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1、第四章第四章 离子注入离子注入14.1离子注入设备与工艺离子注入设备与工艺4.2核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞4.3注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布4.4注入损伤注入损伤4.5热退火热退火2v 离子注入技术是离子注入技术是2020世纪世纪6060年代开年代开始发展起来的掺杂工艺始发展起来的掺杂工艺, ,它在很多方它在很多方面都优于扩散工艺面都优于扩散工艺. .由于采用了离子由于采用了离子注入技术注入技术, ,推动集成电路的发展推动集成电路的发展, ,从从而使集成电路进入了超大规模而使集成电路进入了超大规模. .3v扩散是一个化学过程扩散是一个化学过程,离子注入是一个物理过
2、离子注入是一个物理过程程.v所所谓谓离离子子注注入入技技术术，就就是是将将需需要要作作为为掺掺杂杂剂剂的的元元素素原原子子离离化化，转转变变为为离离子子，并并将将其其加加速速到到一一定定能能量量（50-50050-500keVkeV）后后，注注入入到到晶晶片片表面，以改变晶片表面的物理和化学性质。表面，以改变晶片表面的物理和化学性质。 4 离子注入就象用枪将子弹打入墙中一样离子注入就象用枪将子弹打入墙中一样子弹从枪中获取是量的动量，射入到墙体子弹从枪中获取是量的动量，射入到墙体内停下离子注入过程中发生相同的情形，内停下离子注入过程中发生相同的情形，替代子弹的是离子，掺杂原子被离化、分离、替代子
3、弹的是离子，掺杂原子被离化、分离、加速形成离子束流，注入衬底加速形成离子束流，注入衬底Si片中，进入片中，进入表面并在表面以下停下。表面并在表面以下停下。5什么是离子注入什么是离子注入 是离子被强电场加速后是离子被强电场加速后注入靶中，离子受靶原子阻注入靶中，离子受靶原子阻止，停在其中，经退火后，止，停在其中，经退火后，杂质进入替位位置，电离成杂质进入替位位置，电离成为具有电活性的杂质，这一为具有电活性的杂质，这一过程是一非平衡的物质过程过程是一非平衡的物质过程,是一种掺杂工艺。是一种掺杂工艺。离子注入的基本过程离子注入的基本过程v将某种元素的原子或携带该将某种元素的原子或携带该元素的分子经离
4、化变成带电元素的分子经离化变成带电的离子的离子v在强电场中加速，获得较高在强电场中加速，获得较高的动能的动能v注入材料表层（靶）以改变注入材料表层（靶）以改变这种材料表层的物理或化学这种材料表层的物理或化学性质。性质。64.1离子注入设备与工艺离子注入设备与工艺离子注入系统 离子注入系统：离子注入系统：应具备合适的可调能量范围和应具备合适的可调能量范围和束流强度，能满足多种离子的注入，束流强度，能满足多种离子的注入，有好的注入均匀性以及无污染等性有好的注入均匀性以及无污染等性能。能。离子注入系统通常分为三部分：离子注入系统通常分为三部分：离子源、加速器和终端台。离子源、加速器和终端台。7离子注
5、入机离子注入机v源：采用源：采用气态源气态源、固态源，大部分氟化物、固态源，大部分氟化物PF5,AsF5,BF3 通过加热分解气态源，使其成为带电离子通过加热分解气态源，使其成为带电离子P+，B+，As+,通过加速管，使它们在通过加速管，使它们在管内被电场加速到高能状态，注入到管内被电场加速到高能状态，注入到Si片中片中8v直接注入直接注入离子在光刻窗口直接注入Si衬底。射程大、杂质重时用。 v间接注入间接注入；通过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。间接注入沾污少，可以获得精确的表面浓度。v多次注入多次注入通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近；也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬
