)e=CV=ke(E)1/2 (dE/dx)e -电子阻挡能量损失率; V - 注入离子速度;C - 常数; ke- 与Z1、Z2、M1、M2有关的常数: 对非晶Si:ke1x103
6、(eV)1/2m-1; 对非晶AsGa:ke 3x103(eV)1/2m-1;,4.3 离子注入机理 -核碰撞与电子碰撞,注入离子的阻挡本领与注入能量关系,4.3.3 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; 以d/d1/2 作图,得图4.5,4.3 离子注入机理 -核碰撞与电子碰撞,注入离子能量与阻挡本领 高能区:电子阻挡占主要,核阻挡可忽略。 中能区:核阻挡占与电子阻挡相当; 低能区:核阻挡占主要,电子阻挡可忽略;,4.3 离子注入机理 -核碰撞与电子
7、碰撞,4.3 离子注入机理 -核碰撞与电子碰撞,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。,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/ke 对非晶Si:ke1x103(eV)1/2m-1; 对非晶AsGa: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 Rk2E0,4.3 离子注入机理 -核碰撞与电子碰撞,4.4 注入离子分布,1.总
8、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, , 式中,E0注入离子的初始能量。,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(离子注入深度的平均值),具有统计分布规律几率分布函数。,4.4 注入离子分布,4.标准偏差(投影偏差)RP反映了RP的分散程度(分散宽度) 5. R、RP及RP间的近似关系 , M1注入离子质量, M2靶原子质量,4.4 注入离子分布,4.4.1 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;注入离子按一定的统计规律分
9、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), NS注入剂量,4.4 注入离子分布,4.4 注入离子分布,4.4.2 横向效应 横向效应与注入能量成正比 是结深的3050; 窗口边缘的离子浓度是中心处的50;,4.4 注入离子分布,4.4.3 沟道效应(ion channeling) 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。,4.4 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
10、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。,4.4 注入离子分布,4.5 注入损伤,离子注入的碰撞:弹性碰撞和非弹性碰撞 注入能量较高:与电子的非弹性碰撞为主; 注入能量较低:与靶原子核的弹性碰撞为主。 4.3.1 级联碰撞 Ed:靶原子离开其平衡位置所需的最低能量。 ET:碰撞后靶原子获得的能量。 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
11、损伤 轻注入离子:如,起始以电子碰撞为主; 重注入离子:如,起始以核碰撞为主。,4.5 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=35X0.25=8.75eVEd=15eV,Si不位移; 当能量衰减为E=40keV(进入约130nm), S(E)= 60eV/nm,则 ET=60X0.25=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=480(个) 设:Si位移2.5nm,则损伤体积为 Vdam =(2
12、.5nm)2(120nm)=2.4X10-18cm3 损伤密度=480/Vdam=2X1020cm-3 (占相应体积中所有原子的0.4%),4.5 注入损伤,例2:As离子,E0=80keV,Rp=50nm,平均S(E)=1.2keV/nm 1个As共产生约4000个位移Si Vdam =(2.5nm)2(50nm)=1X10-18cm3 损伤密度=4000/Vdam=4X1021cm-3 (占相应体积中所有原子的8%),4.5 注入损伤,4.5.3 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
13、注入离子质量成反比。 靶温靶温越高,损伤越轻。,4.5 注入损伤,4.6 注入退火,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,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激活。 退火方法:热退火(传统退火);快速退火。,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,可使复杂的损伤分解为简单的缺陷,如空位、间隙原子等。 简单的缺陷能以较
14、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)。,4.6 注入退火,4.6.1 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: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 (杂质激活能小于Si扩散的激活能)。,4.6 注入退火,4.6.2 硼的退火特性 4.6.3 磷的退火特性 4.6.4 热退火过程的扩散效应 (以上请自学),4.6 注入退火,4.6.5 快
15、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,以到消除损伤的目的。 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;,4.6 注入退火,4.6.5 快速退火,种类 a.脉冲激光:固液相外延退火机理。 优点:功率密度高;激活率高。 b.连续波激光:固固相外延退火机理。 优点:杂质分布不受影响。 缺点:能量转换率低(1) c.电子束:固液外延退火机理。 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。,RTA与炉(热)退火,RTP退火,炉退火,金属栅极对准问题,对准,未对准,金属栅MOS工艺:先制作源漏,后制作栅极(为什么?),离子注入P(自对准),1、以多晶硅栅为掩膜,离子注入各项异性,自对准注入 2、同时多晶硅也被掺杂,多晶硅的电阻率降低,在小尺寸器件中,尤其重要,,扩散与离子注入的对比,