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1、集成电路工艺原理,2,离子注入(Ion Implantation),5.1 前言 5.2 注入离子在半导体中的射程分布 5.3 离子注入损伤及其退火处理5.4 离子注入在集成电路中的应用 5.5 离子注入系统,3,5.1 前言,第五章 离子注入(Ion Implantation),5.1 前言,什么是离子注入,将某种元素的原子经离化变成带电的离子在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料（靶）表层以改变这种材料表层的物理或化学性质;,4,离子注入优点,注入元素纯度高，即杂质单一性； 各种杂质浓度分布与注入浓度可通过控制掺杂剂量(1011-1017cm-2)和能量(10-200KeV)来达到；
2、横向分布非常均匀(1% variation across 8wafer)； 可用多种材料作掩膜(如金属、光刻胶、介质.)，可防止沾污，自由度大； 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； 低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的热扩散，有利于集成度提高； 容易实现化合物半导体的掺杂； 可采用微离子束扫描实现无掩膜选择注入；,5,离子注入的局限性,会产生缺陷，甚至非晶层，必须经高温退火加以改善； 产量较小； 设备复杂； 有不安全因素(如高压、有毒气体)； 会引入沾污；,6,5.2 注入离子在半导体中的射程分布,任何一个入射离子在靶内所受到的碰撞是一个随机过程。各
3、个离子在靶内发生的碰撞，每次碰撞的偏转角、相邻两次碰撞之间的行程，以及离子在靶内所运动的行程长度等都是不同的；如注入的离子数量很小，则它们在靶内的分布很散，如注入大量的离子，这些离子在靶内将按一定的统计分布；,7,一 有关射程的概念,1，射程R:离子在靶内总的行程长度； 2，投影射程Rp:R在入射方向上的投影；,8,3 射程分布以平均投影射程Rp、及其标准偏差Rp和横向标准偏差R描述。,平均投影射程: (N：入射离子总数）,标准偏差Rp 投影射程的平均偏差；,横向标准偏差R 垂直入射方向平面内的标准偏差；,9,二 非晶靶中的射程分布,1，注入离子在靶内分布的理论 LSS理论 1963年，Lin
4、dhard, Scharff and Schiott首先确立了注入离子在靶内分布的理论，简称 LSS理论。 该理论认为，入射离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程： (1)入射离子与原子核的碰撞(核阻挡)； (2) 与电子(自由电子和束缚电子)碰撞(电子阻挡)； 总能量损失为两者的和；,10,核阻挡 入射离子与靶内原子核之间的相互碰撞；由于入射离子与靶内原子核的质量处在同一数量级，每次碰撞后，入射离子都可能发生大角度散射，并失去一定的能量；靶原子核也因碰撞而获得能量，一旦其获得的能量大于原子束缚能，它就会离开原来所在的位置，进入晶格间隙，并留下一个空位，形成缺陷；,核碰撞 (nuclear
5、 stopping),11,电子碰撞 入射离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬时形成空穴电子对；由于两者的质量相差非常大，每次碰撞离子能量损失较小，且都是小角度散射。散射方向是随机的，多次散射结果，入射方向基本不变。,电子碰撞 (electron stopping),12,注入离子如何在体内静止？,注入离子通过库仑散射(Coulomb Scattering)失去能量从而静止,离子和靶内的自由电子及束缚电子相互作用(通常对较轻的离子和高能量注入）； 离子和靶内原子核作用(通常对重离子和低能量注入离子）；,13,2 核阻挡本领与电子阻挡本领 入射离子在靶内能量损失的具体情况,阻挡
