1、Microelectronic Fabrication & MEMS Technology1 离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能。磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能。 曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的离子能量割等。不同的用途需要不同的离子能量 E ， E 50 KeV ，注入掺杂注入掺杂 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology2 1、掩模方式（投影
2、方式）、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束 (FIB) 方式）方式） 掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的掩蔽膜只能是艺的掩蔽膜只能是 SiO2 膜膜 ，而离子注入的掩蔽膜可以是，而离子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜膜 ，也可以是光刻胶等其他薄膜。，也可以是光刻胶等其他薄膜。 掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是生产效率高，设备掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是生产效率高，设
3、备相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟。缺相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是点是 需要制作掩蔽膜。需要制作掩蔽膜。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology3a) 低掺杂浓度与浅结低掺杂浓度与浅结 MaskMaskSilicon substratexjLow energyLow doseFast scan speedBeam scanDopant ionsIon implanterb) 高掺杂浓度与深结高掺杂浓度与深结Beam scanHigh energyHigh doseSlow scan speedMask
4、MaskSilicon substratexjIon implanterMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology4 聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。缺点是聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。缺点是 生产生产效率低，设备复杂，控制复杂。聚焦方式的关键技术是效率低，设备复杂，控制复杂。聚焦方式的关键技术是 1、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源；、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源； 2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。离子光学系统。Microelect
5、ronic Fabrication & MEMS Technology5 用于离化杂质的容器用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有常用的杂质源气体有 BF3、 AsH3 和和 PH3 等。等。不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质质量分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。离子，且离子束很纯。 为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。是决定离子注入深度的一个重要参量。利用偏移电极和偏移角度分离中性
6、原子。利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。将离子聚集成直径为数毫米的离子束。将离子聚集成直径为数毫米的离子束。使离子束沿使离子束沿 x、y 方向扫描。方向扫描。放置样品的地方，其位置可调。放置样品的地方，其位置可调。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology6Ion sourceAnalyzing magnetAcceleration columnIon beamPlasmaProcess chamberExtraction assemblyScanning diskMicroelectronic Fabrication & MEMS Techn
7、ology7Microelectronic Fabrication & MEMS Technology8 作用：作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。 分类：分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。）。 掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为型离子源，其典型的有效源尺寸为 100 m ，亮度为亮度为 10 100 A/cm2.sr。 聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源聚焦方式则需要高亮度小束斑离
8、子源，当液态金属离子源（LMIS）出现后才得以顺利发展。出现后才得以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为的典型有效源尺寸为 5 500 nm，亮度为亮度为 106 107 A/ /cm2.sr 。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology9 这里的这里的 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但其电学
