微電子工程學(xué)5

1、1第5章精密控制摻雜技術(shù)-離子注入摻雜及快速退火處理微電子工程學(xué)2第5章 精密控制摻雜技術(shù) 離子注入技術(shù)適應(yīng)了電路圖形不斷微細(xì)化的需要。 應(yīng)用離子注入摻雜技術(shù)，可以比較隨心所欲地精密控制摻雜層的雜質(zhì)濃度、摻雜深度和摻雜圖形幾何尺寸。 雖然離子注入技術(shù)早在1964年就已發(fā)明，并很快地被應(yīng)用到微波半導(dǎo)體器件和一些特殊器件的制作中代替雜質(zhì)擴(kuò)散方法，但自從大規(guī)模集成電路興起后，離子注入技術(shù)有了新的發(fā)展和新的涵義。3第5章 精密控制摻雜技術(shù) 現(xiàn)在大規(guī)模、特別是超大規(guī)模集成電路的制作，幾乎都是應(yīng)用離子注入法來形成電路中所需的雜質(zhì)摻雜區(qū)域的。這是因?yàn)槿绻麘?yīng)用傳統(tǒng)的雜質(zhì)擴(kuò)散方法來制作大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，

2、即使光刻圖形已達(dá)到所需要的微細(xì)化程度，但摻雜區(qū)域的幾何尺寸很難控制，如雜質(zhì)的側(cè)向擴(kuò)散就會(huì)破壞電路的微細(xì)結(jié)構(gòu)。 因此，超大規(guī)模集成電路不再沿用熱擴(kuò)散工藝，而代之以離子注入摻雜技術(shù)。4第5章 精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入5.2 注入損傷5.3 退火處理5.4 離子注入系統(tǒng)5.5 注入工藝5.6 離子注入在器件制造中的應(yīng)用5第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入 所謂離子注入技術(shù)，就是將需要作為摻雜劑的元素原子離化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子，并將其加速到一定能量（50-500keV）后，注入到晶片表面，以改變晶片表面的物理和化學(xué)性質(zhì)。 離子注入是半導(dǎo)體工藝中有別于擴(kuò)散的一種制結(jié)的方法。其特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面

3、：6第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入1、可以用質(zhì)量分析系統(tǒng)獲得單一能量的高純雜質(zhì)原子束，沒有沾污。因此，一臺(tái)注入機(jī)可用于多種雜質(zhì)。此外，注入過程是在真空下即在本身是清潔的氣氛中進(jìn)行的。2、通過靶的劑量可在很寬的范圍（10111017離子/cm2）內(nèi)變化，且在此范圍內(nèi)精度可控制到1。與此相反，在擴(kuò)散系統(tǒng)中，高濃度時(shí)雜質(zhì)濃度的精度最多控制到510，低濃度時(shí)比這更差。此外，擴(kuò)散時(shí)摻雜劑的耦合對(duì)于表面電子學(xué)特性的變化非常敏感，而離子注入時(shí)就不是這樣。因此，離子注入能在表面上提供比擴(kuò)散時(shí)更均勻的覆蓋，特別是在要求表面濃度低的時(shí)候。7第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入3、離子注入時(shí)，襯底一般是保

4、持在室溫或溫度不高（400），因此，可用各種掩模（如氧化硅、氮化硅、鋁和光刻膠）進(jìn)行選擇摻雜。在制備不能采用擴(kuò)散工藝的器件時(shí)，這為獨(dú)特的自對(duì)準(zhǔn)掩模技術(shù)的設(shè)計(jì)提供了很大的自由度。4、離子束的穿透深度隨離子能量的增大而增大，因此，控制同一種或不同種的雜質(zhì)進(jìn)行多次注入時(shí)的能量和劑量，可以在很大的范圍內(nèi)得到不同的摻雜劑濃度分布截面。用這種方法比較容易獲得超陡的和倒置的摻雜截面。8第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入5、離子注入是非平衡過程，因此產(chǎn)生的載流子濃度不是受熱力學(xué)限制，而是受摻雜劑在基質(zhì)晶格中的活化能力的限制。故加入半導(dǎo)體中的雜質(zhì)濃度可以超過平衡固溶度。6、用離子注入也可在半導(dǎo)體的特定區(qū)域淀

