集成电路工艺基础离子注入课件.ppt

1、集成电路工艺基础离子注入文档ppt离子注入应用离子注入应用v隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断v调整阈值电压用的沟道掺杂调整阈值电压用的沟道掺杂vCMOS阱的形成阱的形成v浅结的制备浅结的制备 在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为一种主流技术。一种主流技术。使带电粒子偏转，分出中性粒子流使带电粒子偏转，分出中性粒子流中性束路径中性束路径类似电视机，让束流上下来回的对圆片扫描类似电视机，让束流上下来回的对圆片扫描离子注入系统的原理示意图离子注入系统的原理示意图v离子源是产生离子的部件。将被注入物质离子源是产生离子的

2、部件。将被注入物质的气体注入离子源，在其中被电离形成正的气体注入离子源，在其中被电离形成正离子，经吸极吸出，由初聚焦系统，聚成离子，经吸极吸出，由初聚焦系统，聚成离子束，射向磁分析器。离子束，射向磁分析器。吸极是一种直接引出离子束的方法，即用一负吸极是一种直接引出离子束的方法，即用一负电压（几伏到几十千伏）把正离子吸出来。电压（几伏到几十千伏）把正离子吸出来。产生离子的方法有很多，目前常用的利用气体产生离子的方法有很多，目前常用的利用气体放电产生等离子体。放电产生等离子体。离子注入系统原理离子注入系统原理-离子源离子源v从离子源吸出的离子束中，包括多种离子。从离子源吸出的离子束中，包括多种离子

3、。如对如对BCl3气体源，一般包括气体源，一般包括H+、B+、Cl+、O+、C+等。等。v 在磁分析器中，利用不同荷质比的离子在在磁分析器中，利用不同荷质比的离子在磁场中的运动轨迹不同，可以将离子分离，磁场中的运动轨迹不同，可以将离子分离，并选出所需要的一种杂质离子。并选出所需要的一种杂质离子。v 被选离子通过可变狭缝，进入加速管。被选离子通过可变狭缝，进入加速管。离子注入系统原理离子注入系统原理-磁分析器磁分析器v离子源通过加热分解气体源如离子源通过加热分解气体源如BF3或或AsH3成为带成为带正电离子（正电离子（B或或As）。）。v加上约加上约40KeV左右的负电压，引导这些带正电离左右的

4、负电压，引导这些带正电离子移出离子源腔体并进入磁分析器。子移出离子源腔体并进入磁分析器。v选择磁分析器的磁场，使只有质量选择磁分析器的磁场，使只有质量/电荷比符合要电荷比符合要求的离子得以穿过而不被过滤掉。求的离子得以穿过而不被过滤掉。v被选出来的离子接着进入加速管，在管内它们被被选出来的离子接着进入加速管，在管内它们被电场加速到高能状态。电场加速到高能状态。离子注入系统原理离子注入系统原理v 被掺杂的材料称为靶。由加速管出来的离子先由被掺杂的材料称为靶。由加速管出来的离子先由静电聚焦透镜进行聚焦，再进行静电聚焦透镜进行聚焦，再进行x、y两个方向的两个方向的扫描，然后通过偏转系统注入到靶上。扫

5、描，然后通过偏转系统注入到靶上。扫描目的：把离子均匀注入到靶上。扫描目的：把离子均匀注入到靶上。偏转目的：使束流传输过程中产生的中性离子不能到偏转目的：使束流传输过程中产生的中性离子不能到达靶上。达靶上。v注入机内的压力维持低于注入机内的压力维持低于104Pa以下，以使气体以下，以使气体分子散射降至最低。分子散射降至最低。离子注入系统原理离子注入系统原理入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布形成硼的浅结较困难，目前采用的方法：非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程相联系由加速管出来的离子先由静电聚焦透镜进行聚焦，再进行x、y两个方向的扫描，然后通过偏转系统注入到靶上。电子碰撞(注入离子与靶原子

6、周围电子云的碰撞）在再生长过程中，族原子实际上与硅原子难以区分，它们在再结晶的过程当中，作为替位原子被结合在晶格位置上。但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度下，杂质扩散也是非常显著的。不能完全消除缺陷，产生二次缺陷注入离子在靶内运动的总路程效果：在不应该存在杂质的深度发现杂质多出了一个峰！哪个掺杂纯度高（）核阻止本领说明注入离子在靶内能量损失的具体情况，一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻止本领定义为：晶格损伤解离而释放出大量的间隙Si原子，这些间隙Si原子与替位B原子接近时，可以相互换位，使得B原子进入晶格间隙，激活率下降。扩散掩膜能够有更多的选择高温下，非晶区域损伤