6、底硅中，使杂质分布为设计形状。 9注入方法注入方法9离子注入有别于扩散工艺的特点表现在以下几离子注入有别于扩散工艺的特点表现在以下几个方面：个方面：v1 1、可可以以用用质质量量分分析析系系统统获获得得单单一一能能量量的的高高纯纯杂杂质质原原子子束束，没没有有沾沾污污。因因此此，一一台台注注入入机机可可用用于于多多种种杂杂质质。此此外外，注注入入过过程程是是在在真真空空下即在本身是清洁的气氛中进行的。下即在本身是清洁的气氛中进行的。v2 2、注注入入的的剂剂量量可可在在很很宽宽的的范范围围（1010111110101717离离子子/cm/cm2 2）内内变变化化, ,且且在在此此范范围围内内精
7、精度度可可控控制制到到1 1。与与此此相相反反, ,在在扩扩散散系系统统中中, ,高高浓浓度度时时杂杂质质浓浓度度的的精精度度最最多多控控制制到到5 51010, ,低低浓浓度度时比这更差。时比这更差。10v3 3、离离子子注注入入时时，衬衬底底一一般般是是保保持持在在室室温温或或温温度度不不高高（400400），因因此此，可可用用各各种种掩掩模模（如如氧氧化化硅硅、氮氮化化硅硅、铝铝和和光光刻刻胶胶）进进行行选选择择掺掺杂杂。在在制制备备不不能能采采用用扩扩散散工工艺艺的的器器件件时时，这这为为独独特特的的自自对对准准掩掩模模技技术术的的设设计计提提供供了了很很大的自由度。大的自由度。v4
8、4、离离子子束束的的穿穿透透深深度度随随离离子子能能量量的的增增大大而而增增大大，因因此此，控控制制同同一一种种或或不不同同种种的的杂杂质质进进行行多多次次注注入入时时的的能能量量和和剂剂量量，可可以以在在很很大大的的范范围围内内得得到到不不同同的的掺掺杂杂剂剂浓浓度度分分布布截截面面。用用这这种种方方法法比比较较容容易易获获得得超超陡陡的的和和倒倒置置的的掺掺杂杂截截面。面。11v5 5、离离子子注注入入是是非非平平衡衡过过程程，因因此此产产生生的的载载流流子子浓浓度度不不是是受受热热力力学学限限制制，而而是是受受掺掺杂杂剂剂在在基基质质晶晶格格中中的的活活化化能能力力的的限限制制。故故加加
9、入入半半导导体体中中的的杂杂质质浓度可以不受固溶度的限制浓度可以不受固溶度的限制。v6 6、离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所引起的热缺陷引起的热缺陷。v7 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的图形垂直入射，图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器横向效应比热扩散小，有利于器件特征尺寸缩小件特征尺寸缩小。v8 8、离子注入是通过硅表面的薄膜入射到硅中，、离子注入是通过硅表面的薄膜入射到硅中，该膜起到了保护作用，该膜起到了保护作用，防止污染防止污染。v9 9、容易实现化合物半导体材料的掺杂。容易实现化合物半
10、导体材料的掺杂。12缺点会在晶体中引入晶格损伤会在晶体中引入晶格损伤产率低产率低设备复杂，投资大设备复杂，投资大13基本概念基本概念v靶：被掺杂的材料称为靶靶：被掺杂的材料称为靶v散射离子：一束离子轰击靶时，其中一部分离散射离子：一束离子轰击靶时，其中一部分离子在靶表面就被反射了，不能进入的离子称散子在靶表面就被反射了，不能进入的离子称散射离子。射离子。v注入离子：进入靶内的离子称注入离子注入离子：进入靶内的离子称注入离子144.1 核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v离子注入不仅要考虑注入离子与靶内自由电离子注入不仅要考虑注入离子与靶内自由电子和束缚电子的相互作用，而且与靶内原子子和束缚电子的
