離子注入精編版

1、 4.14.1 離子注入特點(diǎn)離子注入特點(diǎn) n定義定義: :將帶電的、且具有能量的粒子入射到襯底中。將帶電的、且具有能量的粒子入射到襯底中。 n應(yīng)用：應(yīng)用：COMSCOMS工藝的阱，源、漏，調(diào)整工藝的阱，源、漏，調(diào)整V VT T的溝道摻雜，的溝道摻雜， 防止寄生溝道的溝道隔斷，特別是淺結(jié)。防止寄生溝道的溝道隔斷，特別是淺結(jié)。 n特點(diǎn)特點(diǎn): : 注入溫度低注入溫度低: :對(duì)對(duì)SiSi，室溫；對(duì)，室溫；對(duì)GaAs,400GaAs,EEne ne： ： S Se e(E)(E)為主，則為主，則 RkRk1 1E E0 01/2 1/2 k k1 1=2/k=2/ke e 對(duì)非晶對(duì)非晶SiSi：k ke

2、 e1x101x103 3(eV)(eV)1/2 1/2m m-1 -1； ； 對(duì)非晶對(duì)非晶AsGaAsGa：k ke e 3x10 3x103 3(eV)(eV)1/2 1/2m m-1 -1； ； 注入離子初始能量注入離子初始能量E E0 0 E Ene ne： ： S Sn n(E)(E)為主，且假設(shè)為主，且假設(shè) S Sn n(E)= S(E)= Sn n0 0，則，則 Rk Rk2 2E E0 0 4.3 4.3 離子注入機(jī)理離子注入機(jī)理 - -核碰撞與電子碰撞核碰撞與電子碰撞 4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布 1.1.總射程總射程R R n定義：注入離子在靶內(nèi)走過(guò)的路徑之和。

3、定義：注入離子在靶內(nèi)走過(guò)的路徑之和。 nR R與與E E的關(guān)系：根據(jù)能量的總損失率，的關(guān)系：根據(jù)能量的總損失率， , , 式中，式中，E E0 0注入離子的初始能量。注入離子的初始能量。 ESES dR dE dR dE dR dE enen dEESES dRdE dE dRR E en E 1 0 0 0 0/ 2.2.投影射程投影射程X XP P： 總射程總射程R R在離子入射方向（垂直靶在離子入射方向（垂直靶 片）的投影長(zhǎng)度，即離子注入的片）的投影長(zhǎng)度，即離子注入的 有效深度。有效深度。 3.3.平均投影射程平均投影射程R RP P： 投影射程投影射程X XP P的平均值（離子注入的平

4、均值（離子注入 深度的平均值），具有統(tǒng)計(jì)分布深度的平均值），具有統(tǒng)計(jì)分布 規(guī)律幾率分布函數(shù)。規(guī)律幾率分布函數(shù)。 4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布 4.4.標(biāo)準(zhǔn)偏差（投影偏差）標(biāo)準(zhǔn)偏差（投影偏差）R RP P反映了反映了R RP P的分散程度（分的分散程度（分 散寬度）散寬度） 5. R5. R、R RP P及及R RP P間的近似關(guān)系間的近似關(guān)系 , , M M1 1注入離子質(zhì)量， 注入離子質(zhì)量， M M2 2靶原子質(zhì)量靶原子質(zhì)量 1 2 P M3 M 1 R R 21 21 P P MM MM 3 2 R R 2 PPP )RX(R 4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布 4.4.

5、1 4.4.1 注入離子縱向分布注入離子縱向分布-高斯分布高斯分布 注入離子在靶內(nèi)不斷損失能量，最后停止在某處；注入注入離子在靶內(nèi)不斷損失能量，最后停止在某處；注入 離子按一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布。離子按一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布。 n求解注入離子的射程和離散微分方程：距靶表面為求解注入離子的射程和離散微分方程：距靶表面為x(cm)x(cm) 處的濃度分布為處的濃度分布為 - -高斯函數(shù)高斯函數(shù) N Nmax max=0.4N =0.4NS S/ /R RP P峰值濃度（在峰值濃度（在R RP P處），處）， N NS S注入劑量注入劑量 2 P P max ) R Rx ( 2 1 expN)x(N 4.