9、特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。 产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology10Microelectronic Fabrication & MEMS Technology11 LMIS 是近
10、几年发展起来的一种是近几年发展起来的一种 的离子源，的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 的小束斑离的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、离子束刻蚀等。子注入、离子束曝光、离子束刻蚀等。 针形针形V 形形螺旋形螺旋形同轴形同轴形毛细管形毛细管形液态金属液态金属钨针钨针类型类型Microelectronic Fabrication & MEMS Technology12 (1) 与容器及钨针不发生任何反应；与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针
11、充分均匀地浸润；能与钨针充分均匀地浸润； (3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发。下既保持液态又不蒸发。 能满足以上条件的金属只有能满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少数几种，等少数几种，其中其中 是最常用的一种。是最常用的一种。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology13 E1 是主高压，即离子束的是主高压，即离子束的加速电压；加速电压；E2 是针尖与引出极是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将
12、离面上液态金属的形状，并将离子引出；子引出；E3 是加热器电源。是加热器电源。E1E2E3 针尖的曲率半径为针尖的曲率半径为 ro = 1 5 m，改变，改变 E2 可以调节针尖与可以调节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径锥顶的曲率半径 仅有仅有 10 nm 的数量级，这就是的数量级，这就是 LMIS 能产生小能产生小束斑离子束的关键。束斑离子束的关键。引引出出极极Microelectronic Fabrication & MEMS Technology14 当当 E2 增大到使电场超过液态增大到使电
13、场超过液态金属的场蒸发值（金属的场蒸发值（ Ga 的场蒸发值的场蒸发值为为 15.2V/ /nm）时，液态金属在圆时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。其中电子被引出金属离子与电子。其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。出，形成离子束。 若改变若改变 E2 的极性的极性 ，则可排斥，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。电子束源。E1E2E3引引出出极极Microelectronic Fabrication & MEMS Technology15 通
14、常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体高或蒸汽压高而无法制成单体 LMIS 。 根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。合金中金属处于液态时的蒸汽压。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology16 例如，金和硅的熔点分别为例如，金和硅的熔点分别为 1063 oC 和和
15、 1404 oC，它们在此它们在此温度时的蒸汽压分别为温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和和 10-1 Torr。当以适当组分组当以适当组分组成合金时，其熔点降为成合金时，其熔点降为 370 oC ，在此温度下，金和硅的蒸汽压在此温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为分别仅为 10-19 Torr 和和 10-22 Torr。这就满足了这就满足了 LMIS 的要求。的要求。 对所引出的离子再进行对所引出的离子再进行 ，就可获得所需的离子。，就可获得所需的离子。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology17 (1) 亮度亮度 亮度的物理意义为亮度的
16、物理意义为 LMIS 的主要优点之一就是亮度高的主要优点之一就是亮度高 ，其典型值为，其典型值为 = 106 107 A/cm2.sr 。 (2) 能散度能散度 能散度是能散度是 LMIS 的主要缺点的主要缺点是能散度大，这将引起离子光学系统的色散，使分辨率下降。是能散度大，这将引起离子光学系统的色散，使分辨率下降。 (3) 离子束斑尺寸离子束斑尺寸 通常为通常为 5 500 nm。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology18 由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成 ，E 与与 B 的方向的方向相互垂直。相互垂直。
17、OydvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光阑光阑BEMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology19fem(),( )VFqEqjdFqvBqvB j122aam21,2qVqVmvvFm由得代入得：12am2( )qVFqBjmOydvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光阑光阑Microelectronic Fabrication & MEMS Technology2012afem2qVVFFqqBdm当时，即当时，离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的 为为2fo22a2Vqqmd B V 对
