第四章離子注入.

1、第四章 離子注入 集成電路工藝原理1 4.1 前言前言 4.2 離子注入系統(tǒng)離子注入系統(tǒng) 4.3 離子注入原理離子注入原理 4.4 離子注入損傷及其退火處理離子注入損傷及其退火處理 4.5 離子注入在集成電路中的應(yīng)用離子注入在集成電路中的應(yīng)用第四章 離子注入 集成電路工藝原理2什么是離子注入離子注入v將某種元素的原子經(jīng)離化變成帶電的離子v在強(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得較高的動(dòng)能后，射入材料表層（靶）v以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)第四章 離子注入 集成電路工藝原理3q各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度可通過控制摻雜劑量(1011-1016cm-2)和能量(10-200KeV)來達(dá)到q摻雜均勻(1%varia

2、tionacross8wafer)q橫向分布大大小于擴(kuò)散方法q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q注入元素可以非常純，雜質(zhì)單一性q可用多種材料作掩膜(如金屬、光刻膠、介質(zhì).)，可防止沾污，自由度大。q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(kuò)散。第四章 離子注入 集成電路工藝原理4q會(huì)產(chǎn)生缺陷，甚至非晶層，必須經(jīng)高溫退火加以改進(jìn)q產(chǎn)量較小q設(shè)備復(fù)雜q有不安全因素(如高壓、有毒氣體)q會(huì)引入沾污第四章 離子注入 集成電路工藝原理5 4.1 前言前言 4.2 離子注入系統(tǒng)離子注入系統(tǒng)離子注入系統(tǒng)的組成離子注入系統(tǒng)的組成劑量測(cè)量原理劑量測(cè)量原理 4.3 離子注入

3、原理離子注入原理 4.4 離子注入損傷及其退火處理離子注入損傷及其退火處理 4.5 離子注入在集成電路中的應(yīng)用離子注入在集成電路中的應(yīng)用第四章 離子注入 集成電路工藝原理6 5.2 離子注入系統(tǒng)離子注入系統(tǒng)從離子源引出的離子經(jīng)過磁分析器選擇出需要的離子，分析后的離子加速以提高離子的能量，再經(jīng)過兩維偏轉(zhuǎn)掃描器使離子束均勻的注入到材料表面，用電荷積分儀可精確的測(cè)量注入離子的數(shù)量，調(diào)節(jié)注入離子的能量可精確的控制離子的注入深度。第四章 離子注入 集成電路工藝原理7有兩種類型的離子注入系統(tǒng)，圖中是先加速，再經(jīng)過磁分析器。前一種是先經(jīng)過磁分析器，再加速第四章 離子注入 集成電路工藝原理8l離子源（IonS

4、ource)l磁分析器(Magneticanalyzer)l加速管（Accelerator)l聚焦和掃描系統(tǒng)(FocusandScansystem)l靶室和后臺(tái)處理系統(tǒng)(TargetAssembly)第四章 離子注入 集成電路工藝原理9a)源源(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（離子源（Ion Source)燈絲(filament)發(fā)出的自由電子在電磁場(chǎng)作用下，獲得足夠的能量后撞擊分子或原子，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，

5、射向磁分析器第四章 離子注入 集成電路工藝原理10Gases: BF3, AsH3, PH3, Ar, GeH4, O2, N2,.Solids: As, Ga, Ge, Sb, P, .離子源(Ionsource)Anionsource.Thehotfilamentprovideselectronsfortheionizationofthesourcegas.Amagneticfieldcausestheelectronstospiral.,lengtheningthepathsandincreasingionizationefficiency.第四章 離子注入 集成電路工藝原理11c)磁分

