離子注入一課件

1、第四章 離子注入4.1 離子注入原理4.2 注入離子在靶中的分布 4.3 注入損傷4.4 退火4.5 離子注入設備與工藝4.6 離子注入的其他應用1兩步擴散第一步 為恒定表面濃度的擴散（Pre-deposition） （稱為預沉積或預擴散） 控制摻入的雜質總量第二步 為有限源的擴散（Drive-in），往往同時氧化 （稱為主擴散或再分布） 控制擴散深度和表面濃度擴散工藝2定義： 離子被強電場加速后注入靶中，離子受靶原子阻止而停留其中，經退火后成為具有電活性的雜質的一個非平衡的物理過程。 離子注入的基本過程將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經離化變成帶電的離子在強電場中加速，獲得較高的動能后，射

2、入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學性質4.1 離子注入原理什么是離子注入？注入元素純度高，能量單一；污染?。豢删_控制摻雜原子數目，平面上雜質摻雜分布非常均勻（1% 以內）；襯底保持在低溫，可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻膠、介質，避免了高溫過程引起的熱缺陷；可通過精確控制摻雜劑量和能量來達到各種雜質濃度分布與摻雜深度；表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結低濃度或深結高濃度；離子注入直進性，橫向效應小，有利于芯片尺寸縮小；硅表面的薄膜起到保護膜作用，防止污染；適合化合物摻雜。4.1 離子注入原理離子注入的特點離子注入的缺點：入射離子對襯底有損傷，必須退火；很淺和很深的結難于制得；高劑

3、量注入產率受限制；設備昂貴；不安全因素，如高壓、有毒氣體4.1 離子注入原理離子注入過程是一個非平衡過程，高能離子進入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失能量，最后停下來。停下來的位置是隨機的，大部分不在晶格上，因而沒有電活性。4.1 離子注入原理注入離子如何在體內靜止？LSS理論對在非晶靶中注入離子的射程分布的研究1963年，Lindhard, Scharff and Schiott首先確立了注入離子在靶內分布理論，簡稱 LSS理論。該理論認為，注入離子在靶內的能量損失分為兩個彼此獨立的過程 (1) 核阻止（nuclear stopping） (2) 電子阻止 （electronic

4、stopping）總能量損失為兩者的和4.1 離子注入原理 核阻止本領與電子阻止本領-LSS理論4.1 離子注入原理阻止本領-dE/dx：能量隨距離損失的平均速率E：注入離子在其運動路程上任一點x處的能量Sn(E)：核阻止本領/截面 (eVcm2)Se(E)：電子阻止本領/截面（eVcm2)N: 靶原子密度 51022 cm-3 for SiLSS理論能量E的函數能量為E的入射粒子在密度為N的靶內走過x距離后損失的能量4.1 離子注入原理 低能量時，核阻止本領隨能量的增加而線性增加，Sn(E)會在某一中等能量時達到最大值。 高能量時，由于高速粒子沒有足夠的時間和靶原子進行有效的能量交換，所以S

5、n(E)變小。核阻止本領4.1 離子注入原理 核阻止本領與電子阻止本領-LSS理論4.1 離子注入原理不同能區(qū)的能量損失形式低能區(qū)：以核碰撞為主中能區(qū)：核碰撞、電子碰撞持平高能區(qū)：以電子碰撞為主R：射程，離子在靶內的總路線長度 Rp：投影射程，R在入射方向上的投影Rp：標準偏差（Straggling），投影射程的平均偏差R：橫向標準偏差（Traverse straggling）, 垂直于入射方向平面上的標準偏差。射程分布：平均投影射程Rp，標準偏差Rp，橫向標準偏差R4.1 離子注入原理幾個概念17/35表面處晶格損傷較小射程終點（EOR）處晶格損傷大4.1 離子注入原理投影射程Rp:RpDR

6、pDRRpDRpDRRpDRpDR4.1 離子注入原理注入離子的濃度分布在忽略橫向離散效應和一級近似下，注入離子在靶內的縱向濃度分布可近似取高斯函數形式200 keV 注入元素 原子質量Sb 122As 74P 31B 11 Cp4.2 注入離子在靶中的分布注入離子在垂直于入射方向平面內的分布情況橫向滲透遠小于熱擴散橫向效應影響MOS晶體管的有效溝道長度。4.2 注入離子在靶中的分布橫向效應4.2 注入離子在靶中的分布橫向效應常用注入離子在不同注入能量下的特性平均投影射程Rp標準偏差Rp4.2 注入離子在靶中的分布隨能量增加，投影射程增加 能量一定時，輕離子比重離子的射程深。4.2 注入離子在