7、恢复发生在损伤区与结晶区的交界面，即由单晶区向非晶区通过固相外延或液相外延而使整个非晶区得到恢复。低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差。非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程相联系先重轰击晶格表面，形成无定型层产生离子的方法有很多，目前常用的利用气体放电产生等离子体。*离子注入的沟道效应离子注入的优缺点离子注入的优缺点v优点：优点：注入的离子纯度高注入的离子纯度高 可以精确控制掺杂原子数目，同一平面的掺杂均匀性可以精确控制掺杂原子数目，同一平面的掺杂均匀性得到保证，电学性能得到保证。得到保证，电学性能得到保证。温度低：小于温度低：小于400。低温注入，避免高温扩散所引起。低温注入，避免高

8、温扩散所引起的热缺陷；扩散掩膜能够有更多的选择的热缺陷；扩散掩膜能够有更多的选择 掺杂深度和掺杂浓度可控，得到不同的杂质分布形式掺杂深度和掺杂浓度可控，得到不同的杂质分布形式 非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制 横向扩散效应比热扩散小得多横向扩散效应比热扩散小得多 离子通过硅表面的薄膜注入，防止污染。离子通过硅表面的薄膜注入，防止污染。可以对化合物半导体进行掺杂可以对化合物半导体进行掺杂离子注入的优缺点离子注入的优缺点v 缺点：缺点：产生的晶格损伤不易消除产生的晶格损伤不易消除 很难进行很深或很浅的结的注入很难进行很深或很浅的结的注入 高剂量注入时产率低高剂量

9、注入时产率低 设备价格昂贵（约设备价格昂贵（约200万美金）万美金）4.1 核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v高能离子进入靶后，不高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点路，最后在靶中某一点停止下来停止下来核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v 注入离子在靶内能量损失方式注入离子在靶内能量损失方式 核碰撞核碰撞(注入离子与

10、靶内原子核间的碰撞）注入离子与靶内原子核间的碰撞）质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生大角质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而获度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离开原来所在晶格位置，进入晶格间隙，并留下一个开原来所在晶格位置，进入晶格间隙，并留下一个空位，形成缺陷。空位，形成缺陷。核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v 注入离子在靶内能量损失方式注入离子在靶内能量损失方式 电子碰撞电子碰撞(注入离子与靶原子周围电子云的碰撞）注入离子与靶原子周围电子

11、云的碰撞）能瞬时形成电子能瞬时形成电子-空穴对空穴对 两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，散射角度也小，虽然经过多次散射，注入离子运动方散射角度也小，虽然经过多次散射，注入离子运动方向基本不变。电子则被激发至更高的能级（激发）或向基本不变。电子则被激发至更高的能级（激发）或脱离原子（电离）。脱离原子（电离）。核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v 核阻止本领说明注入离子在靶内能量损失的具体核阻止本领说明注入离子在靶内能量损失的具体情况，一个注入离子在其运动路程上任一点情况，一个注入离子在其运动路程上任一点x处的处的能量为能量为E，则核阻止本领

12、定义为：，则核阻止本领定义为：v 电子阻止本领定义为：电子阻止本领定义为：nndxdEES)(eedxdEES)(核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v 在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为：子所损失的能量则为：v 注入离子在靶内运动的总路程注入离子在靶内运动的总路程)()(ESESdxdEen)()()()(ESESdEESESdERenEooenoEov 低能量时，核阻止本领随能量的增加而线性增加，低能量时，核阻止本领随能量的增加而线性增加，Sn(E)会在某一中等能量时达到最大值。会在某一中等能量时达到最大值。v 高能量时，由于