6、析器磁分析器(magnet analyzer)利用不同荷質(zhì)比的離子在磁場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)軌跡的不同將離子分離，選出所需的雜質(zhì)離子。被選離子束通過可變狹縫，進(jìn)入加速管。第四章 離子注入 集成電路工藝原理12在帶電粒子速度垂直于均勻磁場(chǎng)的情況下，洛侖茲力可用下式表示qvBrMv2V：離子速度，q：離子電荷，M：離子質(zhì)量B：磁場(chǎng)強(qiáng)度，r：離子圓周運(yùn)動(dòng)的半徑離子速度和吸出電壓(Extractionvoltage,Vext)成正比綜合兩式，可以得到extVqMBqBMvr21MqVMEvext22第四章 離子注入 集成電路工藝原理13改變分析器的電流將可以選擇具有不同質(zhì)量的離子extVqMBqBMvr21I )

7、r(E2qr ) I(E2qBrE2qM BI,磁場(chǎng)強(qiáng)度和電磁線圈的電流成正比第四章 離子注入 集成電路工藝原理14動(dòng)畫顯示extVqMBqBMvr21第四章 離子注入 集成電路工藝原理15d)加速管加速管(Accelerationtube)離子在靜電場(chǎng)作用下加速到所需的能量。Out+-highvoltageBeamInBeam inVoltageBeam Out25 keV I+ 300 kV 325 keV25 keV I+ 300 kV ?Ion運(yùn)動(dòng)速度：105ms-125+300*2=625KeV用高價(jià)離子注入可以增加注入能量，使注入深度增加；但是由于高價(jià)離子產(chǎn)生較少，其束流較小第四章

8、 離子注入 集成電路工藝原理16e)聚焦和掃描系統(tǒng)聚焦和掃描系統(tǒng)(deflectionandscanning)離子束離開加速管后進(jìn)入控制區(qū)，先由靜電聚焦透鏡使其聚焦。再進(jìn)行x-y兩個(gè)方向掃描，然后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，束流被偏轉(zhuǎn)注到靶上。f)靶室和后臺(tái)處理系統(tǒng)靶室和后臺(tái)處理系統(tǒng) (Target Assembly) 包括測(cè)量電荷的法拉第杯(Faradayscup)，全自動(dòng)裝片和卸片機(jī)構(gòu)，以及控制電流和總電量的微機(jī)。第四章 離子注入 集成電路工藝原理17設(shè)質(zhì)量M，荷電zq(z是離子荷電數(shù)，q是電子電荷量)和能量E的離子束，通過掃描和光圈限定面積A，定義劑量D與積分電荷量Q(庫(kù)侖)的關(guān)系：(7-4)Dose

9、=#ionscm2ItAreazq+Ions-VoltageWaferSecondaryElectronsIQCurrentMeterIntegratordtzqIA1zqAQD Faradaycup第四章 離子注入 集成電路工藝原理18Example: 100 A beam of As swept over 10 cm x 10 cm (100 mm wafer) for 100 sec-192100cm1.610coul/charge100Ax100secDose=6.2x10/cm214若增加離子注入劑量，可以采用什么方法？典型的束流是1微安到幾十毫安問注入劑量為多少？問注入劑量為多少？

10、長(zhǎng)時(shí)間注入和高束流長(zhǎng)時(shí)間注入和高束流第四章 離子注入 集成電路工藝原理19劑量和濃度的關(guān)系劑量和濃度的關(guān)系注入離子的平均密度注入離子的平均密度 劑量劑量/深度深度 （DOSE/DEPTH）(CONCENTRATION)在上面的例子中，如果所有的離子在在上面的例子中，如果所有的離子在1 m深度范圍內(nèi)深度范圍內(nèi)DENSITY = 6.2 x 1014 /cm2 1 m = 6.2 x 1018 /cm3典型的劑量范圍在典型的劑量范圍在1011 /cm2 - 1015 /cm2 (FOR DOPING) 典型的注入離子的平均密度范圍在典型的注入離子的平均密度范圍在1013 /cm3 - 1021 /