5、積一定量的帶電物質(zhì)。因此，對(duì)控制MOS器件的閾值是一項(xiàng)很重要的應(yīng)用。9第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入離子注入也有一些缺點(diǎn)，例如設(shè)備復(fù)雜而昂貴，因此與擴(kuò)散相比（在可以用擴(kuò)散工藝的前提下），這種工藝是不經(jīng)濟(jì)的。這種競爭上的缺點(diǎn)對(duì)砷化鎵更為明顯，因?yàn)樯榛壍淖⑷肽芰恳笤?00500KeV范圍，比硅（50150KeV）高。但離子注入技術(shù)的自動(dòng)化程度高，包括在線控制及終端檢測，從而彌補(bǔ)了上述不足。離子注入技術(shù)的第二個(gè)缺點(diǎn)是對(duì)半導(dǎo)體造成損傷。為了部分地或完全消除損傷，必須進(jìn)行高溫退火。對(duì)硅而言，這沒有什么問題，因?yàn)楣柙谕嘶饻囟认碌恼羝麎禾貏e低。此外，硅經(jīng)常還要進(jìn)行后續(xù)高溫處理，可以把這些損傷完全

6、退火掉。但對(duì)于砷化鎵，則必須用一包覆層，或者在砷超壓下進(jìn)行退火，以免發(fā)生分解或者不符合化學(xué)計(jì)量成分。無論哪一種辦法都不能完全令人滿意，這個(gè)問題目前還沒有解決。另外一個(gè)問題是穿透深度Rp和熱退火時(shí) 值之間的關(guān)系。對(duì)硅，Rp ，因此，退火時(shí)，摻雜劑的運(yùn)動(dòng)較小。但對(duì)砷化鎵，情況往往相反，退火時(shí)，摻雜劑的運(yùn)動(dòng)往往是很重要的。DtDt1011第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入穿透深度 高能離子注入半導(dǎo)體后，有兩種基本的阻止機(jī)制使其停止下來。 第一種機(jī)制是能量轉(zhuǎn)移到靶的原子核上，稱為核阻止。這時(shí)，入射的離子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而靶的原子核也離開其原來的位置。若E是離子在其路程上任一點(diǎn)x處的能量，可以定義核阻止本

7、領(lǐng)為以表征這一過程。核阻止過程在半導(dǎo)體中產(chǎn)生物理損傷，缺陷可以是點(diǎn)缺陷，也可能是線缺陷。半導(dǎo)體常常由于核阻止過程而變成非晶態(tài)。 第二種阻止過程是由于離子與靶中的束縛電子或自由電子的交互作用而引起的，稱為電子阻止。這會(huì)瞬時(shí)地形成電子空穴對(duì)，而運(yùn)動(dòng)的離子失去能量?？梢远x電子阻止本領(lǐng)為以表征這一過程。nndxdES)/(eedxdES)/(1213第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入 能量隨距離而損失的平均速率為（5.1） 式中N是半導(dǎo)體靶每單位體積內(nèi)的原子數(shù)。若離子在停止前所運(yùn)動(dòng)的總距離為R，則（5.2）式中E0是離子的初始能量，R稱為射程。在半導(dǎo)體工藝中，更重要的一個(gè)參數(shù)是射程在離子入射方向

8、上的投影，稱為投影射程。由于注入過程具有統(tǒng)計(jì)分布的性質(zhì)，該投影射程用其平均值Rp及沿入射離子方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差Rp來表示，有時(shí)把Rp稱為散布。)()(ESESNdxdEen000)()(1EenRESESdENdxR14第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入 實(shí)際上，離子束也在和入射方向成直角的方向上擴(kuò)展。射程的橫向值用Rt表示，它對(duì)于決定掩模邊緣附近摻雜劑的分布是很重要的。如果注入?yún)^(qū)的寬度比注入深度大得多，這一項(xiàng)可以忽略。這時(shí)，非晶靶的統(tǒng)計(jì)分布可以用以下形式的一維高斯分布函數(shù)來描述： (5.3)式中是 平均值，是標(biāo)準(zhǔn)偏差。將該函數(shù)在的范圍內(nèi)積分，得出離子的劑量。令該劑量為Q0離子/cm2，并且有

