第五章-離子注入-課件

第五章

離子注入ppt課件1有關(guān)擴散方面的主要內(nèi)容

費克第二定律的運用和特殊解

特征擴散長度的物理含義

非本征擴散

常用雜質(zhì)的擴散特性及與點缺陷的相互作用

常用擴散摻雜方法

常用擴散摻雜層的質(zhì)量測量Distribution

accordingto

errorfunctionDistribution

accordingto

Gaussian

functionppt課件2第五章

離子注入實際工藝中二步擴散第一步 為恒定表面濃度的擴散（Pre-deposition）（稱為預(yù)沉積或預(yù)擴散）控制摻入的雜質(zhì)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第五章

離子注入ppt課件3當(dāng) 時，最后的雜質(zhì)濃度分布可近似為二步擴散的兩種極端情況GaussiandistributionGaussian

or

normaldistribution第五章

離子注入ppt課件4什么是離子注入離化后的原子在強電場的加速作用下，注射進入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)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(jīng)離化變成帶電的離子在強電場中加速，獲得較高的動能后，射入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)第五章

離子注入ppt課件第五章

離子注入離子注入特點各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度可通過精確控制摻雜劑量（1011-1018cm-2）和能量（1-400

keV）來達到平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（1%

variation

across

an

8’’

wafer）表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度

或深結(jié)高濃度注入元素可以非常純，雜質(zhì)單一性可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻膠、介質(zhì)；可防止玷污，自由

度大低溫過程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高溫過程引起的熱擴散橫向效應(yīng)比氣固相擴散小得多，有利于器件尺寸的縮小會產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進設(shè)備相對復(fù)雜、相對昂貴（尤其是超低能量離子注入機）有不安全因素，如高壓、有毒氣體ppt課件

6磁分析器離子源加速管聚焦掃描系統(tǒng)靶r2BF3：B++，B+，BF

+，F(xiàn)+,

BF+，BF++B10B11第五章

離子注入ppt課件源（Source）：在半導(dǎo)體應(yīng)用中，為了操作方便，

一般采用氣體源，如

BF3，BCl3，PH3，ASH3等。如用固體或液體做源材料，一般先加熱，得到它們的蒸汽，再導(dǎo)入放電區(qū)。b)

離子源（Ion

Source）：燈絲（filament）發(fā)出的自由電子在電磁場作用下，獲得足夠的能量后撞擊源分子或原子，使它們電離成離子，再經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器氣體源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，...離子源：As，Ga，Ge，Sb，P，...ppt課件8第五章

離子注入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。第五章

離子注入ppt課件9注入離子如何在體內(nèi)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(nèi)分布理論，簡稱

LSS理論。該理論認為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個彼此獨立的過程核阻止（nuclear

stopping）電子阻止 （electronic

stopping）總能量損失為兩者的和ppt課件10第五章

離子注入核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)-LSS理論阻止本領(lǐng)（stopping

power）：材料中注入離子的能量損失大小

單位路程上注入離子由于核阻止和電子阻止所損失的能量

(Sn(E),Se(E)

)。核阻止本領(lǐng)：來自靶原子核的阻止，經(jīng)典兩體碰撞理論。電子阻止本領(lǐng)：來自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。ppt課件11第五章

離子注入-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(lǐng)/截面(eVcm2)Se(E)：電子阻止本領(lǐng)/截面（eVcm2)N:靶原子密度～5×1022

cm-3

for

SiLSS理論能量E的函數(shù)ppt課件12能量為E的入射粒子在密度為N的靶內(nèi)走過x距離后損失的能量第五章

離子注入核阻止能力的一階近似為：例如：磷離子Z1

=15,m1

=31

注入硅

Z2

=14,

m2

=28,計算可得：Sn

~

550

keV-μm2m——質(zhì)量，Z——原子序數(shù)下標(biāo)1——離子，下標(biāo)2——靶核阻止本領(lǐng)注入離子與靶內(nèi)原子核之間兩體碰撞兩粒子之間的相互作用力是電荷作用對心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移：第五章

離子注入13摘自J.F.Gibbons,Proc.IEEE,Vol.56

(3),

March,1968,

p.295ppt課件第五章

離子注入ppt課件14電子阻止本領(lǐng)把固體中的電子看成自由電子氣，電子的阻止就類似于粘滯氣體的阻力（一階近似）。電子阻止本領(lǐng)和注入離子的能量的平方根成正比。非局部電子阻止局部電子阻止不改變?nèi)肷潆x子運動方向ppt課件15電荷/動量交換導(dǎo)致入射離子運動方向的改變（<核間作用）第五章

離子注入總阻止本領(lǐng)（Total

stopping

power）核阻止本領(lǐng)在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）核阻止和電子阻止相等的能量第五章

