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(shè)備與工藝4.6 離子注入的其他應(yīng)用1兩步擴(kuò)散第一步 為恒定表面濃度的擴(kuò)散（Pre-deposition） （稱(chēng)為預(yù)沉積或預(yù)擴(kuò)散） 控制摻入的雜質(zhì)總量第二步 為有限源的擴(kuò)散（Drive-in），往往同時(shí)氧化 （稱(chēng)為主擴(kuò)散或再分布） 控制擴(kuò)散深度和表面濃度擴(kuò)散工藝2定義： 離子被強(qiáng)電場(chǎng)加速后注入靶中，離子受靶原子阻止而停留其中，經(jīng)退火后成為具有電活性的雜質(zhì)的一個(gè)非平衡的物理過(guò)程。 離子注入的基本過(guò)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(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得較高的動(dòng)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(xué)性質(zhì)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??；可精確控制摻雜原子數(shù)目，平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（1% 以?xún)?nèi)）；襯底保持在低溫，可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻膠、介質(zhì)，避免了高溫過(guò)程引起的熱缺陷；可通過(guò)精確控制摻雜劑量和能量來(lái)達(dá)到各種雜質(zhì)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(jié)低濃度或深結(jié)高濃度；離子注入直進(jìn)性，橫向效應(yīng)小，有利于芯片尺寸縮?。还璞砻娴谋∧て鸬奖Ｗo(hù)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(diǎn)離子注入的缺點(diǎn)：入射離子對(duì)襯底有損傷，必須退火；很淺和很深的結(jié)難于制得；高劑

3、量注入產(chǎn)率受限制；設(shè)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(guò)程是一個(gè)非平衡過(guò)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(lái)。停下來(lái)的位置是隨機(jī)的，大部分不在晶格上，因而沒(méi)有電活性。4.1 離子注入原理注入離子如何在體內(nèi)靜止？LSS理論對(duì)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(jiǎn)稱(chēng) LSS理論。該理論認(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)立的過(guò)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(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)-LSS理論4.1 離子注入原理阻止本領(lǐng)-dE/dx：能量隨距離損失的平均速率E：注入離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x處的能量Sn(E)：核阻止本領(lǐng)/截面 (eVcm2)Se(E)：電子阻止本領(lǐng)/截面（eVcm2)N: 靶原子密度 51022 cm-3 for SiLSS理論能量E的函數(shù)能量為E的入射粒子在密度為N的靶內(nèi)走過(guò)x距離后損失的能量4.1 離子注入原理 低能量時(shí)，核阻止本領(lǐng)隨能量的增加而線性增加，Sn(E)會(huì)在某一中等能量時(shí)達(dá)到最大值。 高能量時(shí)，由于高速粒子沒(méi)有足夠的時(shí)間和靶原子進(jìn)行有效的能量交換，所以S

5、n(E)變小。核阻止本領(lǐng)4.1 離子注入原理 核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)-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(nèi)的總路線長(zhǎng)度 Rp：投影射程，R在入射方向上的投影Rp：標(biāo)準(zhǔn)偏差（Straggling），投影射程的平均偏差R：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Rp，橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差R4.1 離子注入原理幾個(gè)概念17/35表面處晶格損傷較小射程終點(diǎn)（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(yīng)和一級(jí)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200 keV 注入元素 原子質(zhì)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(nèi)的分布情況橫向滲透遠(yuǎn)小于熱擴(kuò)散橫向效應(yīng)影響MOS晶體管的有效溝道長(zhǎng)度。4.2 注入離子在靶中的分布橫向效應(yīng)4.2 注入離子在靶中的分布橫向效應(yīng)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(shí)，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(yīng)定義：當(dāng)離子注入的方向與靶晶體的某個(gè)晶向平行時(shí)，一些離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)。溝道離子唯一的能量損失機(jī)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(shí)離子因?yàn)闆](méi)有碰到晶格而長(zhǎng)驅(qū)直入效果：在不應(yīng)該存在雜質(zhì)的深度發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)多出了一個(gè)峰！4.2 注入離子在靶中的分布溝道效應(yīng)4.2 注入離子在靶中的分布溝道效應(yīng)怎么解決？?jī)A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(wú)定型層；表面長(zhǎng)二氧化硅薄層；4.2 注入離子在靶中的分布溝道效應(yīng)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)

8、長(zhǎng)的“尾巴”產(chǎn)生非晶化的劑量沿的溝道效應(yīng)4.2 注入離子在靶中的分布溝道效應(yīng)表面非晶層對(duì)于溝道效應(yīng)的作用Boron implantinto SiO2Boron implantinto Si4.2 注入離子在靶中的分布溝道效應(yīng)注入離子的真實(shí)分布真實(shí)分布非常復(fù)雜，不服從嚴(yán)格的高斯分布輕離子硼（B）注入到硅中，會(huì)有較多的硼離子受到大角度的散射（背散射），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(Sb)將在比峰值位置更遠(yuǎn)一側(cè)堆積。實(shí)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(zhì)劑量以及入射離子性質(zhì)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(wú)定型層靶原子在碰

9、撞過(guò)程中，獲得能量，離開(kāi)晶格位置，進(jìn)入間隙，形成間隙空位缺陷對(duì)；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(dǎo)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(zhì)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(jié)果產(chǎn)生一系列的空位間隙原子對(duì)及其它類(lèi)型晶格無(wú)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(chēng)為晶格損傷。什么是注入損傷？(Si)SiSiI + SiV4.3 注入損傷損傷的產(chǎn)生移位

10、原子：因碰撞而離開(kāi)晶格位置的原子。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. (對(duì)于硅原子, Ed15eV) EEd 無(wú)位移原子EdE2Ed 級(jí)聯(lián)碰撞注入離子通過(guò)碰撞把能量傳給靶原子核及其電子的過(guò)程，稱(chēng)為能量傳遞過(guò)程4.3 注入損傷級(jí)聯(lián)碰撞簡(jiǎn)單晶格損傷孤立的點(diǎn)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(shù)目接近半導(dǎo)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(jié)構(gòu)完全破壞變?yōu)闊o(wú)序的非晶區(qū)。 與注入劑量的關(guān)系注入劑量越大

11、，晶格損傷越嚴(yán)重。臨界劑量：使晶格完全無(wú)序的劑量。臨界劑量和注入離子的質(zhì)量有關(guān)，隨離子質(zhì)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(xiàn)需要在1200下用干氧氧化法再生長(zhǎng)0.1um厚的氧化層，問(wèn)干氧氧化的時(shí)間是（ ）min. 已知：干氧 A=0.04 m, B=7.510-4 m2/min,=1.62min 。 40SiO2生長(zhǎng)快慢將由氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散速度以及與Si反應(yīng)速度中較慢的一個(gè)因素所決定： 氧化時(shí)間長(zhǎng)(Thick oxide)，即t和t A2/4B時(shí)，則SiO2的厚度和時(shí)間的關(guān)系簡(jiǎn)化為： 拋物型規(guī)律，擴(kuò)散控制擴(kuò)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(shù)，表示氧化劑擴(kuò)散流F2的貢獻(xiàn)氣體C0SiO