13、高速粒子没有足够的时间和靶原高能量时，由于高速粒子没有足够的时间和靶原子进行有效的能量交换，所以子进行有效的能量交换，所以Sn(E)变小。变小。核阻止本领核阻止本领电子阻止本领电子阻止本领v电子阻止本领同注入离子的速度成正比，即与注电子阻止本领同注入离子的速度成正比，即与注入离子能量的平方根成正比。入离子能量的平方根成正比。V 为注入离子速度，为注入离子速度，Ke 与注入离子和靶的原子序数、质量有微弱与注入离子和靶的原子序数、质量有微弱关系，粗略估计时，可近似为常数关系，粗略估计时，可近似为常数2/1)()(EkCVESee核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v不同能区的能量损失形式不同能区的能量

14、损失形式 低能区：以核碰撞为主低能区：以核碰撞为主 中能区：核碰撞、电子碰撞持平中能区：核碰撞、电子碰撞持平 高能区：以电子碰撞为主高能区：以电子碰撞为主4.2 注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v 一个离子在停止前所经过的总路程，称为射程一个离子在停止前所经过的总路程，称为射程Rv R在入射轴方向上的投影称为投影射程在入射轴方向上的投影称为投影射程Xpv R在垂直入射方向的投影称为射程横向分量在垂直入射方向的投影称为射程横向分量Xtv平均投影射程平均投影射程Rp：所有入射离子的投影所有入射离子的投影射程的平均值射程的平均值v标准偏差：标准偏差：注入离子在无定形靶中的分布注入

15、离子在无定形靶中的分布v 对于无定形靶（对于无定形靶（SiO2、Si3N4、光刻胶等），注入离子的、光刻胶等），注入离子的纵向分布可用高斯函数表示：纵向分布可用高斯函数表示：其中：其中：)(21exp)(2maxppRRxNxnpspsRNRNN4.02max注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v横向分布（横向分布（高斯分布）高斯分布）入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布 横向渗透远小于热扩散横向渗透远小于热扩散v高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。轻离子轻离子/重离子入射对高斯分布的影响重离子

16、入射对高斯分布的影响 实践中，用高斯分布快速估算注入离子在靶材料中的实践中，用高斯分布快速估算注入离子在靶材料中的分布。分布。注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布2 注入离子在无定形靶中的分布低温注入，避免高温扩散所引起的热缺陷；电子阻止本领定义为：这是因为离子注入所造成的晶格损伤，使硅内的空位密度比热平衡时晶体中的空位密度要大得多。非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程相联系热退火中的扩散称为增强扩散。射程与能量的关系扩散掩膜能够有更多的选择电子则被激发至更高的能级（激发）或脱离原子（电离）。热退火中的扩散称为增强扩散。可以对化合物半导体进行掺杂注入离子引起损伤的积累*离子注

17、入的沟道效应哪个可精确控制掺杂浓度、分布和注入深度（）高剂量（1014/cm2和1015/cm2）局部的非晶区域（单位体积的移位原子数目接近半导体的原子密度）在单晶靶中，原子是按一定规律周期地重复排列，而且晶格具有一定的对称性。高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点停止下来500600范围内，出现逆退火特性注入离子在无定形靶中的分布产生离子的方法有很多，目前常用的利用气体放电产生等离子体。v 随能量增加，投影射程增加随能量增加，投影射程增加v 能量一定时

18、，轻离子比重能量一定时，轻离子比重离子的射程深。离子的射程深。射程与能量的关系射程与能量的关系 注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v 以上讨论的是无定形靶的情形。以上讨论的是无定形靶的情形。无定形材料中原子排列无序，靶对入射离子的阻止作无定形材料中原子排列无序，靶对入射离子的阻止作用是各向同性的用是各向同性的 一定能量的离子沿不同方向射入靶中将会得到相同的一定能量的离子沿不同方向射入靶中将会得到相同的平均射程。平均射程。v实际的硅片实际的硅片单晶单晶 在单晶靶中，原子是按一定规律周期地重复排列，而在单晶靶中，原子是按一定规律周期地重复排列，而且晶格具有一定的对称性。且晶格具有

19、一定的对称性。靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而与晶靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而与晶体取向有关。体取向有关。*离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应*离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应*离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应v定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿沟道运动。沟道离子唯平行时，一些离子将沿沟道运动。沟道离子唯一的能量损失机制是电子阻止，因此注入离子一的能量损失机制是电子阻止，因此注入离子的能量损失率就很低，故注入深度较大。的能量损失率就很低，故注入深度较大。离子方向离子方向=沟道方向时沟道方向时离子

