第4章-離子注入(摻雜工藝)精簡

什么是離子注入離化后的原子在強(qiáng)電場(chǎng)的加速作用下，注射進(jìn)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(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得較高的動(dòng)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4章離子注入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，大部分不在晶格上，因而沒有電活性。離子注入特點(diǎn)摻雜純度高，污染小；摻雜的均勻性和重復(fù)性好；工作溫度低，工藝靈活性大；摻雜深度和摻雜濃度可精確獨(dú)立地控制；最大摻雜濃度不受固溶度限制，摻雜工藝靈活多樣，適應(yīng)性強(qiáng)；低溫工藝避免高溫引起的熱缺陷；離子注入直進(jìn)性，橫向效應(yīng)小，有利于器件特征尺寸的縮小；掩蔽膜作為保護(hù)膜，污染??；適合化合物摻雜；入射離子對(duì)襯底有損傷；會(huì)產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進(jìn)設(shè)備相對(duì)復(fù)雜、相對(duì)昂貴（尤其是超低能量離子注入機(jī)）Self-alignment（自對(duì)準(zhǔn)摻雜）內(nèi)容4.1核碰撞和電子碰撞4.2注入離子在無定形靶中的分布4.3注入損傷4.4熱退火4.5*

離子注入設(shè)備與工藝4.6*

離子注入和熱擴(kuò)散的比較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(林華德）,Scharff

（沙夫）andSchiott（希奧特）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(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)立的過程

(1)核阻止（nuclearstopping）————核碰撞

(2)電子阻止（electronicstopping）——電子碰撞總能量損失為兩者的和4.1核碰撞和電子碰撞（LSS理論）

核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)-LSS理論阻止本領(lǐng)：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，分別記為：

Sn(E)——核阻止本領(lǐng)。能量為E的注入離子在單位密度靶內(nèi)運(yùn)動(dòng)單位長度時(shí)，損失給靶原子核的能量

Se(E)——電子阻止本領(lǐng)核碰撞（核阻止）和晶格原子的原子核發(fā)生碰撞，離子能量轉(zhuǎn)移到靶原子核發(fā)生明顯的散射造成大量晶格損傷

電子碰撞（電子阻止）和晶格原子的電子發(fā)生碰撞注入離子的路徑基本不發(fā)生變化能量轉(zhuǎn)移很小造成的晶格損傷很小

-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)Se(E)：電子阻止本領(lǐng)N:靶原子密度～5

1022cm-3forSiLSS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x距離后損失的能量4.1.1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摘自J.F.Gibbons,Proc.IEEE,Vol.56(3),March,1968,p.295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(jì)算可得：Sn~550keV-mm2M—質(zhì)量，Z—原子序數(shù)，下標(biāo)1—離子，下標(biāo)2—靶4.1.2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。核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)曲線能量較低，質(zhì)量較大的離子，主要是通過核阻止損失能量能量較高，質(zhì)量較小的離子，主要是通過電子阻止損失能量EcR：射程（range）離子在靶內(nèi)的總路線長度

Rp：投影射程（projectedrange）

R在入射方向上的投影射程分布：平均投影射程Rp非晶靶中注入離子的濃度分布4.2注入離子在無定形靶中的分布注入離子散射過程M1>M2;b=1/3入射離子質(zhì)量靶原子質(zhì)量p96不同靶和不同注入離子，其Ec值不同。硅靶注入輕離子硼，

Ec約為15keV，重離子磷，Ec大約為150keV。

注入離子的初使能量比Ec大很多，在靶內(nèi)主要電子阻止損失能量，核阻止可忽略：R≈k1E01/2E<<Ec

，電子阻止可忽略，入射離子主要以核阻止形式損失能量：R≈k2E0核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)的比較常見雜質(zhì)在硅中的平均射程(1)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(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)，濃度越低?？v向分布橫向分布橫向效應(yīng)指的是注入離子在垂直于入射方向平面內(nèi)的分布情況橫向效應(yīng)直接影響MOS管的有效溝道長度掩膜窗口寬度為2a掩膜邊緣（-a和+a處）的濃度是窗口中心濃度的1/2距離大于+a和小于-a處濃度按余誤差下降離子注入的溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)（Channelingeffect）: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)，幾乎不會(huì)受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠(yuǎn)。溝道效應(yīng)的消除方法：對(duì)大的離子，使晶體的主軸方向偏離注入方向（7度左右，陰影現(xiàn)象）在晶體表面覆蓋介質(zhì)膜，散射后改變注入離子的方向用Si，Ge，F(xiàn)，Ar等離子注入使表面預(yù)非晶化典型離子注入?yún)?shù)離子：P，As，Sb，B，In，O劑量：1011~1018cm-2能量：1–400keV