離子注入16電子阻止本領(lǐng)在高能量下p起pt課件主要作用離子

E2B 17

keVP 150keVAs,

Sb

>500

keVnnne第五章

離子注入17ppt課件表面處晶格損傷較小射程終點（EOR）處晶格損傷大第五章

離子注入R：射程（range）

離子在靶內(nèi)的總路線長度

Rp：投影射程（projected

range）

R在入射方向上的投影ΔRp：標(biāo)準(zhǔn)偏差（Straggling），投影射程的平均偏差

ΔR⊥：橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差（Traverse

straggling）,垂直于入射方向平面上的標(biāo)準(zhǔn)偏差。射程分布：平均投影射程Rp，標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔRp，橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔR⊥非晶靶中注入離子的濃度分布第五章

離子注入ppt課件

19ΔRpΔR⊥高斯分布RpLog（離子濃度）離子入射z注入離子的二維分布圖第五章

離子注入投影射程Rp:RpΔRpΔR⊥RpΔRpΔR⊥RpΔRpΔR⊥第五章

離子注入21ppt課件注入離子的濃度分布在忽略橫向離散效應(yīng)和一級近似下，注入離子在靶內(nèi)的縱向濃度分布可近似取高斯函數(shù)形式200keV

注入元素原子質(zhì)量Sb122As74P31B11Cp第五章

離子注入由ppt課件23，可以得到：∴Q：為離子注入劑量（Dose）,單位為ions/cm2，可以從測量積分束流得到第五章

離子注入Q可以精確控制例如：當(dāng)A＝20×20

cm2，I＝0.1

μA時，而對于一般NMOS的VT調(diào)節(jié)的劑量為：B＋

1-5×1012

cm-2注入時間為~30分鐘對比一下：如果采用預(yù)淀積擴散（1000

°C），表面濃度為固溶度1020

cm-3時，D～10-14

cm2/s每秒劑量達1013/cm2A為注入面積，I為硅片背面搜集到的束流（FaradyCup），t為積分時間，q為離子所帶的電荷。I＝0.01μA～mA第五章

離子注入ppt課件24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(biāo)準(zhǔn)偏差ΔRp第五章

離子注入25ppt已知注入離子的能量和劑量，估算注入離子在靶中的濃度和結(jié)深ppt課件26第五章

離子注入【解】1)從查圖或查表得

Rp=4289?=0.43μmΔRp=855

?=0.086

μm峰值濃度Cp=0.4Q/ΔRp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019

cm-3襯底濃度CB＝2×1016

cm-3∴xj=0.734

μm2)注入的總離子數(shù)Q＝摻雜劑量×硅片面積＝5×1014×[π(15/2)2]=8.8×1016

離子數(shù)I＝qQ/t＝[(1.6×10－19C)(8.8×1016)]/60

sec=0.23

mA第五章

離子注入ppt課件27注入離子的真實分布真實分布非常復(fù)雜，不服從嚴格的高斯分布當(dāng)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(cè)有第五章離子注入28較多的離子堆積；重離子散ppt射課件得更深。橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)指的是注入離子在垂直于入射方向平面內(nèi)的分布情況ΔR⊥

（μm）第五章離子注入橫向效應(yīng)影響MOS晶體ppt課件

管的有效溝道長度。

2935keVAs注入120keVAs注入第五章離子注入30ppt課件注入掩蔽層——掩蔽層應(yīng)該多厚？如果要求掩膜層能完全阻擋離子xm為恰好能夠完全阻擋離子的掩膜厚度pR

*為離子在掩蔽層中的平均射程，ΔR

*為離子在掩蔽層中p的射程標(biāo)準(zhǔn)偏差第五章

離子注入31解出所需的掩膜層厚度：穿過掩膜層的劑量：余誤差函數(shù)第五章

離子注入32ppt課件離子注入退火后的雜質(zhì)分布Dt

?

D0t0＋Dt一個高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值濃度發(fā)生改變。第五章

離子注入33ppt課件離子注入的溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)（Channeling

effect）當(dāng)離子沿晶軸方向注入時，大部分離子將沿溝道運動，幾乎不會受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠。第五章

離子注入34ppt課件110111100第五章

離子注入35ppt課傾件斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向濃度分布由于溝道效應(yīng)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(xiàn)一個相當(dāng)長的“尾巴”產(chǎn)生非晶化的劑量沿<100>的溝道效應(yīng)第五章

離子注入36ppt課件表面非晶層對于溝道效應(yīng)的作用Boron

implantinto

SiO2Boron

implantinto

Si第五章

離子注入ppt課件減少溝道效應(yīng)的措施對大的離子，沿溝道軸向(110)偏離7－10o用Si，Ge，F(xiàn)，Ar等離子注入使表面預(yù)非晶化，ppt課件38形成非晶層（Pre-amorphization）增加注入劑量（晶格損失增加，非晶層形成，溝道離子減少）表面用SiO2層掩膜第五章