11、相互作用，而且与靶内原子核的相互作用也必须考虑。核的相互作用也必须考虑。v1963年，林华德、沙夫、希奥特，首先确立年，林华德、沙夫、希奥特，首先确立了注入离子在靶内的能量损失分为两个过程：了注入离子在靶内的能量损失分为两个过程：核碰撞和电子碰撞，总能量的损失为它们的核碰撞和电子碰撞，总能量的损失为它们的总和。总和。154.1 核碰撞和电子碰撞（LSS理论）理论） LSS理论理论对在对在非晶靶非晶靶中注入离子的射程分布的研究中注入离子的射程分布的研究射程分布（射程分布（LSS）理论）理论 带有一定能量的入射离子在靶带有一定能量的入射离子在靶材内同靶原子核和电子相碰撞，进材内同靶原子核和电子相碰
12、撞，进行能量交换，最后静止。行能量交换，最后静止。 1963年，林华德、沙夫、希奥年，林华德、沙夫、希奥特，首先确立了特，首先确立了LSS理论，认为注理论，认为注入离子在靶内的能量损失分为两个入离子在靶内的能量损失分为两个独立的过程：独立的过程：a. 核碰撞阻止；核碰撞阻止；b. 电子碰撞阻止。电子碰撞阻止。 总能量损失为两者之和总能量损失为两者之和16v核碰撞核碰撞：指注入离子与靶内原：指注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。由于入子核之间的相互碰撞。由于入射离子与靶原子的质量一般为射离子与靶原子的质量一般为同一数量级，因此每次碰撞后，同一数量级，因此每次碰撞后，注入离子发生大角度的散射，注入
13、离子发生大角度的散射，并失去一定的能量，如果靶原并失去一定的能量，如果靶原子获得的能量大于束缚能，就子获得的能量大于束缚能，就会离开晶格位置，进入晶格间会离开晶格位置，进入晶格间隙，留下空位，形成缺陷隙，留下空位，形成缺陷. .v电子碰撞电子碰撞：指注入离子与靶内：指注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的自由电子以及束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬间形成电碰撞，这种碰撞能瞬间形成电子空穴对。由于两者的质量相子空穴对。由于两者的质量相差很大，每次碰撞注入离子能差很大，每次碰撞注入离子能量损失小，散射角度小，运动量损失小，散射角度小，运动方向基本不变。方向基本不变。17阻止本领（stopping
14、 power）：材料中注入离子的能量损失大小。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 。核阻止本领Sn(E) ：来自靶原子核的阻止。电子阻止本领Se(E) ：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。-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181.核阻止本领v核阻止：注入离子与靶内原子核碰撞能量的损失核阻止：注入离子与靶内原子核碰撞能量的损失v能量为能量为E的注入离子在
15、单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。能量。v能量为能量为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，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。或只是能量增加。v低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加，而在某个中等能量达到最大值，在高低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加，而在某个中等能量达到最大值，在高能量时，因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行