9、 (5.4)則雜質(zhì)分布為 (5.5)該函數(shù)在Rp處有極大值，而在平均值的兩邊都急劇下降。)-(21exp)(2 xxx 2/02dZeZ)(21exp)2()(22/10pppRRxRQxNx15第5章精密控制摻雜技術(shù)1617第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入 如果離子束入射方向偏離低指數(shù)結(jié)晶方向至少710，則硅和砷化鎵都可以看作是非晶態(tài)半導(dǎo)體。這時(shí)，上式給出的摻雜截面在峰值以下12數(shù)量級(jí)內(nèi)非常接近。 如果入射離子束沿著結(jié)晶主軸方向，則離子分布截面可大大改變。這產(chǎn)生離子溝道過程，這時(shí)，離子穿過半導(dǎo)體晶格一直前進(jìn)相當(dāng)大的距離，而能量損失得很少。這種溝道離子束大大增加穿透深度，而所產(chǎn)生的晶格無

10、序度較小?？墒牵@時(shí)射程和離子束與晶軸之間的準(zhǔn)直度（或非準(zhǔn)直度）及離子劑量的關(guān)系非常密切；大劑量時(shí)，產(chǎn)生的晶格無序度較大，因而溝道效應(yīng)大大減小。18第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入 在集成電路工業(yè)生產(chǎn)中，離子注入時(shí)一般避免發(fā)生任何溝道效應(yīng)的可能性。臨界非準(zhǔn)直角和特定的晶體取向及半導(dǎo)體材料有關(guān)。在集成電路工藝中，非準(zhǔn)直角一般取710。即使如此，也很難完全避免溝道效應(yīng)，特別是在注入劑量小的時(shí)候，因?yàn)橛幸恍╇x子進(jìn)入半導(dǎo)體后折向溝道方向。這種剩余溝道效應(yīng)在摻雜截面是拖一尾巴，因?yàn)閾诫s劑在半導(dǎo)體中穿透得較深。在嚴(yán)重?fù)p傷的材料中，特別是變成非晶態(tài)時(shí)觀察不到尾巴，因此非常接近于高斯分布。1920212

11、2第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入 圖5-2 離子濃度分布23第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入粒子在失去其入射能量后發(fā)生的快速填隙式擴(kuò)散過程也能在摻雜截面上形成尾巴。即使在室溫，這種粒子也能繼續(xù)擴(kuò)散，直至遇到適當(dāng)?shù)姆@中心如空位或表面為止。若是該過程的平均俘獲時(shí)間，D是擴(kuò)散系數(shù)，則雜質(zhì)分布的尾巴部分具有以下形式： (5.6)在某些情況下，如果半導(dǎo)體在注入后經(jīng)過退火（熱處理），尾區(qū)擴(kuò)大。但在嚴(yán)重?fù)p傷的材料中，很短，因而抑制尾區(qū)的形成。Dxenn/0242526第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入核阻止撞擊在半導(dǎo)體表面上的某些離子由于和最表層的原子碰撞而反射出來。其中有一些離子給予靶

12、原子以足夠的能量，使它們通過濺射過程而從襯底中逸出。這里我們只討論核阻止過程，即大多數(shù)入射離子穿透入半導(dǎo)體，并通過彈性碰撞把自己的能量傳給晶格原子的過程。Linhard，Scharff和Schitt（LSS）首先對(duì)核阻止過程進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算。為了能夠?qū)ψ⑷脒^程有一些了解，這里概述計(jì)算中采用的方法。 27第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入先考慮兩個(gè)半徑都是R0的硬球的彈性碰撞，如圖所示。令V0和E0是質(zhì)量為M1的運(yùn)動(dòng)球的速度和動(dòng)能，靜止球的質(zhì)量為M2。碰撞時(shí)，靜止球的速度和動(dòng)能分別為V2和E2。與此相似，令V1和E1為碰撞后運(yùn)動(dòng)球的速度和動(dòng)能。兩球之間的距離用一碰撞參數(shù)p表示。對(duì)此模型，只有