可重復(fù)性和均勻性:±1%溫度：室溫流量：1012-1014cm-2s-1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)及其它類型晶格無序的分布。這種因?yàn)殡x子注入所引起的簡單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。4.3注入損傷注入離子通過碰撞把能量傳遞給靶原子核及其電子的過程，稱能量淀積過程。高能離子在靶內(nèi)與晶格多次碰撞，導(dǎo)致靶的晶格損傷。碰撞有彈性碰撞和非彈性碰撞。損傷的產(chǎn)生移位原子：因碰撞而離開晶格位置的原子。移位閾能Ed：使一個(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,Ed

15eV)不同能量的注入離子與靶原子發(fā)生碰撞的情況：E<Ed，不會(huì)產(chǎn)生移位原子，表現(xiàn)形式為宏觀熱能；Ed<E<2Ed，產(chǎn)生一個(gè)移位原子和一個(gè)空位；E>2Ed，被撞原子本身移位之后，還有足夠高的能量于其他原子發(fā)生碰撞使其移位，這種不斷碰撞的現(xiàn)象稱為“級(jí)聯(lián)碰撞”。一個(gè)離子的級(jí)聯(lián)碰撞引起的晶格損傷：注入損傷的形式產(chǎn)生孤立的點(diǎn)缺陷或缺陷群（簡單損傷）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)域大劑量的注入?yún)^(qū)甚至?xí)纬煞蔷訐p傷主要與注入離子質(zhì)量、能量、劑量有關(guān)；與靶溫有關(guān)。損傷造成半導(dǎo)體電學(xué)特性衰退：載流子遷移率下降；少子壽命變短；pn結(jié)反向漏電?！?.4熱退火ThermalAnnealing晶格損傷的危害：增加散射中心，使載流子遷移率下降增加缺陷中心，使非平衡少數(shù)載流子壽命減少，pn結(jié)漏電流增大注入離子大多處于間隙位置，起不到施主或者受主的作用，晶格損傷造成的破壞使之更難處于替位位置，非晶區(qū)的形成更使得注入的雜質(zhì)根本起不到作用。熱退火的定義和目的

定義：將注入離子的硅片在一定溫度和氛圍下，進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間的熱處理的過程。目的：減少或消除硅片中的晶格損傷，恢復(fù)其少子壽命和遷移率；使摻入的雜質(zhì)進(jìn)入晶格位置，實(shí)現(xiàn)一定比例的電激活在某一高溫下保持一段時(shí)間，使雜質(zhì)通過擴(kuò)散進(jìn)入替位，有電活性；并使晶體損傷區(qū)域“外延生長”為晶體，恢復(fù)或部分恢復(fù)硅的遷移率，少子壽命退火條件、方法退火條件：依據(jù)損傷情況定，目的是激活雜質(zhì)，恢復(fù)電學(xué)特性注入雜質(zhì)的質(zhì)量，劑量、能量等靶溫退火方法高溫退火快速退火：激光、寬帶非相關(guān)光、電子束退火熱退火過程（固相外延）快速退火RapidThermalAnnealing(RTA)普通熱退火（高溫退火）需要經(jīng)過長時(shí)間的高溫過程，會(huì)導(dǎo)致明顯的雜質(zhì)再分布，還可能造成硅片翹曲變形快速退火的目的：降低退火溫度或縮短退火時(shí)間快速退火手段：脈沖激光；脈沖電子束；掃描電子束等快速退火處理（Rapidthermalprocessing,RTP）是將晶片快速加熱到設(shè)定溫度，進(jìn)行短時(shí)間快速熱處理的方法，熱處理時(shí)間10-3-102s。