16、有效的能量交换，所以核阻能量时，因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换，所以核阻止变小。止变小。19评价评价核阻止过程可以看作是一核阻止过程可以看作是一个入射离子硬球与靶核硬球之个入射离子硬球与靶核硬球之间的弹性碰撞。但实际的离子间的弹性碰撞。但实际的离子注入系统，情况比两硬球碰撞注入系统，情况比两硬球碰撞复杂得多：复杂得多：三维空间三维空间有效势场有效势场电子屏蔽作用电子屏蔽作用Sn(E) 的计算比较复杂，的计算比较复杂，无法得到解析解，通过数值计无法得到解析解，通过数值计算可以得到曲线形式的结果算可以得到曲线形式的结果。202.电子阻止在LSS 理论中，把固体中的电子看作
17、为自由电子气，那么电子阻滞就类似于黏滞气体的阻力，即：电子对离子的影响很像一个粒子在流体中的移动。在注入离子的常用能量范围内，电子阻滞能力的大小与入射离子的速度成正比：电子阻滞本领电子阻滞本领离子离子速度速度式中，k 是一个与入射离子的原子序数及质量、靶材料的原子序数及质量有关的比例系数。在粗略近似下，对非晶靶来说，k为常数213. 射程估算a. 离子注入能量可分为三个区域：低能区 核阻滞能力占主导地位，电子阻滞可被忽略；中能区 在这个比较宽的区域，核阻滞和电子阻滞能力同等重要，必须同时考虑；高能区 电子阻滞能力占主导地位，核阻滞可被忽略。超出实际应用范围；b. Sn(E) 和 Se(E) 的
18、能量变化曲线都有最大值。分别在低能区和高能区；c. 两条曲线交点存在一个临界能量E2，也称为Ec。不同靶和注入离子，Ec值不同。 224.2注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布非晶靶中注入离子的浓度分布非晶靶中注入离子的浓度分布R：射程（射程（range） 离子在靶内离子在靶内的总路线长度的总路线长度 Rp：（：（平均平均）投影射程投影射程（projected range） R在入射方在入射方向上的投影向上的投影 Rp：纵向：纵向标准偏差（标准偏差（Straggling） 投影射程的平均偏差投影射程的平均偏差 R ：横向横向标准标准偏差（偏差（Traverse straggli
19、ng） 垂直于垂直于 入射方向平面上的标准入射方向平面上的标准偏差偏差RRp注入离子注入离子散射过程散射过程任何一个注入离子，在靶内所受到的碰撞是一个随机过程。如果注入的离子任何一个注入离子，在靶内所受到的碰撞是一个随机过程。如果注入的离子数量很少，它们在靶内分布是很分散的，但如果注入大量的离子，那么它们数量很少，它们在靶内分布是很分散的，但如果注入大量的离子，那么它们在靶内将按一定统计规律分布。在靶内将按一定统计规律分布。23纵向分布纵向分布离子注入的实际浓度分布用高斯函数表示离子注入的实际浓度分布用高斯函数表示在一级近似情况下，高斯分布只在在一级近似情况下，高斯分布只在峰值附近与实际分布符
20、合较好峰值附近与实际分布符合较好单位面积注入的离子总数单位面积注入的离子总数标准偏差与标准偏差与RP近似关系近似关系注入离子的二维分布24 在 x = RP 的两侧，注入离子浓度对称地下降，且下降速度越来越快：峰值附近与实际分布符合较好，当离峰值位置较远时，有较大偏离。注入离子的二维分布25注入离子的真实分布o真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布o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。o砷等重离子和硼轻离子的分布正好相反。26+v横向效应横向效应指的是注入离子在