13、在p2R0時(shí)，才發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移，R0為兩球半徑。用p0表示正面碰撞。碰撞時(shí)，沿著球心的連線發(fā)生動(dòng)量的轉(zhuǎn)移。同時(shí)，動(dòng)能是守恒的。根據(jù)這些條件求解，運(yùn)動(dòng)球偏離其原來軌道的角度為 (5.7)上式表明。轉(zhuǎn)移到靜止球上的能量和散射角有關(guān)。同時(shí)，碰撞后運(yùn)動(dòng)球的速度為 (5.8)cos()()()()/121121201 221021 2MMEEMMEEVVMMMMM1202122121 212cos(sin )/28第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入入射球與原來處于靜止位置的靶粒子正面碰撞時(shí)損失的能量最多。這時(shí) (5.9)因此，M2得到的能量是 (5.10)這也是入射粒子M1失去的能量。 VMMMV2

14、11202()124222121220M MM MMME()29第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入當(dāng)入射粒子和靶粒子之間存在引力（或斥力）時(shí)，情況要復(fù)雜一些。和該力相聯(lián)系，有一勢V（r），該勢場一般延伸到無限遠(yuǎn)。在這種情況下，當(dāng)兩個(gè)粒子相互靠近時(shí)，它們繼續(xù)運(yùn)動(dòng)而不發(fā)生有形的相遇，因此碰撞參數(shù)p增至無限大?，F(xiàn)在，問題簡化成在勢的作用下運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)系，這已由二粒子彈性散射理論作過經(jīng)典的處理。這里用的方法是把實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系變換為以系統(tǒng)的質(zhì)心為原點(diǎn)的一套運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，從而使問題具有對(duì)稱性。粒子之間的偏轉(zhuǎn)角為 ， (5.11)式中p是碰撞參數(shù)，RM是粒子間的最小距離，V（r）是交互作用勢函數(shù)，Er為 (5.

15、12)對(duì)于任意給定的交互勢函數(shù)，都可計(jì)算出 。在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系中角 的大小為 (5.13) MRrrpErVrdrp/ )(1 2222EM MMMVr12121202()tansincos(/) MM1230第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入兩粒子散射31第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入 現(xiàn)考慮如果原子序數(shù)為Z1和Z2的兩個(gè)原子相互接近到距離r時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況。這兩個(gè)原子間的力本質(zhì)上是庫侖力，其大小為 (5.14)式中q=1.610-19庫侖。勢函數(shù)為 (5.15)上式只有在不考慮每個(gè)原子的電子才能成立。電子的交互作用對(duì)核的相斥產(chǎn)生屏蔽作用，修正了勢函數(shù)。這時(shí)，勢函數(shù)的一種普遍形式為

16、 (5.16)式中a是屏蔽參數(shù)， 稱為屏蔽函數(shù)。屏蔽函數(shù)的ThomasFermi值可用來計(jì)算核阻止本領(lǐng)，另外屏蔽函數(shù)經(jīng)常近似地取為a/r， (5.17)a0是波爾半徑（0.35埃）。取上述近似值時(shí)，勢與距離的平方成反比。 F rq Z Zr( ) 2122V rq Z Zr( ) 212V rq Z Zrfra( )( )2122/13/223/210)(885. 0ZZaafra( )32第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入 ThomasFermi 屏蔽函數(shù)33第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入 用ThomasFermi屏蔽函數(shù)或其近似值，可以對(duì)任何碰撞參數(shù)p計(jì)算出偏轉(zhuǎn)角 及 。然后又

17、可以用來計(jì)算入射粒子與一個(gè)固定粒子彈性相遇時(shí)損失的能量 。 在厚度為 ，單位體積內(nèi)的原子數(shù)為N的非晶態(tài)靶的實(shí)際情況下，能量是轉(zhuǎn)移到所有的粒子上。對(duì)所有可能的碰撞參數(shù)值積分，可得出總的能量轉(zhuǎn)移，即 (5.18)故核阻止本領(lǐng)為 (5.19) LSS利用上述方法及ThomasFermi屏蔽函數(shù)得出了核阻止與離子能量的關(guān)系。當(dāng)一個(gè)離子進(jìn)入半導(dǎo)體時(shí)（即E值大時(shí)），它首先慢慢地把能量轉(zhuǎn)移到晶格中。當(dāng)離子速度下降時(shí)，能量轉(zhuǎn)移率增大，然后降至零，這時(shí)離子最終停下來。T E pn( , )xpdppETxNEn2),(002),()(pdppETESnn34第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入 能量損失率與離