6、4 4.4 注入離子分布注入離子分布 4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布 4.4.2 4.4.2 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) 橫向效應(yīng)與注入能量成正比橫向效應(yīng)與注入能量成正比 是結(jié)深的是結(jié)深的30305050； 窗口邊緣的離子濃度是中心處的窗口邊緣的離子濃度是中心處的5050； 4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布 4.4.3 4.4.3 溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)(ion channeling)(ion channeling) n非晶靶：對(duì)注入離子的阻擋是非晶靶：對(duì)注入離子的阻擋是 各向同性；各向同性； n單晶靶：對(duì)注入離子的阻擋是單晶靶：對(duì)注入離子的阻擋是 各向異性；各向異性； n溝道：在單晶靶的主

7、晶軸方向溝道：在單晶靶的主晶軸方向 呈現(xiàn)一系列平行的通道，呈現(xiàn)一系列平行的通道， 稱為溝道。稱為溝道。 4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布 n溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)：離子沿溝道前進(jìn)，核阻擋作用小，因而射程比非晶：離子沿溝道前進(jìn)，核阻擋作用小，因而射程比非晶 靶遠(yuǎn)的多。靶遠(yuǎn)的多。 好處：好處：結(jié)較深；晶格損傷小。結(jié)較深；晶格損傷小。 不利：不利：難于獲得可重復(fù)的濃度分布，使用價(jià)值小。難于獲得可重復(fù)的濃度分布，使用價(jià)值小。 n減小溝道效應(yīng)的途徑減小溝道效應(yīng)的途徑 注入方向偏離晶體的主軸方向，典型值注入方向偏離晶體的主軸方向，典型值-7-70 0； 淀積非晶表面層（淀積非晶表面層（SiOSiO2 2

8、) )； 在表面制造損傷層；在表面制造損傷層； 提高靶溫；提高靶溫； 增大劑量。增大劑量。 4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布 4.5 4.5 注入損傷注入損傷 n離子注入的碰撞：離子注入的碰撞：彈性碰撞和非彈性碰撞彈性碰撞和非彈性碰撞 注入能量較高：與電子的非彈性碰撞為主；注入能量較高：與電子的非彈性碰撞為主； 注入能量較低：與靶原子核的彈性碰撞為主。注入能量較低：與靶原子核的彈性碰撞為主。 4.3.1 4.3.1 級(jí)聯(lián)碰撞級(jí)聯(lián)碰撞 E Ed d: :靶原子離開(kāi)其平衡位置所需的最低能量。靶原子離開(kāi)其平衡位置所需的最低能量。 E ET T: :碰撞后靶原子獲得的能量。碰撞后靶原子獲得的能

9、量。 n若若 E ET TEEEd d：靶原子位移，留下空位；：靶原子位移，留下空位； n若若 E ET TE Ed d：位移原子（反沖原子）再與靶原子碰撞，產(chǎn)生級(jí)：位移原子（反沖原子）再與靶原子碰撞，產(chǎn)生級(jí) 聯(lián)碰撞。聯(lián)碰撞。 n4.3.2 4.3.2 晶格損傷晶格損傷 輕注入離子：如，起始以電子碰撞為主；輕注入離子：如，起始以電子碰撞為主； n重注入離子：如，起始以核碰撞為主。重注入離子：如，起始以核碰撞為主。 4.5 4.5 注入損傷注入損傷 n損傷密度損傷密度 例例1 1：B B離子，離子，E E0 0=80keV=80keV，R Rp p=250nm;=250nm; 已知已知:Si:S

10、i晶格間距為晶格間距為0.25nm0.25nm；初始；初始S S（E E）=35eV/nm=35eV/nm；則；則 E ET T=35X0.25=8.75eVE=35X0.25=8.75eVEd d=15eV=15eV，SiSi不位移；不位移； 當(dāng)能量衰減為當(dāng)能量衰減為E=40keVE=40keV（進(jìn)入約（進(jìn)入約130nm130nm）, S, S（E E）= 60eV/nm= 60eV/nm，則，則 E ET T=60X0.25=15eV=E=60X0.25=15eV=Ed d，SiSi位移，且位移位移，且位移2.5nm/2.5nm/次；次； 設(shè)：每個(gè)晶面都有設(shè)：每個(gè)晶面都有1 1個(gè)個(gè)SiSi