18、于荷质比为对于荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或或偏转磁场偏转磁场 B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。光阑。12foaf12oa(2) ,(2)VdBq VVBdq V或 通常是调节通常是调节 Vf 而不是调节而不是调节 B。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology21 下面计算当荷质比为下面计算当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为的离子不被偏转时，具有荷质比为qs = q/ /ms 的其它离子被偏转的程度。该种离子在的其
19、它离子被偏转的程度。该种离子在 y 方向受到的方向受到的加速度为加速度为112meaff2ssasssss22yFFqVVVqqaBq BqVqmmmmdd 该种离子在受力区域（该种离子在受力区域（0 Lf ）内的运动方程为内的运动方程为112a2sas22212zyqVzv ttq Vtmya t从上式消去时间从上式消去时间 t ，并将并将 ay 代入，得代入，得Microelectronic Fabrication & MEMS Technology22由此可得偏转量由此可得偏转量 Db 为为bffd21dfff2saaa()()11242Dy Ly L LL LVLBqVdVV2211f
20、f22ssassasaa1122224VVzzyq BqVqBqVdqVVdOydvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光阑光阑Microelectronic Fabrication & MEMS Technology23 将前面的将前面的 B 的表达式的表达式代入代入 Db ，得得sfffbdao1122qV LLDLV dqGf12oa(2)VBdq Vso1qGqMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology24 (1) 为屏蔽荷质比为为屏蔽荷质比为 qs 的离子，光阑半径的离子，光阑半径 D 必须满足必须满足so1qDGq (2) 若若 D
21、 固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽，固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽，22soso11DDqqqqGG或 而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，22oso11DDqqqGG 以上各式可用于评价以上各式可用于评价 质量分析器的分辨本领。质量分析器的分辨本领。BEMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology25 光阑光阑1光阑光阑2vmFBr12am2qVFqvBqBm为向心力，使离子作圆周运动，其为向心力，使离子作圆周运动，其半径为半径为1122aa22o22mVVmvrqBqBq BMicroelectro
22、nic Fabrication & MEMS Technology26 从上式可知，满足荷质比从上式可知，满足荷质比 的离子可通过光阑的离子可通过光阑 2。ao222Vqr B或者对于给定的具有荷质比为或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场的离子，可通过调节磁场 B 使使之满足下式，从而使该种离子通过光阑之满足下式，从而使该种离子通过光阑 2，12a2o2VBq r 另外，若固定另外，若固定 r 和和 Va ，通过连续改变通过连续改变 B ，可使具有不同可使具有不同荷质比的离子依次通过光阑荷质比的离子依次通过光阑 2，测量这些不同荷质比的离子束，测量这些不同荷质比的离子束流的
23、强度，可得到入射离子束的质谱分布。流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。 其余的离子则不能通过光阑其余的离子则不能通过光阑 2，由此达到分选离子的目的。，由此达到分选离子的目的。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology27 在在 质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器则相反，所需离的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器则相反，所需离子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。BEMicroelectronic Fa
24、brication & MEMS Technology28产生高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定产生高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。离子注入深度的一个重要参量。100 MW100 MW100 MW100 MW100 MW0 kV+100 kV+80 kV+20 kV+40 kV+60 kV+100 kVIon beamIon beamTo process chamberElectrodeFrom analyzing magnetMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology29用来将加速后的离子聚