18、子能量的關(guān)系35第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入 利用函數(shù)的近似式時(shí)，勢和距離的平方成反比，能量損失率為常數(shù)。能量損失率近似表式為 (5.20)式中 (5.21)對(duì)于大多數(shù)離子靶系統(tǒng)，這相當(dāng)于能量損失率為每埃10100eV左右。故核阻止本領(lǐng)的近似值為 (5.22) dEdxNZ ZZMMMeV cm2 8 1015121 3112.()()/ZZZ1 312 322 3 1 2/()SZ ZZMMMeVcmn015121 311222 8 10.()()/36第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入 電子阻止 目前，對(duì)由于電子和入射離子相碰撞而發(fā)生電子激發(fā)和電離的非彈性能量交換過程還沒有作

19、出全面的處理。但是，用半經(jīng)典的方法可以合理地估計(jì)這些過程引起的能量損失率?？紤]一個(gè)質(zhì)量為M1，能量為E0的離子和一個(gè)質(zhì)量為m0的電子的正面碰撞，容易看出電子能夠被激發(fā)和電離。因?yàn)镸1m0，由該過程引起的最大能量轉(zhuǎn)移是 (5.23)激發(fā)能為幾個(gè)電子伏，而 ,因?yàn)樽⑷霑r(shí)入射離子的能量一般在50500keV范圍內(nèi)，因此電子的激發(fā)和電離都可能發(fā)生。 44101020100M mMmEMmE()Mm1010002000/37第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入 考慮一個(gè)入射離子和自由電子氣的碰撞，可以近似地計(jì)算出該過程的非彈性能量損失。用這種方法可以看出，若離子的速度小于能量等于費(fèi)米能的一個(gè)電子的速度

20、，則電子阻止本領(lǐng)與離子的速度成正比。若用離子能量來表示則為 (5.24)k的大小和轟擊粒子及靶材料有關(guān)。但對(duì)非晶態(tài)靶，k和轟擊粒子的關(guān)系不大。對(duì)硅， (5.25a)對(duì)砷化鎵 (5.25b)故電子阻止造成的能量損失率是每埃幾個(gè)電子伏，大大低于核阻止引起的(每埃10100eV左右)能量損失率。 SEkEe()/1 2keVcmSi0 210151 22.()/keVcmGaAs0 5210151 22.()/38第5章精密控制摻雜技術(shù)5.1 離子注入側(cè)向散布和側(cè)向效應(yīng)通過狹縫的離子注入a.以70eV注入硅中 b.以不同的能量向硅中注磷通過1um的掩膜窗口注入時(shí)的離子等濃度（0.1%) 曲線39第5

21、章精密控制摻雜技術(shù)5.2 注入損傷高能離子在最終停下來之前，要與晶格原子多次碰撞，有足夠的能量轉(zhuǎn)移到晶格，使許多晶格原子位移，位移的原子經(jīng)常具有相當(dāng)高的能量，又使其它原子位移，導(dǎo)致級(jí)聯(lián)碰撞。設(shè)Ed是一個(gè)靶原子移開其位置所需能量，并假定是彈性硬球模型，若晶格原子接受的能量低于Ed ，就不會(huì)發(fā)生位移。同樣，若入射離子碰撞后反跳時(shí)的能量小于Ed ，就不會(huì)再將別的原子驅(qū)逐出格位。因此，要使位移原子的數(shù)目凈增，入射離子的能量必須大于2Ed 。每一個(gè)入射離子產(chǎn)生的位移原子數(shù)約為E0/2Ed,E0是離子的初始能量。硅和砷化鎵的位移能約為1415eV，每一個(gè)入射離子可使103-104個(gè)晶格原子位移，該過程產(chǎn)生