7、靶中的分布溝道效應定義：當離子注入的方向與靶晶體的某個晶向平行時，一些離子將沿溝道運動。溝道離子唯一的能量損失機制是電子阻止，因此注入離子的能量損失率就很低，故注入深度較大。離子方向=溝道方向時離子因為沒有碰到晶格而長驅直入效果：在不應該存在雜質的深度發(fā)現雜質多出了一個峰！4.2 注入離子在靶中的分布溝道效應4.2 注入離子在靶中的分布溝道效應怎么解決？傾斜樣品表面，晶體的主軸方向偏離注入方向，典型值為7；先重轟擊晶格表面，形成無定型層；表面長二氧化硅薄層；4.2 注入離子在靶中的分布溝道效應濃度分布 由于溝道效應的存在，在晶體中注入將偏離LSS理論在非晶體中的高斯分布，濃度分布中出現一個相當

8、長的“尾巴”產生非晶化的劑量沿的溝道效應4.2 注入離子在靶中的分布溝道效應表面非晶層對于溝道效應的作用Boron implantinto SiO2Boron implantinto Si4.2 注入離子在靶中的分布溝道效應注入離子的真實分布真實分布非常復雜，不服從嚴格的高斯分布輕離子硼（B）注入到硅中，會有較多的硼離子受到大角度的散射（背散射），會引起在峰值位置與表面一側有較多的離子堆積；重離子(Sb)將在比峰值位置更遠一側堆積。實際注入還有更多影響因素，主要有襯底材料、晶向、離子束能量、注入雜質劑量以及入射離子性質等。4.2 注入離子在靶中的分布4.3 注入損傷晶格損傷和無定型層靶原子在碰

9、撞過程中，獲得能量，離開晶格位置，進入間隙，形成間隙空位缺陷對；脫離晶格位置的靶原子與其它靶原子碰撞，也可使得被碰靶原子脫離晶格位置。缺陷的存在使得半導體中載流子的遷移率下降，少子壽命縮短，影響器件性能。雜質未激活在注入的離子中，只有少量的離子處在電激活的晶格位置。注入后發(fā)生了什么4.3 注入損傷晶格損傷：高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列碰撞，可能使靶原子發(fā)生位移，被位移原子還可能把能量依次傳給其它原子，結果產生一系列的空位間隙原子對及其它類型晶格無序的分布。這種因為離子注入所引起的簡單或復雜的缺陷統稱為晶格損傷。什么是注入損傷？(Si)SiSiI + SiV4.3 注入損傷損傷的產生移位

10、原子：因碰撞而離開晶格位置的原子。移位閾能Ed：使一個處于平衡位置的原子發(fā)生移位，所需的最小能量. (對于硅原子, Ed15eV) EEd 無位移原子EdE2Ed 級聯碰撞注入離子通過碰撞把能量傳給靶原子核及其電子的過程，稱為能量傳遞過程4.3 注入損傷級聯碰撞簡單晶格損傷孤立的點缺陷或缺陷群（注入離子每次傳遞給硅原子的能量約等于移位閾能）局部的非晶區(qū)域（單位體積的移位原子數目接近半導體的原子密度）非晶層注入離子引起損傷的積累4.3 注入損傷輕離子注入4.3 注入損傷重離子注入4.3 注入損傷非晶化 注入離子引起的晶格損傷有可能使晶體結構完全破壞變?yōu)闊o序的非晶區(qū)。 與注入劑量的關系注入劑量越大

11、，晶格損傷越嚴重。臨界劑量：使晶格完全無序的劑量。臨界劑量和注入離子的質量有關，隨離子質量增加而下降，隨靶溫增加而上升。4.3 注入損傷第二章 氧化-作業(yè)8.某一硅片上面已覆蓋有0.2um厚的SiO2層，現需要在1200下用干氧氧化法再生長0.1um厚的氧化層，問干氧氧化的時間是（ ）min. 已知：干氧 A=0.04 m, B=7.510-4 m2/min,=1.62min 。 40SiO2生長快慢將由氧化劑在SiO2中的擴散速度以及與Si反應速度中較慢的一個因素所決定： 氧化時間長(Thick oxide)，即t和t A2/4B時，則SiO2的厚度和時間的關系簡化為： 拋物型規(guī)律，擴散控制擴散控制：DSiO2 0， Ci 0， Co C *兩種極限情況2.3 硅的熱氧化B 2DC*/N1拋物線速率常數，表示氧化劑擴散流F2的貢獻氣體C0SiO