21、垂直于入射方向平面内的分布情况。掩膜边缘的杂质浓度是中心浓度的50%。一束半径很小的离子束，沿垂直于靶表面的 x方向入射到非晶靶内，注入离子的空间浓度分布为：27横向效应不但与注入离子的种类有关，也与入射离子的能量有关。28横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。（扫描电镜照片）35 keV As注入注入120 keV As注入注入29离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应非晶靶：非晶靶：原子排列杂乱无章，入射粒子的碰撞过程是随机的，原子排列杂乱无章，入射粒子的碰撞过程是随机的，受到的阻滞为受到的阻滞为各向同性，各向同性，入射离子从不同方向射入靶中将得到相同入射离子从不同方向射入靶中将得到相同的
22、射程。的射程。单晶靶单晶靶：原子的排列是有规则和周期性的，靶原子对入射离子原子的排列是有规则和周期性的，靶原子对入射离子的阻滞作用取决于晶体的取向，是的阻滞作用取决于晶体的取向，是各向异性各向异性的，入射离子从不同方的，入射离子从不同方向射入靶中将得到不同的射程。向射入靶中将得到不同的射程。沟道效应：沟道效应：当对当对晶体靶晶体靶进行离子注入进行离子注入时，如果离子注入的方向与晶体的某个晶时，如果离子注入的方向与晶体的某个晶向向平行平行，注入深度就有可能，注入深度就有可能比较深比较深，大于，大于在非晶靶中的深度，产生沟道效应。在非晶靶中的深度，产生沟道效应。 沿晶向金刚石结构模型30出现沟道效
23、应，则很难控制注入离子的浓度分布，会使分布产生一个很长的拖尾。31离子束从轴偏斜7入射沟道效应与离子注入方向的关系入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟道效应，只有当入射离子的入射角小于某道效应，只有当入射离子的入射角小于某一角度时才会发生，这个角称为一角度时才会发生，这个角称为临界角临界角32110111100倾斜旋转硅片后的无序方向倾斜旋转硅片后的无序方向沟道效应与单晶靶取向的关系硅的方向沟道开口约1.8 ， 方向沟道开口约11.22 ， 方向沟道开口介于两者之间。因此，沟道效应依、 、 顺序减弱。33实践表明，沟道效应与多种因素有关，包括：实践表明，沟道
24、效应与多种因素有关，包括：单晶靶的取向离子的注入方向离子的注入能量注入时的靶温注入剂量34a. 在晶体上覆盖一层非晶体的表面层：在晶体上覆盖一层非晶体的表面层：常用非晶覆盖材料是一常用非晶覆盖材料是一层薄氧化层。使离子束方向随机化，离子以不同角度进入晶片；层薄氧化层。使离子束方向随机化，离子以不同角度进入晶片；b. 将晶片晶向偏转：将晶片晶向偏转：大部分注入系统将硅片倾斜大部分注入系统将硅片倾斜7 ，并从平边，并从平边扭转扭转22 ；c. 在晶片表在晶片表面制作一个损伤层：面制作一个损伤层：在晶片表面注入大量硅或锗可在晶片表面注入大量硅或锗可以损伤晶片表面，在晶片表面产生一个随机层。以损伤晶片
25、表面，在晶片表面产生一个随机层。将沟道效应降低到最小将沟道效应降低到最小：35浅结的形成浅结的形成随着集成度提高，微电子器件的特征尺寸越来越小，浅结工艺随着集成度提高，微电子器件的特征尺寸越来越小，浅结工艺成为目前人们最关心的工艺之一。成为目前人们最关心的工艺之一。以用硼形成浅的以用硼形成浅的p+结为例，浅结形成有三个方面的困难：结为例，浅结形成有三个方面的困难：a. 硼质量较轻，注入的投影射程深硼质量较轻，注入的投影射程深解决方法：采用解决方法：采用BF2作为注入物质，进入靶内的分子在碰撞过程作为注入物质，进入靶内的分子在碰撞过程中分解，释出中分解，释出原子硼。但因原子硼。但因F存在造成问题
