离子注入

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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,