11、cm3 (FOR DOPING)第四章 離子注入 集成電路工藝原理20離子：P,As,Sb,B,In,O劑量：1011cm-21016cm-2能量：5KeV400KeV可重復(fù)性和均勻性:1%溫度：室溫第四章 離子注入 集成電路工藝原理21 4.1 前言前言 4.2 離子注入系統(tǒng)離子注入系統(tǒng) 4.3 離子注入原理離子注入原理 4.4 離子注入損傷及其退火處理離子注入損傷及其退火處理 4.5 離子注入在集成電路中的應(yīng)用離子注入在集成電路中的應(yīng)用第四章 離子注入 集成電路工藝原理22本節(jié)主要研究注入離子在靶片上的本節(jié)主要研究注入離子在靶片上的分布及影響分布的各種因素分布及影響分布的各種因素第四章 離

12、子注入 集成電路工藝原理23q有關(guān)射程的概念q核碰撞，電子碰撞q入射離子的分布q溝道注入第四章 離子注入 集成電路工藝原理24離子注入過程是一個(gè)非平衡過程，高能離子進(jìn)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(jī)的，一部分不在晶格上，因而沒有電活性第四章 離子注入 集成電路工藝原理25q有關(guān)射程的概念q核碰撞，電子碰撞q入射離子的分布q溝道注入MonteCarlosimulation,SRIMsoftware第四章 離子注入 集成電路工藝原理26l射程(range)l投影射程(Projectedrange)l射程分布平均投影射程Rp標(biāo)準(zhǔn)偏差Rp橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差R第

13、四章 離子注入 集成電路工藝原理27射程射程 (range) 離子在靶內(nèi)的總路線長(zhǎng)度投影射程投影射程 (projected range)R在入射方向上的投影射程分布射程分布平均投影射程Rp（濃度分布的峰值）標(biāo)準(zhǔn)偏差Rp標(biāo)準(zhǔn)偏差(Straggle)，投影射程的平均偏差橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差R橫向偏差(traversestraggle),垂直于表面的平面上的標(biāo)準(zhǔn)偏差。第四章 離子注入 集成電路工藝原理28射程分布射程分布以平均投影射程Rp（濃度分布的峰值所對(duì)應(yīng)的位置）及其標(biāo)準(zhǔn)偏差Rp描述，在垂直于入射方向上也有一種橫向擴(kuò)展，以橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差R表示。R是決定器件尺寸(如源漏之間溝道長(zhǎng)度)的一個(gè)限制因素。射程分布

14、射程分布大量的入射離子，它們?cè)诎袃?nèi)空間中的分布是確定的，也即在不同截面上有一定的入射離子數(shù)。 Rp R 第四章 離子注入 集成電路工藝原理29q有關(guān)射程的概念q核碰撞，電子碰撞q入射離子的分布q溝道注入第四章 離子注入 集成電路工藝原理30注入離子通過庫(kù)侖散射(CoulombScattering)失去能量從而靜止 離子和靶內(nèi)的自由電子及束縛電子相互作用(通常對(duì)較輕的離子和高能量注入） 離子和靶內(nèi)原子核作用(通常對(duì)重離子和低能量離子注入）第四章 離子注入 集成電路工藝原理31 核阻擋本領(lǐng)與電子阻擋本領(lǐng)核阻擋本領(lǐng)與電子阻擋本領(lǐng)-LSS理論理論阻止本領(lǐng)阻止本領(lǐng)(stopping power)：材料對(duì)

15、入射離子的阻止能量的大小用阻止本領(lǐng)來衡量。阻止本領(lǐng)表示離子在靶子中受到阻止的概率。q 電子阻止本領(lǐng)電子阻止本領(lǐng)：來自原子之間的電子阻止，屬于非彈性碰撞；q 核阻止本領(lǐng)核阻止本領(lǐng)：來自原子核之間的阻止，屬于原子核之間的彈性碰撞；第四章 離子注入 集成電路工藝原理32v1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論，簡(jiǎn)稱LSS理論。vLSS理論用于計(jì)算總射程R和總射程標(biāo)準(zhǔn)偏差Rpv該理論認(rèn)為，入射離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)立的過程(1)核碰撞(nuclearstopping)(2)電子碰撞(Electronicstopping)總能量損失為