22、103-104個(gè)夫侖克爾原子對(duì)。404142434445第5章精密控制摻雜技術(shù)5.2 注入損傷注入損傷的本質(zhì)取決于入射離子是輕離子還是重離子。輕離子每次和靶相遇時(shí)一般只轉(zhuǎn)移一小部分能量，而且以較大的散射角偏轉(zhuǎn)。位移的靶原子得到的能量少，可能不引起進(jìn)一步的位移。因此，輕的入射離子造成的損傷具有分叉的位錯(cuò)網(wǎng)的形式，同時(shí)，輕離子的大部分能量通過電子阻止傳給晶格，晶體損傷較輕微，射程比較遠(yuǎn)，損傷擴(kuò)展范圍大。重離子的效應(yīng)完全不同，每一次碰撞轉(zhuǎn)移掉大部分能量，入射離子以較小的散射角偏轉(zhuǎn)，位移原子在偏離入射離子的路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)能有較大的位移。同時(shí)，射程短，大部分能量通過核阻止而轉(zhuǎn)移到晶格，在較小的體積內(nèi)產(chǎn)生較嚴(yán)

23、重的晶格損傷。46第5章精密控制摻雜技術(shù)5.2 注入損傷 入射離子形成的無序區(qū)都有一個(gè)內(nèi)核，其中有大于0.02%原子分?jǐn)?shù)的缺陷密度，主要是空位、雙空位、夫侖克爾對(duì)和位錯(cuò)，并有許多占據(jù)替代位置和填隙位置的雜質(zhì)及靶離子。另外，許多入射離子并非停留在替代位置，因此，注入的載流子濃度常比離子濃度低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。但在此結(jié)構(gòu)中仍存在長程結(jié)晶有序。大部分損傷在較低的溫度下熱處理后很容易退火掉，甚至在注入過程中也會(huì)發(fā)生一定程度的退火。但是隨著入射離子劑量的增大，孤立的無序區(qū)開始重疊。對(duì)硅，會(huì)形成非晶層，結(jié)構(gòu)不再是長程結(jié)晶有序的了。離子越輕，產(chǎn)生非晶層所需劑量越大，對(duì)硅靶，當(dāng)離子能量相同時(shí)，注硼（M=11）時(shí)形成

24、非晶層所需的劑量一般比注砷（M=75）時(shí)要大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 4748第5章精密控制摻雜技術(shù)5.2 注入損傷注入時(shí)形成非晶態(tài)有一些好處。一個(gè)是由于基質(zhì)結(jié)構(gòu)上的隨機(jī)性，離子濃度非常接近于預(yù)期的高斯分布。在摻雜濃度低的情況下，可在注入雜質(zhì)之前用惰性離子（如氬、氖或硅）注入硅中使之成為非靜態(tài)。如圖，先用100keV,1014和1015離子/cm2的劑量注硅使材料預(yù)損傷，再用100keV向硅中注入小劑量磷。預(yù)損傷較嚴(yán)重的情況相當(dāng)于注入?yún)^(qū)在注磷前已成為非晶態(tài)，這時(shí)離子分布截面非常接近于理論所預(yù)期的高斯分布。二是在砷化鎵中嚴(yán)重?fù)p傷的多晶態(tài)使材料變成半絕緣性的，活化的載流子濃度低于1011/cm3，利用這種特性

25、可以隔離制作在同一襯底上的器件。但在許多情況下，注入損傷在襯底內(nèi)形成一層無用的半絕緣材料，無意中形成p-i-n或p-n-n結(jié)構(gòu)而不是p-n結(jié)。49第5章精密控制摻雜技術(shù)5.2 注入損傷硅中注磷（100keV,7X1012cm-2)50第5章精密控制摻雜技術(shù)5.2 注入損傷入射離子進(jìn)入靶中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其能量下降，因此在初始穿透區(qū)中以電子阻止為主。故最大損傷區(qū)位于離開靶表面某一距離處。此外，如果入射離子束的初始能量較高，射程較遠(yuǎn)，則最大損傷區(qū)在靶中的位置更深。計(jì)算表明，損傷比射程分布得更遠(yuǎn)，損傷峰值的位置非常接近于投影射程的75%。靶中入射離子能量儲(chǔ)存下來的體積一般要比產(chǎn)生實(shí)際的晶格損傷的體積大得多。