11、位移，則在位移，則在B B離子停止前，位移離子停止前，位移SiSi為為 120nm/0.25nm=480 120nm/0.25nm=480（個(gè)）（個(gè)） 設(shè)：設(shè)：SiSi位移位移2.5nm,2.5nm,則損傷體積為則損傷體積為 V Vdam dam = =（2.5nm2.5nm) )2 2(120nm)=2.4X10(120nm)=2.4X10-18 -18cm cm3 3 n損傷密度損傷密度=480/V=480/Vdam dam=2X10 =2X1020 20cm cm-3 -3 ( (占相應(yīng)體積中所有原子的 占相應(yīng)體積中所有原子的0.4%0.4%） 4.5 4.5 注入損傷注入損傷 例例2

12、2：AsAs離子，離子，E E0 0=80keV=80keV，R Rp p=50nm=50nm，平均，平均S S（E E）=1.2keV/nm=1.2keV/nm n1 1個(gè)個(gè)AsAs共產(chǎn)生約共產(chǎn)生約40004000個(gè)位移個(gè)位移SiSi nV Vdam dam = =（2.5nm2.5nm) )2 2(50nm)=1X10(50nm)=1X10-18 -18cm cm3 3 n損傷密度損傷密度=4000/V=4000/Vdam dam=4X10 =4X1021 21cm cm-3 -3 ( (占相應(yīng)體積中所有原子的 占相應(yīng)體積中所有原子的8%8%） 4.5 4.5 注入損傷注入損傷 4.5.3

13、 4.5.3 非晶層的形成非晶層的形成 隨注入劑量的增加，原先相互隔離的損傷區(qū)發(fā)生重疊，最終形隨注入劑量的增加，原先相互隔離的損傷區(qū)發(fā)生重疊，最終形 成長(zhǎng)程無(wú)序的非晶層。成長(zhǎng)程無(wú)序的非晶層。 n臨界劑量形成非晶層所需的最小注入離子劑量；臨界劑量形成非晶層所需的最小注入離子劑量； 臨界劑量與注入離子質(zhì)量成反比。臨界劑量與注入離子質(zhì)量成反比。 n靶溫靶溫越高，損傷越輕。靶溫靶溫越高，損傷越輕。 4.5 4.5 注入損傷注入損傷 4.6 4.6 注入退火注入退火 n離子注入所形成的損傷有：離子注入所形成的損傷有： 散射中心：使遷移率下降；散射中心：使遷移率下降； 缺陷中心：非平衡少子的壽命減少，漏電

14、流增加；缺陷中心：非平衡少子的壽命減少，漏電流增加； 雜質(zhì)不在晶格上：起不到施主或受主的作用。雜質(zhì)不在晶格上：起不到施主或受主的作用。 n退火目的：消除注入損傷，使注入離子與位移退火目的：消除注入損傷，使注入離子與位移SiSi原子恢復(fù)正原子恢復(fù)正 常的常的替位替位位置激活。位置激活。 n退火方法：熱退火（傳統(tǒng)退火）；快速退火。退火方法：熱退火（傳統(tǒng)退火）；快速退火。 n熱退火機(jī)理：熱退火機(jī)理： a.a.無(wú)定形層（非晶層）：通過(guò)固相外延，使位移原子重構(gòu)而有序無(wú)定形層（非晶層）：通過(guò)固相外延，使位移原子重構(gòu)而有序 化。無(wú)定形是晶體的亞穩(wěn)態(tài)，這種固相外延可在較低溫度下化。無(wú)定形是晶體的亞穩(wěn)態(tài)，這種固

15、相外延可在較低溫度下 發(fā)生。發(fā)生。 b.b.非無(wú)定形層：高溫下，原子振動(dòng)能增大，因而移動(dòng)能力增強(qiáng)，非無(wú)定形層：高溫下，原子振動(dòng)能增大，因而移動(dòng)能力增強(qiáng)， 可使復(fù)雜的損傷分解為簡(jiǎn)單的缺陷，如空位、間隙原子等?？墒箯?fù)雜的損傷分解為簡(jiǎn)單的缺陷，如空位、間隙原子等。 簡(jiǎn)單的缺陷能以較高的遷移率移動(dòng)，相互靠近時(shí)，簡(jiǎn)單的缺陷能以較高的遷移率移動(dòng)，相互靠近時(shí)， 就可能復(fù)合而使缺陷消失。就可能復(fù)合而使缺陷消失。 n退火工藝條件：退火工藝條件：溫度；時(shí)間；方式（常規(guī)、快速）。溫度；時(shí)間；方式（常規(guī)、快速）。 4.6 4.6 注入退火注入退火 4.6.1 4.6.1 硅材料的熱退火特性硅材料的熱退火特性 n退火機(jī)