16、兩者的和第四章 離子注入 集成電路工藝原理33核碰撞核碰撞(nuclear stopping)電子碰撞電子碰撞(electron stopping)第四章 離子注入 集成電路工藝原理34核碰撞指入射離子和靶內(nèi)原子核之間的相互碰撞。由于入射離子和靶原子的質(zhì)量一般同一量級(jí)，因此每次碰撞后，入射離子可能發(fā)生大角度的散射，并失去一定能量。靶原子也因碰撞獲得能量，如果所獲能量大于原子束縛能，就會(huì)離開原來所在位置，進(jìn)入晶格間隙，并留下一個(gè)空位，形成缺陷電子碰撞指入射離子和靶內(nèi)自由電子及束縛電子之間的碰撞，這種碰撞能瞬時(shí)形成空穴電子對(duì)。由于兩者質(zhì)量相差很大，每次碰撞離子能量損失較小，并且是小角度散射。入射離

17、子運(yùn)動(dòng)方向基本不變。第四章 離子注入 集成電路工藝原理35一個(gè)入射離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)一個(gè)入射離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x處的能量損失處的能量損失為為E，則核阻止本領(lǐng)定義為，則核阻止本領(lǐng)定義為1( )nndESENdx同樣，電子阻止本領(lǐng)定義為同樣，電子阻止本領(lǐng)定義為1( )eedES ENdx-dE/dx:能量隨距離損失的平均速率；能量隨距離損失的平均速率；E：入射離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)：入射離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x處的能量；處的能量；Sn(E):核阻止本領(lǐng)核阻止本領(lǐng) (eVcm2)Se(E): 電子阻止本領(lǐng)（電子阻止本領(lǐng)（eVcm2)N: 靶原子密度靶原子密度 5 1022cm-3 f

18、or Si第四章 離子注入 集成電路工藝原理36)E(S)E(SNdxdEen 0E0enR0)E(S)E(SdEN1dxR-dE/dx:能量隨距離損失的平均速率；E：入射離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x處的能量；Sn(E):核阻止本領(lǐng)(eVcm2)Se(E):電子阻止本領(lǐng)（eVcm2)N:靶原子密度51022cm-3forSi知道了阻止本領(lǐng)，可以求出入射離子在靶內(nèi)運(yùn)動(dòng)的路程Reenn)dxdE(N1)E(S,)dxdE(N1)E(S 入射離子受原子核和電子的阻止作用在單位距離上的能量損失：第四章 離子注入 集成電路工藝原理37理論基礎(chǔ)：兩體碰撞入射離子與靶內(nèi)原子核之間是彈性碰撞，兩粒子之間的相互作

19、用力是電荷作用，忽略兩粒子之間的電子屏蔽作用，而且勢(shì)能函數(shù)V只與兩粒子之間的距離有關(guān)，勢(shì)能函數(shù)可近似為)arexp(r4ZZq) r (V212 Z1和Z2分別為兩個(gè)粒子的原子序數(shù)第四章 離子注入 集成電路工藝原理38核阻止本領(lǐng)和入射離子能量的關(guān)系高能量下，Sn很小，因?yàn)楦吣芰肯?，高速運(yùn)動(dòng)的離子和核碰撞的時(shí)間非常短，使得它們之間的動(dòng)量交換很少低能量時(shí)，核阻止本領(lǐng)隨能量線性增加，在某中等能量達(dá)到最大值Z1，Z2，m1,m2分別為兩個(gè)粒子的原子序數(shù)和質(zhì)量考慮兩粒子之間的電子屏蔽作用，考慮兩粒子之間的電子屏蔽作用，核阻止本領(lǐng)和入射離子能量的關(guān)系如核阻止本領(lǐng)和入射離子能量的關(guān)系如圖中實(shí)線表示圖中實(shí)線表