25、集成直径为数毫米的离子束，并利用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束，并利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。用偏移电极和偏移角度分离中性原子。SourceAnalyzing MagnetAcceleratorNeutral beam trapFocussing anodeY-axisdeflectionX-axisdeflectionNeutral beam pathWaferIon beamGrounded collector plateMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology30用来使离子束沿用来使离子束沿 x、y 方向在一定面积内进
26、行扫描。方向在一定面积内进行扫描。+ Ion beamY-axisdeflectionX-axisdeflectionWaferTwistTiltHigh frequency X-axis deflectionLow frequency Y-axis deflectionMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology31放置样品的地方，其位置可调。放置样品的地方，其位置可调。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology32Scanning disk with wafersScanning directio
27、nFaraday cupSuppressor apertureCurrent integratorSampling slit in diskIon beamMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology33注入系统分类注入系统分类 描述和应用描述和应用 中中、低、低电流电流 高纯离子束，电流高纯离子束，电流 10 mA. 束流能量束流能量 10 mA ，大注入到达，大注入到达 25 mA. 离子束能量小于离子束能量小于 120 keV. 大多数情况下离子束固定，硅片扫描大多数情况下离子束固定，硅片扫描. 超浅结源超浅结源/漏注入，超低能束流漏注入，超
28、低能束流 (4keV down to 200 eV). 高能高能 束流能量超过束流能量超过 200 keV 到几到几 MeV. 向沟槽或厚氧化层下面注入杂质向沟槽或厚氧化层下面注入杂质. 能形成倒掺杂阱和埋层能形成倒掺杂阱和埋层. 氧注入机氧注入机 大电流系统，用于大电流系统，用于 (SOI) 的氧注入的氧注入. Microelectronic Fabrication & MEMS Technology34 离子注入过程：入射离子与半导体（称为靶）的原子核和离子注入过程：入射离子与半导体（称为靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路电子不断发生碰撞，其方向改变，能量
29、减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在靶中的某处。径的运动后，因动能耗尽而停止在靶中的某处。yx0zMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology35 离子从入射点到静止点所通过的总路程离子从入射点到静止点所通过的总路程射程的平均值，记为射程的平均值，记为 R射程在入射方向上的投影长度，记为射程在入射方向上的投影长度，记为 xp 投影射程的平均值，记为投影射程的平均值，记为 RP 2pppRxRyxpxpypz0zMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology36 nnddESxeeeddESk
30、ExneneddddEEESSxP00P0neddREERxSS由此可得平均投影射程为由此可得平均投影射程为 入射离子能量损失的原因是受到入射离子能量损失的原因是受到 核阻挡核阻挡 与与 电子阻挡电子阻挡。 核阻挡本领核阻挡本领 电子阻挡本领电子阻挡本领 一个入射离子在一个入射离子在 dx 射程内，由于与核及电子碰撞而失去的射程内，由于与核及电子碰撞而失去的总能量为总能量为Microelectronic Fabrication & MEMS Technology37 Se 的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。 Sn 的计算比较复杂，而
31、且无法得到解析形式的结果。下图的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。下图是数值计算得到的曲线形式的结果是数值计算得到的曲线形式的结果。 ddExeddExnddExE1E2E0 在在 E = E2 处，处，Sn = Se 。 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology38 (2) 当当 E0 大于大于 E2 所对应的能量值时，所对应的能量值时，Sn Se ，以核阻挡为主，此时散射角较大，离子运动方向发生以核阻挡为主，此时散射角较大，离子运动方向发生较大偏折，射程分布较为分散。较大偏折，射程分布较为分散。 pxpxprprMicroelect
32、ronic Fabrication & MEMS Technology39 式中，式中，M1、M2 分别是入射离子和靶原子的质量。分别是入射离子和靶原子的质量。12pp1223M MRRMM在实际工作中，平均投影射程在实际工作中，平均投影射程 RP 及标准偏差及标准偏差 RP 与注入能与注入能量量 E 的关系可从图的关系可从图 5.9 或下表查到。或下表查到。 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology40Microelectronic Fabrication & MEMS Technology41 入射能量入射能量注入硅中的注入硅中的离子离子2
33、0406080100120140160180BRP71414132074269532753802428447455177 RP P276443562653726713855910959PRP25548872997612281483174019962256 RP P90161226293350405459509557AsRP151263368471574677781855991 RP P345981102122143161180198Microelectronic Fabrication & MEMS Technology422PPP2PmaxP1( )exp221exp2xRQN xRRxRN