26、，目前使用渐少。存在造成问题，目前使用渐少。b. 沟道效应沟道效应降低离子能量是形成浅结的重要方法。但在低能情况下，沟道降低离子能量是形成浅结的重要方法。但在低能情况下，沟道效应很明显，可能使结深增加一倍，且离子束稳定性降低。效应很明显，可能使结深增加一倍，且离子束稳定性降低。解决方法：预先非晶化。如在注硼之前，先以重离子（如解决方法：预先非晶化。如在注硼之前，先以重离子（如Si+、Ge+）高剂量注入，在硅上形成非晶表面层。这种方法可使沟道效应）高剂量注入，在硅上形成非晶表面层。这种方法可使沟道效应减到最小（如采用减到最小（如采用Si+，结深下降，结深下降40%）。）。36c. 退火时的异常扩
27、散退火时的异常扩散实验发现退火后的实际杂质分布比通常预测的要深，原因是离子实验发现退火后的实际杂质分布比通常预测的要深，原因是离子注入时形成的高浓度缺陷增强了杂质的扩散，这种现象称为注入时形成的高浓度缺陷增强了杂质的扩散，这种现象称为瞬时增强瞬时增强扩散扩散 / 瞬间退火效应。瞬间退火效应。解决方法：可以在退火前先在解决方法：可以在退火前先在 500 650 之间进行一次补充之间进行一次补充处理来消除这些缺陷。处理来消除这些缺陷。374.3 注入损伤一、注入损伤一、注入损伤离子注入的离子注入的最大优点最大优点是可以精确控制掺杂杂质的数量及深度。但是可以精确控制掺杂杂质的数量及深度。但是，在离子
28、注入的过程中，衬底的晶格结构受到损伤是不可避免的。是，在离子注入的过程中，衬底的晶格结构受到损伤是不可避免的。带有一定能量的离子进入靶内，经一系列与原子核和电子的碰撞带有一定能量的离子进入靶内，经一系列与原子核和电子的碰撞损失能量最后驻留下来。其中，损失能量最后驻留下来。其中，只有只有与原子核的碰撞才能转移足够能量使与原子核的碰撞才能转移足够能量使靶原子离开晶格而造成靶原子离开晶格而造成注入损伤晶注入损伤晶格无序（格无序（lattice disordor）。）。因碰撞而离因碰撞而离开晶格位置的原子称开晶格位置的原子称为为移位原子反冲原子。移位原子反冲原子。使一个处于使一个处于晶格位置的原子发生
29、移位，所需最小晶格位置的原子发生移位，所需最小能量称为能量称为移位阈能（移位阈能（Ed）。）。38实际上，注入离子与靶原子电子之间实际上，注入离子与靶原子电子之间弹性和非弹性碰撞弹性和非弹性碰撞同时同时存在，存在，碰撞的结果有三种：碰撞的结果有三种：a. 碰撞过程传递的能量小于碰撞过程传递的能量小于Ed 不可能产生移位原子。被撞不可能产生移位原子。被撞原子在平衡位置振动，表现为宏观的热能；原子在平衡位置振动，表现为宏观的热能；b. 碰撞过程中靶原子获得的能量大于碰撞过程中靶原子获得的能量大于Ed而小于而小于2Ed 被撞原子被撞原子离开晶格成为移位原子并留下一个空位。但该移位原子所具有的能离开晶
30、格成为移位原子并留下一个空位。但该移位原子所具有的能量不可能使继续与它碰撞的原子移位；量不可能使继续与它碰撞的原子移位；c. 被撞原子本身移位之后还具有很高的能量被撞原子本身移位之后还具有很高的能量 在其后的运动在其后的运动过程中还可使与它碰撞的其它原子移位。过程中还可使与它碰撞的其它原子移位。与入射离子碰撞而移位的原子称为与入射离子碰撞而移位的原子称为第一级反冲原子，第一级反冲原子，与第一级与第一级反冲原子碰撞而移位的原子称为反冲原子碰撞而移位的原子称为第二级反冲原子，第二级反冲原子，以以下依次类推。下依次类推。这种不断碰撞的现象称为这种不断碰撞的现象称为级联碰撞。级联碰撞。39注入离子在晶