20、示第四章 離子注入 集成電路工藝原理39核阻止本領(lǐng)和入射離子能量的關(guān)系如果選用和r2成反比的勢(shì)能函數(shù)，則核阻止本領(lǐng)為一常數(shù)，與入射離子能量無關(guān)，如圖中虛線所示。22112/13/223/212115neVcmmmm)ZZ(ZZ108 . 2)E(S Z1，Z2，m1,m2分別為兩個(gè)粒子的原子序數(shù)和質(zhì)量第四章 離子注入 集成電路工藝原理40電子阻止本領(lǐng)和入射離子的能量的平方根成正比。22/1152/1ionecmeV102 . 0k,kECv)E(S 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。第四章 離子注入 集成電路工藝原理41v核阻止本領(lǐng)在低能量下起主要作用v電子阻止本

21、領(lǐng)在高能量下起主要作用vE2: 核阻止和電子阻止相等的能量E2:核阻止和電子核阻止和電子阻止相等的能量阻止相等的能量第四章 離子注入 集成電路工藝原理42如果一個(gè)入射離子的如果一個(gè)入射離子的初始能量比初始能量比Ec大很多，大很多，則這個(gè)離子在靶內(nèi)主要?jiǎng)t這個(gè)離子在靶內(nèi)主要以電子阻止損失能量，以電子阻止損失能量，核阻止損失能量可忽略核阻止損失能量可忽略如果一個(gè)入射離子的如果一個(gè)入射離子的初始能量比初始能量比Ec小很多，小很多，則這個(gè)離子在靶內(nèi)主要?jiǎng)t這個(gè)離子在靶內(nèi)主要以核阻止損失能量，電以核阻止損失能量，電子阻止損失能量可忽略子阻止損失能量可忽略第四章 離子注入 集成電路工藝原理43射程粗略計(jì)算Rp

22、與R的關(guān)系 Rp與R關(guān)系一旦Sn(E)和Se(E)確定，可以計(jì)算出R并且從下面的關(guān)系式得到Rp與R的關(guān)系以及 Rp與R關(guān)系第四章 離子注入 集成電路工藝原理44第四章 離子注入 集成電路工藝原理45q有關(guān)射程的概念q核碰撞，電子碰撞q入射離子的分布q溝道注入第四章 離子注入 集成電路工藝原理46理論計(jì)算表明，在忽略橫向離散效應(yīng)和一級(jí)近似下，注入離子在靶內(nèi)的縱向濃度分布可取高斯函數(shù)形式 2ppPRRx21expC)x(CC(x)表示距離靶表面x的注入離子濃度Cp是峰值濃度/px R第四章 離子注入 集成電路工藝原理47ppPppRQ4 . 0R2QCCR2dx)x(CQ 注入劑量注入劑量Q可以對(duì)

23、可以對(duì)C (x)積分得到，積分得到，并得到峰值并得到峰值濃度濃度Cp與注入劑量與注入劑量Q間的關(guān)系：間的關(guān)系：Q：為離子注入劑量：為離子注入劑量(Dose), 單位為單位為 Ions/cm2,可以從可以從測(cè)量積分束流得到測(cè)量積分束流得到第四章 離子注入 集成電路工藝原理48200KeVImplant不同質(zhì)量的離子，不同質(zhì)量的離子，離子注入后的濃離子注入后的濃度分布度分布質(zhì)量大的，分布質(zhì)量大的，分布較窄較窄第四章 離子注入 集成電路工藝原理49常用注入離子在不同注入能量下的常用注入離子在不同注入能量下的平均射程和標(biāo)準(zhǔn)偏差平均射程和標(biāo)準(zhǔn)偏差第四章 離子注入 集成電路工藝原理50第四章 離子注入 集