20、因为没有碰到晶格离子因为没有碰到晶格而长驱直入而长驱直入 效果：在不应该存在杂质的深度发现杂质效果：在不应该存在杂质的深度发现杂质多出了多出了一个峰！一个峰！射程分布与注入方向的关系射程分布与注入方向的关系怎么解决？怎么解决？v倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入方向，典型值为方向，典型值为7。v先重轰击晶格表面，形成无定型层先重轰击晶格表面，形成无定型层v表面长二氧化硅薄层表面长二氧化硅薄层怎么解决？怎么解决？高剂量注入时的电激活率不够高调整阈值电压用的沟道掺杂注入离子引起损伤的积累高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动

21、方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点停止下来虚线表示的是注入损伤区还没有变成非晶区的退火特性（剂量从31012/cm2增加到31014/cm2）在单晶靶中，原子是按一定规律周期地重复排列，而且晶格具有一定的对称性。注入离子在靶内运动的总路程注入离子在靶内能量损失方式高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点停止下来定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿沟道运动。入射离

22、子在垂直入射方向平面内的杂质分布高能量时，由于高速粒子没有足够的时间和靶原子进行有效的能量交换，所以Sn(E)变小。随能量增加，投影射程增加500600范围内，出现逆退火特性先重轰击晶格表面，形成无定型层被选离子通过可变狭缝，进入加速管。离子注入系统原理-离子源高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点停止下来选择磁分析器的磁场，使只有质量/电荷比符合要求的离子得以穿过而不被过滤掉。实践中，用高斯分布快速估算注入离子在靶材料中的分布。浅结的形成浅结的形成v为

23、了抑制为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器件的短晶体管的穿通电流和减小器件的短沟效应，要求减小沟效应，要求减小CMOS的源的源/漏结的结深漏结的结深v形成硼的浅结较困难，目前采用的方法：形成硼的浅结较困难，目前采用的方法：硼质量较轻，投影射程深，故采用硼质量较轻，投影射程深，故采用BF2分子注入法分子注入法 F的电活性、的电活性、B的扩散系数高的扩散系数高 B被偏转进入主晶轴的几率大被偏转进入主晶轴的几率大 降低注入离子的能量形成浅结降低注入离子的能量形成浅结 低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差。低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差。预先非晶化预先非晶化 注注B之前，先用重离子

24、高剂量注入，使硅表面变为非晶的表面层。之前，先用重离子高剂量注入，使硅表面变为非晶的表面层。注入后发生了什么注入后发生了什么v晶格损伤和无定型层晶格损伤和无定型层 靶原子在碰撞过程中，获得能量，离开晶格位置，进靶原子在碰撞过程中，获得能量，离开晶格位置，进入间隙，形成间隙空位缺陷对；入间隙，形成间隙空位缺陷对；脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可使得脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可使得被碰靶原子脱离晶格位置。被碰靶原子脱离晶格位置。缺陷的存在使得半导体中载流子的迁移率下降，少子缺陷的存在使得半导体中载流子的迁移率下降，少子寿命缩短，影响器件性能。寿命缩短，影响器件性能。v杂质未

25、激活杂质未激活 在注入的离子中，只有少量的离子处在电激活的晶格在注入的离子中，只有少量的离子处在电激活的晶格位置。位置。注入损伤注入损伤v级联碰撞？级联碰撞？v简单晶格损伤简单晶格损伤 孤立的点缺陷或缺陷群（注入离子每次传递给硅原子孤立的点缺陷或缺陷群（注入离子每次传递给硅原子的能量约等于移位阈能）的能量约等于移位阈能）局部的非晶区域（单位体积的移位原子数目接近半导局部的非晶区域（单位体积的移位原子数目接近半导体的原子密度）体的原子密度）v非晶层非晶层 注入离子引起损伤的积累注入离子引起损伤的积累轻离子注入轻离子注入重离子注入重离子注入非晶层的形成非晶层的形成低温注入，避免高温扩散所引起的热缺

26、陷；高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点停止下来选择磁分析器的磁场，使只有质量/电荷比符合要求的离子得以穿过而不被过滤掉。非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布高温长时间热退火会导致明显的杂质再分布热退火中的扩散称为增强扩散。*离子注入的沟道效应高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数衰减的拖尾注入离子在靶内运动的总路程吸极是一种直接引出离子束的方法，即用一负电压（几