34、R 非晶靶中注入离子的浓度分布为高斯分布，非晶靶中注入离子的浓度分布为高斯分布，0( )dQN xx式中，式中，Q 为注入离子的为注入离子的 ，Microelectronic Fabrication & MEMS Technology432PmaxP1( )exp2xRN xNRMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology44 1、最大浓度位置在样品内的平均投影射程处而不是表面，、最大浓度位置在样品内的平均投影射程处而不是表面， maxPPP0.4()2QQNN RRR 注入离子的剂量注入离子的剂量 Q 越大，浓度峰值越大，浓度峰值 Nmax 就越
35、高；注入离子就越高；注入离子的能量的能量 E 越大，越大，RP 、 RP 就越大，就越大，Nmax 就越低。就越低。 2、在、在 x = RP 的两侧，注入离子的浓度对称地下降，且下降的两侧，注入离子的浓度对称地下降，且下降速度越来越快，速度越来越快，2PmaxP1( )exp2xRN xNRMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology45 3、结深、结深2jPjmaxBP1()exp2xRN xNNRmaxjppB2 lnNxRRN 得得 4、注入杂质的表面浓度、注入杂质的表面浓度2PmaxP1(0)exp2RNNR令令Microelectron
36、ic Fabrication & MEMS Technology46 5、杂质的横向扩展比扩散工艺要小得多、杂质的横向扩展比扩散工艺要小得多 注入离子浓度在空间的三维分布为注入离子浓度在空间的三维分布为222PmaxPpp1( , , )exp2xRyzN x y zNRyz 在表面在表面 x = 0 处，处，22pmaxpp1(, , )exp2yzN Ry zNyz 在平均投影射程在平均投影射程 x = Rp 处，处，222PmaxPpp1(0, , )exp2RyzNy zNRyzMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology47 在表面处，令
37、在表面处，令 22jPjmaxBPp1(0,0)exp2yRNyNNRy122pmaxjpBp(0)2lnRNyxyNR 得表面处的横向结深为得表面处的横向结深为 横向结深在横向结深在 x = Rp 处达到最大。在处达到最大。在 x = Rp 处，令处，令 12maxjppB()2lnNyxRyN 得得 x = Rp 处的横向结深为处的横向结深为2jPjmaxBp1(,0)exp2yN RyNNyMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology48与与 相比，相比， 12maxjppB2lnNxRRN 可知可知 。 12maxjppB()2lnNy x
38、RyN 将将 x = Rp 处的处的最大最大 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology49 目的目的 1、在实际工艺中，常常让离子穿过表面的薄膜注入到下面、在实际工艺中，常常让离子穿过表面的薄膜注入到下面的衬底中；的衬底中； 2、确定能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的厚度。、确定能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的厚度。 以以 “ SiO2 - Si ” 双层靶为例。设注入的总剂量为双层靶为例。设注入的总剂量为 Qt ，进入进入SiO2 中和进入中和进入 Si 中的剂量分别为中的剂量分别为 QO 和和 QS ，SiO2 的厚度为的厚度为 dO ， 杂质在杂质在
39、SiO2 和和 Si 中的平均投影射程和标准偏差分别为中的平均投影射程和标准偏差分别为p1p1p2p2,RRRRMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology50 则则 SiO2 中的注入离子的浓度分布为中的注入离子的浓度分布为2tP11OP1P11( )exp022QxRNxxdRR 进入进入 SiO2 中的注入离子的剂量为中的注入离子的剂量为oO10( )ddQNxx 利用利用 Si 中的中的 的概念的概念p2p2Op1Op1RRdRdRMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology51 可得到可得到
40、Si 中的注入离子浓度分布和进入中的注入离子浓度分布和进入 Si 中的注入离子的中的注入离子的剂量分别为剂量分别为2tP22OP2P21( )exp22QxRNxdxRR OS2( )ddQNxx 若设若设 ，则可算出，当，则可算出，当 m 分别为分别为 2、3、4 时，时，QS 分别比分别比 Qt 小约小约 2 个数量级、个数量级、3 个数量级和个数量级和 5 个数量级。个数量级。Op1p1dRm RMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology52 1、在已知注入离子的能量、剂量和衬底杂质浓度时，可以、在已知注入离子的能量、剂量和衬底杂质浓度时，
41、可以计算出表面浓度和结深。计算出表面浓度和结深。 2、当注入杂质的最大浓度超过其在靶中的固溶度时，可以、当注入杂质的最大浓度超过其在靶中的固溶度时，可以计算出杂质浓度超过固溶度的区域的范围。计算出杂质浓度超过固溶度的区域的范围。 3、可以计算出当以不同的能量和剂量分几次进行离子注、可以计算出当以不同的能量和剂量分几次进行离子注入时，所得到的合成杂质浓度分布。入时，所得到的合成杂质浓度分布。 4、可以计算出能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的最小厚度。、可以计算出能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的最小厚度。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology53 晶体靶对入射