過去幾年間，RTP已逐漸成為微電子產(chǎn)品生產(chǎn)中必不可少的一項(xiàng)工藝，用于氧化（RTO）、離子注入后的退火、金屬硅化物的形成和快速熱化學(xué)薄膜淀積。

RTP特點(diǎn)RTP系統(tǒng)采用輻射熱源對(duì)單片加熱，溫度測(cè)控由高溫計(jì)完成；RTP工藝使用范圍很廣，控溫在200~1300℃之間，升、降溫速度為20~250℃/秒，還可以控制工藝氣體，可完成復(fù)雜的多階段熱處理工藝。用RTP取代常規(guī)熱處理工藝避免了Si中雜質(zhì)再分布，還縮短工藝周期。RTP系統(tǒng)利用多排鹵化鎢燈對(duì)Si片進(jìn)行加熱，Si片旋轉(zhuǎn)；自動(dòng)載片控制和精確的溫度控制；工藝的全程控制，實(shí)時(shí)圖形曲線顯示，實(shí)時(shí)工藝參數(shù)采集、顯示和分析。AG41004.5離子注入設(shè)備與工藝離子注入系統(tǒng)：離子源（離子發(fā)生器，分析器）加速及聚焦系統(tǒng)（先分析后加速，先加速后分析，前后加速，中間分析）終端臺(tái)（掃描器，偏束板，靶室）離子注入完整定義：離子注入是將含所需雜質(zhì)的化合物分子（如BCl3、BF3）電離為雜質(zhì)離子后，聚集成束用強(qiáng)電場(chǎng)(5-500KeV)加速，使其成為高能離子束，直接轟擊半導(dǎo)體材料（靶），當(dāng)離子進(jìn)入靶時(shí)，受靶原子阻擋，而停留在其中，經(jīng)退火后雜質(zhì)進(jìn)入替位、電離成為具有電活性的雜質(zhì)。磁分析器離子源加速管聚焦掃描系統(tǒng)靶rBF3：B++，B+，BF2+，F(xiàn)+,BF+，BF++B10B11洛倫茲力=向心力源（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（IonSource）：燈絲（filament）發(fā)出的自由電子在電磁場(chǎng)作用下，獲得足夠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，...一、離子源磁分析器原理帶電離子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)：洛倫茲力=向心力BF3B,B+,BF2+,F-….二、加速和聚焦系統(tǒng)利用各種電極可以很方便地對(duì)離子束進(jìn)行加速和聚焦：先加速，后分析：避免離子在到達(dá)硅片之前丟失電荷，但需要大磁場(chǎng)；先分析，后加速：分析器較小，但加速過程中電荷交換影響束流強(qiáng)度和純度；前后加速，中間分析：調(diào)節(jié)方便，范圍寬三、終端臺(tái)

1.掃描器靶靜止，離子束X,Y向運(yùn)動(dòng)靶X向移動(dòng)，離子束Y向移動(dòng)離子束靜止，靶X,Y向移動(dòng).

2.偏束板離子束在運(yùn)動(dòng)過程中可以和熱電子發(fā)生電荷交換，形成中性粒子，影響注入均勻性加入靜電偏轉(zhuǎn)電極，一般5度左右，中性束不能偏轉(zhuǎn)而去除

3.靶室（工作室）樣品架法拉第杯（控制注入劑量）磁分析器離子源加速管聚焦掃描系統(tǒng)靶r離子注入設(shè)備舉例中科院沈陽科儀真空室尺寸：Φ1000×1200漏率：<3.75×10-7Pa·L/S真空室極限真空度：3.75×10-5Pa

4.6離子注入用途，和擴(kuò)散的比較

對(duì)比內(nèi)

容熱擴(kuò)散離子注入動(dòng)力高溫、雜質(zhì)的濃度梯度平衡過程動(dòng)能，5-500KeV非平衡過程雜質(zhì)濃度受表面固溶度限制摻雜濃度過高、過低都無法實(shí)現(xiàn)濃度不受限結(jié)深結(jié)深控制不精確適合深結(jié)摻雜結(jié)深控制精確適合淺結(jié)摻雜橫向擴(kuò)散嚴(yán)重。橫向是縱向擴(kuò)散線度的0.70-0.85倍，擴(kuò)散線寬3μm以上較小。特別在低溫退火時(shí)，線寬可小于1μm