6、本领(stopping power)：材料对入射离子阻止能量的大小用阻挡本领来衡量。阻挡本领表示离子在靶子中受到阻止的概率。 电子阻挡本领：来自原子之间的电子阻止，属于非弹性碰撞； 核阻挡本领：来自原子核之间的阻止，属于原子核之间的弹性碰撞；,14,设一个入射离子在其运动路程上任一点x处的能量为E,同样，电子阻挡本领就定义为：,能量随距离损失的平均速率则为：,式中, N:靶原子密度51022cm-3 for Si；知道了阻挡本领，即可求出入射离子在靶内运动的总路程R:,则，核阻挡本领就定义为：,15,3 射程的粗略计算,在解得入射离子同靶内任何一个原子发生弹性碰撞时所传递的能量Tn(E,p)时
7、，一粒注入离子进入原子密度为N的无定形靶内，通过dx距离时，传递给所有原子核的总能量，可以通过对各种可能的碰撞参数积分求得：,则，核阻挡表达式变为,其中2p，为微分散射截面；,16,已知入射离子与靶原子核间相互作用的势能关系即可求得Sn(E);,如果选用一个与距离r平方成反比的势能函数，其核阻挡能量损失率是一个固定值，即原子核阻挡本领Sn(E)与入射粒子的能量E无关，这时,式中，Z1和Z2分别为入射离子和靶离子的原子序数；m1和m2分别为入射离子和靶原子的质量；,17,LSS理论对电子阻挡本领作一级近似，在常用注入离子范围内电子阻挡本领Se(E)与入射离子的速度成正比，即与入射离子能量的平方根
8、成正,K取决于入射粒子和靶材料，在粗略近似下，对无定形硅靶：,18,图中给出了Se(E)和Sn(E)与E之间的关系，在E2处核阻挡和电子阻挡相等；对不同材料的靶和入射离子E2不等。,19,（1） 低能区 (入射离子能量E0 Se(E),则,对于Si靶，N=51022/cm3,实验表明，该式给出的射程，对重离子很精确，误差在10%以内；但对轻离子却比实际值约大2倍。所以，上述假定适合于重离子注入的情况。,20,(2) 高能区（入射离子能量E0E2):此时，电子阻挡本领占优，核阻挡可忽略，这时入射离子在Si中的射程与初始能量E0的平方根成正比,21,4 入射离子的浓度分布,射程分布 注入离子与靶的
9、原子核和电子的碰撞及每次碰撞所损失的能量都是随机的，无一定的规律，所以，即使具有相同能量和方向的同一种离子在靶内的射程也是不同的。这些入射离子在靶内的空间中将形成一个停止点的分布，这种分布即为射程分布；,22,（1）纵向分布,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取高斯函数形式:,（1）,23,由（1）式可求出注入剂量Ns：,（2）,将（4）代（1），则得,（5）,24,与热扩散不同，这种形式的浓度分布，最大浓度分布不是在样品表面，而是在靶内平均投影射程X=Rp处；,在 两侧，离子浓度是对称下降的；,理论上预期，部分离子因能量太小而将落在样品表面以外，若积累在样品表面，
10、其表面实际浓度要超过上式预计值；,25,N(x)/Nmax与(x-Rp)对应关系,26,(2) 横向效应：指的是注入离子在垂直入射方向平面内的分布情况;,横向效应直接影响MOS晶体管的有效沟道长度。 一束半径很小的离子束沿垂直于靶表面的X方向入射到各向同性的非晶靶内，注入离子的空间分布函数：,式中，y、 z分别为在Y方向和Z方向上的标准偏差；对非晶靶各向同性，因此，yzRt ，Rt为横向离散；,27,硼、磷、砷、锑在硅中的横向效应,横向效应与注入离子的种类以及与注入离子的能量有关 ； 右图给出了由LSS理论计算得到的几种元素入射到无定形硅靶中横向离散与入射能量的关系,28,通过一窄窗口注入的离
11、子在Y轴正方向的空间分布，可由下式求出：,通过窄缝离子注入,29,5 注入离子的实际分布,真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布; 当轻离子(B)注入到Si中，会有较多的硼离子受到大角度的散射( 背散射），就会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积，不服从严格的高斯分布; 重离子(As)注入，碰撞的结果导致在比峰值位置更远一侧堆积，同样偏离于理想的高斯分布。,30,原因：,在一级近似下所得到的高斯分布只是在峰值附近与实际分布符合较好，离开峰值位置较远时有较大偏离。这是因为高斯分布是在随机注入条件下得到的粗略结果；所以，经常要用到平均浓度 的概念,杂质离子在电场中所获得的能量以及在靶中遭受碰撞