26、離子能量的大部分以局域化熱峰的形式轉(zhuǎn)移到晶格。在此過程中，雜質(zhì)離子和靶原子之間有強(qiáng)交互作用，產(chǎn)生一些自退火，并且大大偏離高斯分布截面。這種偏離與離子的電荷性質(zhì)有關(guān)，對(duì)于不同的離子是不一樣的。離子注入時(shí)發(fā)生自退火的程度和熱峰及襯底溫度有關(guān)。因此，控制襯底溫度及離子劑量是促進(jìn)或延緩非晶態(tài)出現(xiàn)的有效方法。 51第5章精密控制摻雜技術(shù)5.3 退火處理離子注入損傷使材料的特性如遷移率及少子壽命蛻化。此外，只有一部分注入離子位于替代位置而成為電活性的。將半導(dǎo)體在適當(dāng)?shù)臏囟认峦嘶疬m當(dāng)?shù)臅r(shí)間，可以部分地或全部消除損傷。理論上，如果半導(dǎo)體能回到原始的單晶態(tài)，則少子壽命、遷移率和載流子活化率可以完全恢復(fù)。這只有經(jīng)

27、過熔化和外延再生長才能做到。而實(shí)際的熱退火過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到這種程度，因此，所有的退火處理基本上都是不完全退火。52第5章精密控制摻雜技術(shù)5.3 退火處理實(shí)際退火工藝取決于為使電路中的器件能滿意地工作而要求遷移率、壽命和載流子活化率恢復(fù)到何種程度，因此和器件及電路設(shè)計(jì)有關(guān)。例如，硅雙極型高速晶體管邏輯電路側(cè)重于要求發(fā)射極的載流子濃度高，但少子壽命要求短；固態(tài)電視攝像靶要求漏電流特別小的結(jié)，即要求空間電荷產(chǎn)生壽命長；砷化鎵器件和集成電路經(jīng)常利用多子傳導(dǎo)，少子壽命并不重要；場效應(yīng)晶體管中，精密控制注入?yún)^(qū)的載流子活化率和深度是基本的要求。 53第5章精密控制摻雜技術(shù)5.3 退火處理對(duì)退火的要求還與損傷

28、區(qū)在半導(dǎo)體中的物理位置及其對(duì)器件工作的影響有關(guān)。離子損傷峰更接近于半導(dǎo)體表面而不是接近于離子濃度峰。當(dāng)要求保持精確的不拖尾的高斯分布時(shí)，必須用預(yù)注入的方法使半導(dǎo)體變?yōu)榉蔷B(tài)。選擇預(yù)注入離子的種類和射程，使損傷區(qū)和雜質(zhì)離子淀積的區(qū)域一致。54第5章精密控制摻雜技術(shù)5.3 退火處理退火周期一般延續(xù)1530分鐘。退火溫度取決于器件應(yīng)用以及半導(dǎo)體在生產(chǎn)工藝的這一步上容許這種熱處理的能力。如赤裸的硅可在1200C熱處理，而有鋁金屬布線的硅集成電路若避免形成鋁-硅合金，就不能在500C以上熱處理。退火溫度還和注入劑量及襯底的結(jié)晶取向有關(guān)。小劑量注入產(chǎn)生孤立的樹枝狀損傷網(wǎng)絡(luò)，可在低溫退火掉。而大劑量，特別是在形成非晶層的劑量下，則很難退火掉。發(fā)現(xiàn)硅的退火速率約比硅快10倍。 5556575859606162636465來來6667第5章精密控制摻雜技術(shù)5.4 離子注入系統(tǒng)686970第5章精密控制摻雜技術(shù)5.4 離子注入系統(tǒng)Nielsen氣體源電磁鐵離子引出口燈絲陽極7172第5章精密控制摻雜技術(shù)5.4 離子注入系統(tǒng)狹縫質(zhì)量分析器7374757677第5章精密控制摻雜技術(shù)5.4 離子注入系統(tǒng)靜電-機(jī)械偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)78第5章精密控制摻雜技術(shù)5.4 離子注入系統(tǒng)劑量測定線路798081828384858687888990919293949596979899100101102