16、理：退火機(jī)理： 復(fù)雜的損傷分解為簡(jiǎn)單缺陷：空位、間隙原子；復(fù)雜的損傷分解為簡(jiǎn)單缺陷：空位、間隙原子； 簡(jiǎn)單缺陷可因復(fù)合而消失；簡(jiǎn)單缺陷可因復(fù)合而消失； 損傷由單晶區(qū)向非單晶區(qū)通過(guò)損傷由單晶區(qū)向非單晶區(qū)通過(guò)固相外延固相外延再生長(zhǎng)得到恢復(fù)。再生長(zhǎng)得到恢復(fù)。 n二次缺陷：簡(jiǎn)單缺陷重新組合，形成新的缺陷。二次缺陷：簡(jiǎn)單缺陷重新組合，形成新的缺陷。 n注入劑量與退火溫度成正比。注入劑量與退火溫度成正比。 n載流子激活所需溫度：低于壽命和遷移率恢復(fù)所需溫度載流子激活所需溫度：低于壽命和遷移率恢復(fù)所需溫度 ( (雜質(zhì)激活能小于雜質(zhì)激活能小于SiSi擴(kuò)散的激活能）。擴(kuò)散的激活能）。 4.6 4.6 注入退火注

17、入退火 n4.6.2 4.6.2 硼的退火特性硼的退火特性 n4.6.3 4.6.3 磷的退火特性磷的退火特性 n4.6.4 4.6.4 熱退火過(guò)程的擴(kuò)散效應(yīng)熱退火過(guò)程的擴(kuò)散效應(yīng) n（以上請(qǐng)自學(xué)）（以上請(qǐng)自學(xué)） 4.6 4.6 注入退火注入退火 4.6.5 4.6.5 快速退火快速退火(RTA(RTA，rapid thermal annealing)rapid thermal annealing) n常規(guī)熱退火的缺點(diǎn)常規(guī)熱退火的缺點(diǎn) 激活率激活率a an n低；低； 二次缺陷；二次缺陷； 導(dǎo)致明顯的雜質(zhì)再分布；導(dǎo)致明顯的雜質(zhì)再分布； 硅片變形。硅片變形。 nRTARTA機(jī)理：利用高功率密度的物

18、質(zhì)作用于晶片表面，使注入層機(jī)理：利用高功率密度的物質(zhì)作用于晶片表面，使注入層 在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到高溫，以到消除損傷的目的。在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到高溫，以到消除損傷的目的。 n特點(diǎn)：特點(diǎn)： 退火時(shí)間短（退火時(shí)間短（1010 1111 10102 2秒）；秒）； 注入雜質(zhì)激活率高；注入雜質(zhì)激活率高； 對(duì)注入雜質(zhì)分布影響小；對(duì)注入雜質(zhì)分布影響?。?襯底材料的電學(xué)參數(shù)基本不受影響；襯底材料的電學(xué)參數(shù)基本不受影響； 4.6 4.6 注入退火注入退火 4.6.5 4.6.5 快速退火快速退火 n種類(lèi)種類(lèi) a.a.脈沖激光：固液相外延退火機(jī)理。脈沖激光：固液相外延退火機(jī)理。 優(yōu)點(diǎn)：功率密度高；激活率高。優(yōu)點(diǎn)：功率密度高；激活率高。 b.b.連續(xù)波激光：固固相外延退火機(jī)理。連續(xù)波激光：固固相外延退火機(jī)理。 優(yōu)點(diǎn)：雜質(zhì)分布不受影響。優(yōu)點(diǎn)：雜質(zhì)分布不受影響。 缺點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換率低（缺點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換率低（1 1） c.c.電子束：固液外延退火機(jī)理。電子束：固液外延退火機(jī)理。 優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換率高（優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換率高（5050）。）。 d. d. 寬帶非相干光源寬帶非相干光源 光源：鹵素?zé)?，電弧燈。光源：鹵素?zé)簦娀簟?優(yōu)點(diǎn)：無(wú)干涉效應(yīng)；生產(chǎn)效率高；設(shè)備簡(jiǎn)單。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)干涉效應(yīng)；