12、和碰撞所损失的能量都是随机的，按一定的几率分布；,31,小 结,(1)注入离子在靶内的纵向浓度分布可取高斯函数形式,(3) 平均投影射程两边，注入离子浓度对称地下降离平均投影射程越远，浓度下降越快;,(2) 在平均投影射程x=Rp处有一最高浓度最大浓度与注入剂量关系:,32,三 离子注入的沟道效应,当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运动，不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远，这一现象称“沟道注入现象”或“沟道效应” 。,33,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，由图可见，浓度分布中出现一个相当长的“尾巴”：,40Kev磷离子注入 到硅中的浓
13、度分布,随着偏离角度的增大，第二个峰逐渐降低，当偏离8时，第二峰完全消失。说明此时已不存在沟道离子，相当于注入非晶靶的情况。,34,注入离子入射到晶体中的几种情况：,沟道临界角 （1）沟道离子开始消失的角度称临界角 （2）不同的离子，在硅中有不同的注入临界角,不同离子在硅中的注入临界角(角度单位为度),35,入射角,非沟道离子; 入射角略,准沟道离子; 入射角,沟道离子；,离子注入到晶体中的 几种情况,影响沟道注入的因素很多，很难获得可重复的沟道注入分布；因此，沟道注入无使用价值，注入时要避免；,36,减弱或消除沟道注入的措施：,（1）提高样品温度（晶格震动加激，碰撞增多）； （2）增加注入剂
14、量(晶格损伤增加，非晶层形成，沟道离子减少）； （3）入射离子偏离沟道轴向(110)710o； （4）表面用SiO2或Si3N4层掩膜; （5）用Si, Ge, F, Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层 (Pre-amorphization)；,37,四 离子注入和扩散的比较,38,5.3 离子注入损伤及其退火处理,一，注入引起的辐射损伤,(Si)SiSiI + SiV,39,二 损伤的形成与分布 晶格损伤与注入离子的能量、质量、靶温、剂量率及靶材等有着密切的关系,与能量的关系 辐射损伤主要发生在核阻挡过程E0Ec的低能区；辐射损伤可在注入离子的整个弹道上产生； 在E0Ec时，入射离子的
15、能量越大，则辐射损伤越严重，且损伤深度也越大；,40,一个E0Ec的入射离子，在晶体中发生一系列碰撞后，产生的空位间隙原子对的数目近似为 N(E) = 0.42E0/Ed,式中，Ed=4Eb为有效位移阈能，Eb为断键能（对硅、锗,每一个位移原子需破裂四个最近邻的化学键形成空位间隙原子对）；N(E)约在103104之间；,移位原子数目的估算,41,与离子质量关系,质量较靶原子轻的离子传给靶原子能量较小，散射角度较大，只能产生数量较少的位移靶原子，因此，入射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。 重离子每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，可获得大能量的位移原子；入
16、射离子的能量以核碰撞为主。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。,42,注入离子形成的损伤 （a）轻离子；（b）重离子,43,与注入剂量的关系,随着注入剂量的增加，原来孤立的错乱区就开始相互搭接在一起，这种搭接会导致非晶层的形成； 形成非晶层所需的剂量称为临界剂量；一般， 离子质量数，临界剂量；,与剂量率的关系 单位时间，通过单位面积注入的离子数。注入剂量一定时，剂量率越大，注入时间越短。通常，随着剂量率的增加，形成非晶层所需要的临界剂量将减小；,44,在室温附近临界剂量与温度的倒数成指数关系，随着靶温的升高： 温度愈高，愈不易产生损伤，临界剂量相应,与靶衬底温度的关系,与晶体取向的关系 在一定条件下，沿某一晶向入射，形成非晶层所需要的临界剂量高于随机入射；,硅靶形成非晶层的临界剂量与靶温倒数的关系曲线,45,三，损伤退火 (Damage Annealing）,晶格损伤对器件性能的影响 增加了散射中心，使载流子迁移率下降； 增加了缺陷数目，使少数载流子寿命减小，PN结反向漏电流也因此而增大； 被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，处于间隙状态