24、成電路工藝原理51v真實(shí)分布非常復(fù)雜，不服從嚴(yán)格的高斯分布v當(dāng)輕離子(B)注入到Si中，會(huì)有較多的硼離子受到大角度的散射，會(huì)引起在峰值位置與表面一側(cè)有較多的離子堆積；重離子散射得更深。第四章 離子注入 集成電路工藝原理52橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)指的是注入離子在垂直入射方向平面內(nèi)的分布情況橫向效應(yīng)不但和注入離子的種類有關(guān)，還和注入能量有關(guān)橫向效應(yīng)直接影響了MOS晶體管的有效溝道長(zhǎng)度。1第四章 離子注入 集成電路工藝原理53小結(jié)：小結(jié)：(2)在平均投影射程x=Rp處有一最高濃度最大濃度與注入劑量關(guān)系(3)平均投影射程兩邊，注入離子濃度對(duì)稱地下降離平均投影射程越遠(yuǎn)，濃度下降越快ppPRQ4 . 0

25、R2QC 2ppmaxRRx21expC)x(C(1)注入離子在靶內(nèi)的縱向濃度分布可取高斯函數(shù)形式第四章 離子注入 集成電路工藝原理54q有關(guān)射程的概念q核碰撞，電子碰撞q入射離子的分布q溝道注入第四章 離子注入 集成電路工藝原理55溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)(Channeling effect)當(dāng)離子沿晶軸方向注入時(shí)，大部分離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)，不會(huì)受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠(yuǎn)。第四章 離子注入 集成電路工藝原理56濃度分布濃度分布 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(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的“尾巴”第四章 離子注入 集成電路工藝原理57溝道效應(yīng)(Cha

26、nnelingeffect)Boron Implantinto Silicon DioxideBoron Implantinto Silicon第四章 離子注入 集成電路工藝原理58100111110Ramdom第四章 離子注入 集成電路工藝原理59減少溝道效應(yīng)的措施減少溝道效應(yīng)的措施How can we form ultrashallow junction in todays 0.13um CMOS devices?v沿溝道軸向偏離710ov如果硅是非晶的，99的離子可以被阻止。v用Si,Ge,F,Ar等離子注入使表面預(yù)非晶化，形成非晶層(Pre-amorphization)v增加注入劑量(

27、晶格損失增加，非晶層形成，溝道離子減少)v表面用SiO2層掩膜第四章 離子注入 集成電路工藝原理60 4.4 離子注入損傷及其退火處理離子注入損傷及其退火處理v損傷的定義v損傷的產(chǎn)生v損傷退火v固相外延v雜質(zhì)激活第四章 離子注入 集成電路工藝原理61晶格損傷晶格損傷:高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列碰撞碰撞，可能使靶原子發(fā)生位移位移，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(duì)空位間隙原子對(duì)及其它類型晶格無序的分布。這種因?yàn)殡x子注入所引起的簡(jiǎn)單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷晶格損傷。什么是注入損傷什么是注入損傷(Si)SiSiI + SiV第四章 離子注入 集成電路工

28、藝原理62v損傷的定義v損傷的產(chǎn)生v損傷退火v固相外延v雜質(zhì)激活 4.4 離子注入損傷及其退火處理離子注入損傷及其退火處理第四章 離子注入 集成電路工藝原理63l移位原子：因碰撞而離開晶格位置的原子。l移位閾能Ed：使一個(gè)處于平衡位置的原子發(fā)生移位，所需的最小能量.l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四章 離子注入 集成電路工藝原理64入射離子與靶內(nèi)原子碰撞時(shí)，可能出現(xiàn)三種情形1.傳遞的能量EEd,沒有移位原子產(chǎn)生，被碰原子只是在平衡位置移動(dòng)，將獲得的能量以振動(dòng)能的形式傳遞給近鄰原子，表現(xiàn)為宏觀的熱能。2.EdE2Ed，那么被碰原子本身可以離開晶格位置，成為移