離子注入典型離子注入?yún)?shù)離子：P，As，Sb，B，In，O

劑量：1011~1018

cm-2能量：1–

400

keV可重復(fù)性和均勻性:

±1%溫度：室溫流量：1012-1014

cm-2s-1ppt課件39第五章

離子注入什么是注入損傷晶格損傷：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(jié)果產(chǎn)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(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。(Si)Si→SiI

+

SiV第五章

離子注入ppt課件40EOR

damage第五章

離子注入Courtesy

Anppnt課-件Chatrin

Lindberg(March

20401

2).損傷的產(chǎn)生ppt課件42移位原子：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,Ed≈15eV)注入離子通過碰撞把能量傳給靶原子核及其電子的過程，稱為能量傳遞過程第五章

離子注入移位原子的估算入射離子在碰撞過程中傳遞給靶原子的能量Ed<

E<2Ed時，只能使一個原子移位。只有當(dāng)能

量>

2Ed時，才能增加移位原子的數(shù)目。估算一個以起始能量E0入射的離子，在碰撞過程中可以使靶內(nèi)原子移位的數(shù)目N(E)為第五章

離子注入ppt課件43損傷區(qū)的分布質(zhì)量較靶原子輕的離子傳給靶原子

能量較小，被散射角度較大，只能

產(chǎn)生數(shù)量較少的位移靶原子，因此，注入離子運動方向的變化大，產(chǎn)生

的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較

大。呈鋸齒狀。重離子每次碰撞傳輸給靶的能量較

大，散射角小，獲得大能量的位移

原子還可使許多原子移位。注入離

子的能量損失以核碰撞為主。同時，

射程較短，在小體積內(nèi)有較大損傷。重離子注入所造成的損傷區(qū)域小，損傷密度大。ppt課件44第五章

離子注入非晶化（Amorphization）注入離子引起的晶格損傷有可能使晶體結(jié)構(gòu)完全破壞變?yōu)闊o序的非晶區(qū)。與注入劑量的關(guān)系注入劑量越大，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(zhì)量有關(guān)第五章

離子注入ppt課件損傷退火 （Damage

Annealing）被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位置，對載流子的輸運沒有貢獻；而且也造成大量損傷。注入后的半導(dǎo)體材料：雜質(zhì)處于間隙

n<<ND；p<<NA晶格損傷，遷移率下降；少子壽命下降

熱退火后：n↑

→

n=ND

(p=NA)μ↑

→

μbulk第五章

離子注入46τ

↑

→

τ0ppt課件損傷退火的目的去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復(fù)其原有完美晶體結(jié)構(gòu)讓雜質(zhì)進入電活性（electrically

active） 位置－替位位置?；謴?fù)電子和空穴遷移率注意：退火過程中應(yīng)避免大幅度的雜質(zhì)再分布第五章

離子注入47ppt課件損傷恢復(fù)機制（Damage

Recovery

Mechanism）Annihilation:

recombinationSiI

+SiV

→

(Si)SiFrenkel

I-V

pairs第五章

離子注入Monte

Carlo模擬的I-V

復(fù)合結(jié)果：短時間內(nèi)（10-2秒）800

°C下，體內(nèi)的V

在表面復(fù)合迅速完成，產(chǎn)生剩余的I

，其表面復(fù)合相對較緩慢。在400°C以上，這些I可接合入{311}面形成棒/帶狀缺陷，并可以穩(wěn)定較長時間。ppt課件

48

該{311}缺陷帶在較高溫度下（800～1000

°C）即可退火修復(fù)，但是釋放出大量填隙原子I。

損傷小于臨界值，這些{311}缺陷可以完全分解，回復(fù)完美晶體。

損傷高于臨界值，則{311}缺陷可能變成穩(wěn)定的位錯環(huán)，TED漏電流大第五章

離子注入49該位錯環(huán)位于EOR，并難以去ppt除課件。a)

退火一定溫度下，通常在Ar、N2或真空條件下退火溫度取決于注入劑量及非晶層的消除。修復(fù)晶格：退火溫度600

oC以上，時間最長可達數(shù)小時雜質(zhì)激活：退火溫度650－900

oC，時間10－30分鐘ppt課件50a)方法簡單不能全部消除缺陷*對高劑量注入激活率不夠高雜質(zhì)再分布第五章

離子注入b）快速熱退火，Rapid

Thermal

Processing（RTP）。高功率激光束輻照。電子束。高強度的光照。其它輻射RTP主要優(yōu)點是摻雜的再分布大大降低，對制備淺結(jié)器件特別有利第五章

離子注入ppt課件51第五章

離子注入ppt課件52離子注入在集成電路中的應(yīng)用一、CMOS制造ppt課件