31、体中产生的损伤主要有以下几种：注入离子在晶体中产生的损伤主要有以下几种：a. 在原本为完美晶体的靶中产生在原本为完美晶体的靶中产生孤立的点缺陷或缺陷群孤立的点缺陷或缺陷群（即注（即注入离子每次传递给靶原子的能量约等于移位阈能）；入离子每次传递给靶原子的能量约等于移位阈能）；b. 在晶体中形成局部的在晶体中形成局部的非晶区域。非晶区域。单位体积内移位原子数接近单位体积内移位原子数接近晶体原子密度时，此区域即成非晶区域。一般与轻离子或低剂量的晶体原子密度时，此区域即成非晶区域。一般与轻离子或低剂量的重离子注入有关；重离子注入有关；c. 由于注入离子引起损伤的积累而形成由于注入离子引起损伤的积累而形
32、成非晶层，非晶层，即随着注入剂即随着注入剂量的增加，局部非晶区域相互重叠形成非晶层。量的增加，局部非晶区域相互重叠形成非晶层。第一和第二类损伤称为第一和第二类损伤称为简单晶格损伤，简单晶格损伤，第三类称为第三类称为非晶层非晶层形成。形成。划分的原因与退火机制有关。划分的原因与退火机制有关。40简单晶格损伤简单晶格损伤同靶原子硅相比，如果注入的是轻离子（如硼）或小剂量的重离子同靶原子硅相比，如果注入的是轻离子（如硼）或小剂量的重离子（如磷、砷、氩等），在靶中只产生简单的晶格损伤。（如磷、砷、氩等），在靶中只产生简单的晶格损伤。对于轻离子注入，大部分晶格无序发生在离子驻留的最终位置附近，对于轻离子
33、注入，大部分晶格无序发生在离子驻留的最终位置附近，要形成非晶层，需要非常大的剂量。而对于重离子注入，能量损失主要要形成非晶层，需要非常大的剂量。而对于重离子注入，能量损失主要是由于与原子核的碰撞，因此出现大量损伤是可以预料的。是由于与原子核的碰撞，因此出现大量损伤是可以预料的。轻离子引起的树状注入损伤重离子注入引起的简单晶格损伤41非晶的形成非晶的形成注入离子引起的晶格损伤可能是注入离子引起的晶格损伤可能是简单的点缺陷，也可能是复杂的损伤简单的点缺陷，也可能是复杂的损伤复合体，损伤严重时可形成非晶区甚复合体，损伤严重时可形成非晶区甚至非晶层。损伤情况与多种因素有关：至非晶层。损伤情况与多种因素
34、有关：注入离子的能量、质量、注入剂量、注入离子的能量、质量、注入剂量、靶温靶温以及以及晶向晶向等。等。离子注入时，在其他条件相同的离子注入时，在其他条件相同的情况下，靶温越高损伤情况越轻，因情况下，靶温越高损伤情况越轻，因为在离子注入的同时存在一个为在离子注入的同时存在一个自退火自退火过程过程。非晶层临界剂量与温度的关系424.4热退火热退火离子注入造成的晶格损伤，对材料的电学性质（载流子迁移率、离子注入造成的晶格损伤，对材料的电学性质（载流子迁移率、少子寿命等）将产生重要影响，需在后面工艺中消除；同时，另一部少子寿命等）将产生重要影响，需在后面工艺中消除；同时，另一部分注入离子处于晶格间隙，
35、并不占据替位位置，起不到施主或受主作分注入离子处于晶格间隙，并不占据替位位置，起不到施主或受主作用，需要进行激活，使其移动到晶格点阵位置。用，需要进行激活，使其移动到晶格点阵位置。如果将注有离子的晶片在适当时间与温度下进行热处理，则晶片如果将注有离子的晶片在适当时间与温度下进行热处理，则晶片内的损伤可能得到大部分内的损伤可能得到大部分消除消除，材料参数得到恢复，同时一定材料参数得到恢复，同时一定比例的杂质被比例的杂质被电激活电激活，这样的，这样的处理过程称为处理过程称为退火。退火。退火工艺的合理选择对器退火工艺的合理选择对器件性能至关重要，不同的注入件性能至关重要，不同的注入离子、注入剂量和注
36、入温度所离子、注入剂量和注入温度所要求的退火工艺也不同。要求的退火工艺也不同。4344v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；并使晶体损伤区域活性；并使晶体损伤区域“外延生长外延生长”为晶体，恢复或部分恢为晶体，恢复或部分恢复硅的迁移率，少子寿命。复硅的迁移率，少子寿命。v退火效果与温度，时间有关。一般温度越高、时间越长退火效退火效果与温度，时间有关。一般温度越高、时间越长退火效果越好。果越好。v退火后出现靶的杂质再分布。退火后出现靶的杂质再分布。具体做法45v硅材料的热退火特性 消除晶格损伤的原因消除晶格损伤的原因