29、位原子，并留下一個(gè)空位。但這個(gè)移位原子離開平衡位置后，所具有的能量小于Ed,不可能使與它碰撞的原子移位。3.被碰原子本身移位后，還具有很高的能量，在它的運(yùn)動(dòng)過程中，還可以使與它碰撞的原子發(fā)生移位。第四章 離子注入 集成電路工藝原理65l移位原子稱為反沖原子。與入射離子碰撞而發(fā)生移位的原子，稱為第一級(jí)反沖原子，與第一級(jí)反沖原子碰撞而移位的原子，稱為第二級(jí)反沖原子，依次類推，這種不斷碰撞的現(xiàn)象稱為“級(jí)聯(lián)碰撞”。第四章 離子注入 集成電路工藝原理66v入射離子在碰撞過程中傳遞給靶原子的能量EdE2Ed時(shí)，只能使一個(gè)原子移位。v估算一個(gè)以起始能量入射的離子，在碰撞過程中可以使靶內(nèi)原子移位的數(shù)目N(E)

30、為d0E2E)E(N 對(duì)硅靶，一般Ed為15ev第四章 離子注入 集成電路工藝原理67Consider a 30keV arsenic ion, which has a range of 25 nm, traversing roughly 100 atomic planes. The number of displaced particles created by an incoming ion is given by1000152000,30E2E)E(Nd0 移位原子數(shù)目的修正公式為：d0EE42. 0)E(N 對(duì)硅靶，一般Ed為15ev第四章 離子注入 集成電路工藝原理68q注入離子引起

31、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)。第四章 離子注入 集成電路工藝原理69損傷程度和下面因素有關(guān)1.注入劑量隨著注入劑量的增加，原來孤立的錯(cuò)亂區(qū)就開始相互搭接在一起，對(duì)硅來說，這種搭接會(huì)導(dǎo)致非晶層的形成。臨界劑量：使晶格完全無序的劑量。第四章 離子注入 集成電路工藝原理702.離子的質(zhì)量數(shù)質(zhì)量較靶原子輕的離子傳給靶原子能量較小，散射角度較大，得到較小能量的位移靶原子，通常不大可能使其它靶原子發(fā)生位移，因此單個(gè)輕離子形成的損傷將呈分支狀的軌跡。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能產(chǎn)生新的位移原子。同時(shí)，射程較短，在小體積內(nèi)有較大損傷。臨界劑量隨離

32、子質(zhì)量的增加而下降第四章 離子注入 集成電路工藝原理713.靶襯底溫度臨界劑量隨靶襯底溫度的增加而上升4.入射離子能量d0EE42. 0)E(N 第四章 離子注入 集成電路工藝原理72v損傷的定義v損傷的產(chǎn)生v損傷退火v固相外延v雜質(zhì)激活 4.4 離子注入損傷及其退火處理離子注入損傷及其退火處理第四章 離子注入 集成電路工藝原理73q 被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位置，對(duì)載流子的輸運(yùn)沒有貢獻(xiàn)；而且也造成大量損傷。q 注入后的半導(dǎo)體材料：雜質(zhì)處于間隙nND;pNA晶格損傷遷移率下降；少子壽命下降熱退火后：n n=ND(p=NA) bulk 0第四章 離子注入 集成電路工藝原理74輻射損傷將影響器件性能：散射中心遷移率下降少子壽命降低pn結(jié)漏電流增加第四章 離子注入 集成電路工藝原理75q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)q讓雜質(zhì)進(jìn)入電活性(electricactive)位置替位位置。q恢復(fù)電子和空穴遷移率q過程中不能有大量的雜質(zhì)再分布第四章 離子注入 集成電路工藝原理76q對(duì)深注入，典型的退火溫度是：900C/30