42、离子的阻挡作用是各向异性的，与靶的晶体晶体靶对入射离子的阻挡作用是各向异性的，与靶的晶体取向有关。当沿着晶体的某些低指数晶向观察时，可以看到一取向有关。当沿着晶体的某些低指数晶向观察时，可以看到一些由原子列包围成的直通道，好象管道一样，称为些由原子列包围成的直通道，好象管道一样，称为 。当离。当离子沿着沟道方向入射时，其射程会比在非晶靶中大得多，从而子沿着沟道方向入射时，其射程会比在非晶靶中大得多，从而偏离高斯函数分布，使注入分布产生一个较长的拖尾。偏离高斯函数分布，使注入分布产生一个较长的拖尾。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology54 1
43、、使离子的入射方向偏离沟道方向、使离子的入射方向偏离沟道方向 7 10 度度； 2、在掺杂注入前先用高剂量的、在掺杂注入前先用高剂量的 Si、Ge、F 或或 Ar 离子注入离子注入来使硅表面预非晶化，或在硅表面生长一层薄来使硅表面预非晶化，或在硅表面生长一层薄 SiO2 层；层； 3、对靶加一定的温度。、对靶加一定的温度。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology55 由离子注入引起的大量空位和间隙原子等点缺陷，以及空由离子注入引起的大量空位和间隙原子等点缺陷，以及空位与其他杂质结合而形成的复合缺陷等，称为位与其他杂质结合而形成的复合缺陷等，称为
44、 注入损伤注入损伤 。注入。注入损伤与注入离子的剂量、能量、质量、靶材料和靶温等有关。损伤与注入离子的剂量、能量、质量、靶材料和靶温等有关。 注入损伤会使载流子迁移率下降，少子寿命降低，注入损伤会使载流子迁移率下降，少子寿命降低，PN 结的结的反向漏电流增大。反向漏电流增大。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology56 当许多损伤区连在一起时就会形成连续的非晶层。开始形当许多损伤区连在一起时就会形成连续的非晶层。开始形成连续非晶层的注入剂量称为成连续非晶层的注入剂量称为 。当注入剂量小于临界。当注入剂量小于临界剂量时，损伤量随注入剂量的增大而增
45、加，当注入剂量超过临剂量时，损伤量随注入剂量的增大而增加，当注入剂量超过临界剂量时，损伤量不再增加而趋于饱和。界剂量时，损伤量不再增加而趋于饱和。 1、注入离子的质量越大，则临界剂量越小；、注入离子的质量越大，则临界剂量越小； 2、注入离子的能量越大，则临界剂量越小；、注入离子的能量越大，则临界剂量越小； 3、注入温度越低，则临界剂量越小；、注入温度越低，则临界剂量越小； 4、注入速度（通常用注入离子的电流密度来衡、注入速度（通常用注入离子的电流密度来衡量）越大，则临界剂量越小。量）越大，则临界剂量越小。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
46、57 当入射离子的初始能量较小时，以核阻挡为主，损伤较多当入射离子的初始能量较小时，以核阻挡为主，损伤较多,但损伤区的分布较浅；但损伤区的分布较浅； 当入射离子的初始能量较大时，先以电子阻挡为主，损伤当入射离子的初始能量较大时，先以电子阻挡为主，损伤较少。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，损伤较少。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，损伤变得严重，这时损伤区的分布较深。变得严重，这时损伤区的分布较深。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology58 当入射离子的质量相对于靶原子较轻时，入射离子将受到当入射离子的质量相对于靶原子较轻
47、时，入射离子将受到大角度的散射，其运动轨迹呈大角度的散射，其运动轨迹呈 “ 锯齿形锯齿形 ” ，所产生的损伤密，所产生的损伤密度较小，但损伤区的范围较大。度较小，但损伤区的范围较大。 当入射离子的质量相对于靶原子较重时，入射离子的散射当入射离子的质量相对于靶原子较重时，入射离子的散射角较小，其运动轨迹较直角较小，其运动轨迹较直 ，所产生的损伤密度较大，容易形成，所产生的损伤密度较大，容易形成非晶区，但损伤区的范围较小。非晶区，但损伤区的范围较小。Light ion impactHeavy ion impactMicroelectronic Fabrication & MEMS Technolo
48、gy59 注入到半导体中的受主或施主杂质大部分都停留在间隙位注入到半导体中的受主或施主杂质大部分都停留在间隙位置处，而处在这个位置上的杂质原子是不会释放出载流子的，置处，而处在这个位置上的杂质原子是不会释放出载流子的，也就不会改变半导体的电特性，达不到掺杂的目的。也就不会改变半导体的电特性，达不到掺杂的目的。 经过适当温度的经过适当温度的 处理，可以使注入杂质原子的全部或处理，可以使注入杂质原子的全部或大部分从间隙位置进入替位位置而释放出载流子，从而改变半大部分从间隙位置进入替位位置而释放出载流子，从而改变半导体的电特性。这个过程称为杂质原子的导体的电特性。这个过程称为杂质原子的 。退火处理也
49、可以减少注入损伤。退火处理也可以减少注入损伤。 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology60 目的：消除注入损伤，并使注入的杂质原子进入替位位置目的：消除注入损伤，并使注入的杂质原子进入替位位置而实现电激活。而实现电激活。 机理：使移位原子与注入的杂质原子在高温下获得较高的机理：使移位原子与注入的杂质原子在高温下获得较高的迁移率而在晶体中移动，从间隙位置进入替位位置。迁移率而在晶体中移动，从间隙位置进入替位位置。 退火技术可分为退火技术可分为 与与 。热退火的温度范围。热退火的温度范围为为 300 1200。退火会改变杂质的分布。退火会改变杂质
50、的分布。 2P22PP()( , )exp2(2)22xRQN x tRDtRDtMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology61 热退火虽然可以满足一般的要求，但也存在一些缺点：对热退火虽然可以满足一般的要求，但也存在一些缺点：对注入损伤的消除和对杂质原子的电激活都不够完全；退火过程注入损伤的消除和对杂质原子的电激活都不够完全；退火过程中还会产生二次缺陷；经热退火后虽然少子的迁移率可以得到中还会产生二次缺陷；经热退火后虽然少子的迁移率可以得到恢复，但少子的寿命及扩散长度并不能恢复；此外，较高温度恢复，但少子的寿命及扩散长度并不能恢复；此外，较高温