27、伏到几十千伏）把正离子吸出来。入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿沟道运动。热退火中的扩散称为增强扩散。先重轰击晶格表面，形成无定型层高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点停止下来形成硼的浅结较困难，目前采用的方法：600以上，电激活比例又随温度上升而增加被选离子通过可变狭缝，进入加速管。注入杂质经退火后在靶内的分布仍然是高斯分布注入后需要做什么注入后需要做什么v 退火：退火：定义：定义：又叫

28、热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活又叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火 作用作用 激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用的作用 消除损伤消除损伤注入后需要做什么注入后需要做什么v 退火：退火：退火方式：退火方式：炉退火炉退火 快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧

29、灯、如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等石墨加热器、红外设备等)注入后需要做什么注入后需要做什么v 退火：退火：原理原理 高温下，原子振动能高温下，原子振动能，移动能力，移动能力，可使复杂损伤，可使复杂损伤分解为简单缺陷（如空位、间隙原子等），简单缺分解为简单缺陷（如空位、间隙原子等），简单缺陷以较高的迁移率移动，复合后缺陷消失。陷以较高的迁移率移动，复合后缺陷消失。高温下，非晶区域损伤恢复发生在损伤区与结晶区高温下，非晶区域损伤恢复发生在损伤区与结晶区的交界面，即由单晶区向非晶区通过固相外延或液的交界面，即由单晶区向非晶区通过固相外延或液相外延而使整个非晶区得到恢复。相外延而使整个非晶区

30、得到恢复。硼的退火特性硼的退火特性v低剂量（低剂量（81012/cm2）电激活比例随温度上升而增加电激活比例随温度上升而增加v 高剂量（高剂量（1014/cm2和和1015/cm2）退火温度可以分为三个区域退火温度可以分为三个区域 500以下，电激活比例又随温度上升而增加以下，电激活比例又随温度上升而增加 500600范围内，出现逆退火特性范围内，出现逆退火特性 晶格损伤解离而释放出大量的间隙晶格损伤解离而释放出大量的间隙Si原子，这些间隙原子，这些间隙Si原原子与替位子与替位B原子接近时，可以相互换位，使得原子接近时，可以相互换位，使得B原子进入原子进入晶格间隙，激活率下降。晶格间隙，激活率

31、下降。600以上，电激活比例又随温度上升而增加以上，电激活比例又随温度上升而增加电激活比例v 虚线表示的是注入损伤区还没有变成非晶区的退火特性虚线表示的是注入损伤区还没有变成非晶区的退火特性（剂量从（剂量从31012/cm2增加到增加到31014/cm2）电激活比例随温度上升而增加。电激活比例随温度上升而增加。剂量升高时，退火温度相应升高，才能消除更为复杂的无规则损剂量升高时，退火温度相应升高，才能消除更为复杂的无规则损伤。伤。v 实线表示的是非晶区的退火特性（剂量大于实线表示的是非晶区的退火特性（剂量大于1015/cm2），），退火温度降低为退火温度降低为600 左右左右 非晶层的退火机理是

32、与固相外延再生长过程相联系非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程相联系 在再生长过程中，在再生长过程中，族原子实际上与硅原子难以区分，它们在再族原子实际上与硅原子难以区分，它们在再结晶的过程当中，作为替位原子被结合在晶格位置上。所以在相结晶的过程当中，作为替位原子被结合在晶格位置上。所以在相对很低的温度下，杂质可被完全激活。对很低的温度下，杂质可被完全激活。磷的退火特性磷的退火特性电激活比例热退火过程中的扩散效应热退火过程中的扩散效应v 热退火的温度与热扩散的温度相比，要低得多。热退火的温度与热扩散的温度相比，要低得多。但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度但是，对于注入区的杂质，即使在比

33、较低的温度下，杂质扩散也是非常显著的。下，杂质扩散也是非常显著的。这是因为离子注入所造成的晶格损伤，使硅内的空位密这是因为离子注入所造成的晶格损伤，使硅内的空位密度比热平衡时晶体中的空位密度要大得多。度比热平衡时晶体中的空位密度要大得多。离子注入也是晶体内存在大量的间隙原子和多种缺陷，离子注入也是晶体内存在大量的间隙原子和多种缺陷，这些都会使得扩散系数增加，扩散效应增强。这些都会使得扩散系数增加，扩散效应增强。v 热退火中的扩散称为增强扩散。热退火中的扩散称为增强扩散。热退火过程中的扩散效应热退火过程中的扩散效应v 注入杂质经退火后在靶内的分布仍然是高注入杂质经退火后在靶内的分布仍然是高斯分布