37、由于硅片处于较高的温度，原子振动能增大，因而由于硅片处于较高的温度，原子振动能增大，因而移动能力加强，可使复杂的损伤分解为点缺陷或者其他形式的简单缺陷（空移动能力加强，可使复杂的损伤分解为点缺陷或者其他形式的简单缺陷（空位、间隙原子）。这些结构简单的缺陷，在热处理温度下能以较高的迁移率位、间隙原子）。这些结构简单的缺陷，在热处理温度下能以较高的迁移率移动，当它们移动，当它们 互相靠近时，就可能复合使缺陷消失。互相靠近时，就可能复合使缺陷消失。 方法：方法：一定温度下，通常在一定温度下，通常在Ar、N2或真空条件下退火温度取决于注入剂或真空条件下退火温度取决于注入剂量及非晶层的消除。量及非晶层的
38、消除。目的目的：修复晶格修复晶格：退火温度：退火温度600 oC以上，时间最长可达数小时以上，时间最长可达数小时 杂质激活杂质激活：退火温度：退火温度650900 oC，时间，时间1030分钟分钟* 方法简单方法简单 * 不能全部消除缺陷不能全部消除缺陷 * 对高剂量注入激活率不够高对高剂量注入激活率不够高 * 杂质再分布杂质再分布46v热退火过程中的扩散效应（杂质再分布）退火时间为退火时间为35分钟分钟47根据能量提供方式不同，退火可分为根据能量提供方式不同，退火可分为普通热退火、普通热退火、激光退火、激光退火、离子束退火、电子束退火和相干光退火等。除热退火外，其余退火离子束退火、电子束退火
39、和相干光退火等。除热退火外，其余退火作用时间都很短作用时间都很短（ 10-11 102 秒），秒），统称为统称为快速退火（快速退火（RTA）。）。1. 普通热退火普通热退火热退火：热退火：将离子注入后的晶片置于真空或氮、氩等高纯保护性将离子注入后的晶片置于真空或氮、氩等高纯保护性气氛中，加热到适当温度并恒温一定时间。由于晶片处于较高温度，气氛中，加热到适当温度并恒温一定时间。由于晶片处于较高温度，原子的振动能增大，移动能力加强，可使复杂的损伤分解为点缺陷原子的振动能增大，移动能力加强，可使复杂的损伤分解为点缺陷或其他形式的简单缺陷。这些缺陷在热退火温度下以较高的迁移率或其他形式的简单缺陷。这些
40、缺陷在热退火温度下以较高的迁移率移动，当它们互相靠近时就可能复合而消失。移动，当它们互相靠近时就可能复合而消失。在这些工艺中需用高温来保证注入杂质的激活，并避免留下残在这些工艺中需用高温来保证注入杂质的激活，并避免留下残余的扩展缺陷。典型的退火温度一般为余的扩展缺陷。典型的退火温度一般为 850 C1000 C，退火时间退火时间为为3060分钟。分钟。482. 快速退火快速热退火目的快速热退火目的：就是通过降低退火温度或缩短退货时间完成退火：就是通过降低退火温度或缩短退货时间完成退火 用功率密度很高（用功率密度很高（ 1.0 J/cm2 ）的）的物质作用于晶片表面，使注入层在物质作用于晶片表面
41、，使注入层在极极短时间短时间（ 10-11 102 秒）秒）内达到很高内达到很高温度，达到消除晶格温度，达到消除晶格损伤和在损伤和在最小杂最小杂质再分布情况下质再分布情况下完全激活杂质的目的。完全激活杂质的目的。快速退火的特性一般优于普通热快速退火的特性一般优于普通热退火，对砷化镓材料还具有防止砷流退火，对砷化镓材料还具有防止砷流失的独特作用。失的独特作用。目前，较好的快速退火方式主要目前，较好的快速退火方式主要有脉冲或扫描式激光退火、脉冲或扫有脉冲或扫描式激光退火、脉冲或扫描式电子束离子束退火和宽谱相干描式电子束离子束退火和宽谱相干光退火等光退火等共同特点共同特点：瞬间内使硅片的某个区域加热：瞬间内使硅片的某个区域加热到所需的温度，并在较短的时间内完成退火。到所需的温度，并在较短的时间内完成退火。 光加热的快速退火系统49本章结束本章结束50