34、斯分布 标准偏差需要修正标准偏差需要修正 扩散系数明显增加扩散系数明显增加热退火过程中的扩散效应热退火过程中的扩散效应v高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数衰减的拖尾衰减的拖尾不同能区的能量损失形式硼质量较轻，投影射程深，故采用BF2分子注入法注入离子在无定形靶中的分布电子阻止本领同注入离子的速度成正比，即与注入离子能量的平方根成正比。哪个掺杂均匀性好（）无定形材料中原子排列无序，靶对入射离子的阻止作用是各向同性的对于无定形靶（SiO2、Si3N4

35、、光刻胶等），注入离子的纵向分布可用高斯函数表示：低剂量（81012/cm2）热退火过程中的扩散效应离子注入系统原理-离子源射程与能量的关系热退火过程中的扩散效应非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制R在入射轴方向上的投影称为投影射程Xp如对BCl3气体源，一般包括H+、B+、Cl+、O+、C+等。调整阈值电压用的沟道掺杂高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点停止下来所以在相对很低的温度下，杂质可被完全激活。快速退火（Rapid Thermal Anneal

36、ing）技术2 注入离子在无定形靶中的分布快速热退火（快速热退火（RTA）v传统热退火的缺点传统热退火的缺点 不能完全消除缺陷，产生二次缺陷不能完全消除缺陷，产生二次缺陷 高剂量注入时的电激活率不够高高剂量注入时的电激活率不够高 高温长时间热退火会导致明显的杂质再分布高温长时间热退火会导致明显的杂质再分布v快速退火快速退火（Rapid Thermal AnnealingRapid Thermal Annealing）技术技术 在氮气或惰性气体的气氛下，极短的时间内，在氮气或惰性气体的气氛下，极短的时间内，把晶片温度提高到把晶片温度提高到1000 1000 以上。以上。快速热退火（快速热退火（R

37、TA）快速热退火（快速热退火（RTA）v作用：作用：*消除由注入所产生的晶格损伤消除由注入所产生的晶格损伤*恢复材料少子寿命和载流子迁移率恢复材料少子寿命和载流子迁移率*杂质激活杂质激活作业：作业：1.离子注入与热扩散相比离子注入与热扩散相比 哪个要求温度低（哪个要求温度低（）哪个掺杂纯度高（哪个掺杂纯度高（）哪个高浓度掺杂不受固溶度限制（哪个高浓度掺杂不受固溶度限制（）哪个掺杂均匀性好（哪个掺杂均匀性好（）哪个可精确控制掺杂浓度、分布和注入深度（哪个可精确控制掺杂浓度、分布和注入深度（）哪个横向效应小（哪个横向效应小（）A.离子注入离子注入 B.热扩散热扩散电子科技大学中山学院电子科技大学中

38、山学院可以精确控制掺杂原子数目，同一平面的掺杂均匀性得到保证，电学性能得到保证。非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程相联系吸极是一种直接引出离子束的方法，即用一负电压（几伏到几十千伏）把正离子吸出来。被选离子通过可变狭缝，进入加速管。加上约40KeV左右的负电压，引导这些带正电离子移出离子源腔体并进入磁分析器。平均投影射程Rp：所有入射离子的投影射程的平均值质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生大角度的散射，失去一定的能量。离子注入系统原理-磁分析器非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制离子注入系统原理-离子源低温注入，避免高温扩散所引起的热缺陷；对于无定形靶（SiO2、Si3N4、光刻胶等），注入离子的纵向分布可用高斯函数表示：由加速管出来的离子先由静电聚焦透镜进行聚焦，再进行x、y两个方向的扫描，然后通过偏转系统注入到靶上。倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入方向，典型值为7。形成硼的浅结较困难，目前采用的方法：离子注入系统原理-离子源能量一定时，轻离子比重离子的射程深。高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数衰减的拖尾核碰撞(注入离子与靶内原子核间的碰撞）注入离子在无定形靶中的分布哪个要求温度低（）谢谢观看！谢谢观看！