1、第四章第四章 离子注入离子注入主主 讲：毛讲：毛 维维 西安电子科技大学微电子学院西安电子科技大学微电子学院概述概述n目的：目的：掺杂（掺杂（1954年，年，Shockley 提出）；提出）；n应用：应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整工艺的阱，源、漏，调整VT的的 沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断，沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断， 特别是浅结。特别是浅结。n定义定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬将带电的、且具有能量的粒子入射到衬 底中的过程。底中的过程。注入注入温度低温度低:对对Si，室温；对，室温；对GaAs,Ene： Se(E)为主，则为主，则 Rk1E01/2 k1=2/ke
2、对非晶对非晶Si：ke1x103(eV)1/2m-1； 对非晶对非晶GaAs：ke 3x103(eV)1/2m-1； 注入离子初始能量注入离子初始能量E0 Ene： Sn(E)为主，且假设为主，且假设 Sn(E)= Sn0，则，则 Rk2E0 k2近似为常数。近似为常数。1.总射程总射程Rn定义：定义：注入离子在靶内走过的路径之和。注入离子在靶内走过的路径之和。nR与与E的关系：的关系：根据能量的总损失率，根据能量的总损失率， 则，则，式中，式中，E0注入离子的初始能量。注入离子的初始能量。 ESESdxdEdxdEdxdEenen dEESESdxdEdEdxREenER100000/4.2
3、 注入离子在无定注入离子在无定形靶中的分布形靶中的分布4.2 注入离子分布注入离子分布2.投影射程投影射程XP： 总射程总射程R在离子入射方向在离子入射方向（垂直靶片）的投影长度（垂直靶片）的投影长度，即离子注入的有效深度。，即离子注入的有效深度。3.平均投影射程平均投影射程RP：投影射程投影射程XP的平均值，的平均值，具有统计分布规律具有统计分布规律几率分布函数。几率分布函数。4.2 注入离子分布注入离子分布4.标准偏差（投影偏差）标准偏差（投影偏差）RP 反映了反映了RP的分散程度（分散宽度）。的分散程度（分散宽度）。5. R, RP, RP间的近似关系间的近似关系 M1注入离子质量，注入
4、离子质量， M2靶原子质量靶原子质量12PM3M1RR 2121PPMMMM32RR 2PPP)RX(R 4.2 注入离子分布注入离子分布4.2.1 注入离子纵向分布注入离子纵向分布-高斯分布高斯分布 注入离子在靶内不断损失能量，最后停止在某处；注入离子在靶内不断损失能量，最后停止在某处； 注入离子在靶内的碰撞是一随机过程；注入离子在靶内的碰撞是一随机过程； 注入离子按一定的统计规律分布。注入离子按一定的统计规律分布。n求解注入离子的射程和离散微分方程，距靶表面为求解注入离子的射程和离散微分方程，距靶表面为x(cm)处的浓度分布为处的浓度分布为 ，高斯函数高斯函数 Nmax=0.4NS/RP峰
5、值浓度（在峰值浓度（在RP处）处）(后面具体推导后面具体推导) NS注入剂量（通过靶表面单位面积注入的离子数）注入剂量（通过靶表面单位面积注入的离子数） 2PPmax)RRx(21expN)x(N4.2 注入离子分布注入离子分布在实验中，入射离子的剂量在实验中，入射离子的剂量(即垂直入射在靶表面单位面即垂直入射在靶表面单位面积上的离子数积上的离子数) 是人为控制的，它是一个己知量。设是人为控制的，它是一个己知量。设Ns为为沿沿x方向的剂量，则方向的剂量，则02max021exp)(dxRRxNdxxNNppSppRRx 2210212pppRRxRQxNexp)()(/ pXpSRNdXeRN
6、Nmax0max222pSRNN2max 由图可见，浓度分布具有以由图可见，浓度分布具有以 下几个特点：下几个特点：在平均投影射程在平均投影射程xRp处有处有 一最高浓度一最高浓度pSpSRNRNN4 . 02maxpn结的位置：结的位置：)ln(maxBppjNNRRx2 221ppBRRxNNexpmax常用离子在硅中的注入能量常用离子在硅中的注入能量(KeV)与射程与射程( )等数据的关系等数据的关系A4.2 注入离子分布注入离子分布4.2.2 横向效应横向效应横向效应与注入能量成正比；横向效应与注入能量成正比；是结深的是结深的30-50；窗口边缘的离子浓度是中心窗口边缘的离子浓度是中心
7、 处的处的50；沿沿x x方向垂直入射各向同性非晶方向垂直入射各向同性非晶靶内，注入离子空间分布函数为：靶内，注入离子空间分布函数为：2222222/3)()(21exp)()2(1),(pppRRxRzRyRRzyxN4.2 注入离子分布注入离子分布4.2.3 沟道效应沟道效应(ion channeling)n非晶靶：对注入离子的阻挡是非晶靶：对注入离子的阻挡是 各向同性；各向同性；n单晶靶：对注入离子的阻挡是单晶靶：对注入离子的阻挡是 各向异性；各向异性；n沟道：在单晶靶的主晶轴方向沟道：在单晶靶的主晶轴方向 呈现一系列平行的通道，呈现一系列平行的通道， 称为沟道。称为沟道。硅晶体的原子构
8、型硅晶体的原子构型沿沿 轴的硅晶格视图轴的硅晶格视图4.2 注入离子分布注入离子分布n沟道效应：沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射 程比非晶靶远的多。程比非晶靶远的多。 好处：好处：结较深；晶格损伤小。结较深；晶格损伤小。 不利：不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。n减小沟道效应的途径减小沟道效应的途径 注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值-70； 淀积非晶表面层（淀积非晶表面层（SiO2)； 在表面制造损伤层；在表面制造损伤层； 提高靶温；提高靶温； 增大剂量。增大剂
9、量。4.3 注入损伤注入损伤4.3.1 级联碰撞级联碰撞1 .损伤的形成损伤的形成 Ed:靶原子离开其平衡位置所需的最低能量。靶原子离开其平衡位置所需的最低能量。 ET:靶原子与注入离子碰撞后获得的能量。靶原子与注入离子碰撞后获得的能量。n若若 ETEd：靶原子位移，留下空位；：靶原子位移，留下空位；n若若 ETEd：位移原子（反冲原子）再与靶原子碰撞，：位移原子（反冲原子）再与靶原子碰撞，产生级联碰撞。产生级联碰撞。4.3.2 晶格损伤晶格损伤4.3 注入损伤注入损伤n损伤密度损伤密度 例例1：B离子，离子，E0=80keV，Rp=250nm; 已知已知:Si晶格间距为晶格间距为0.25nm
10、；初始；初始S（E）=35eV/nm；则；则 ET=350.25=8.75eVEd=15eV，Si不位移；不位移； 当当E=40keV(此时此时Rp1=130nm) , S（E）=60eV/nm，则，则 ET=600.25=15eV=Ed，Si位移，且位移位移，且位移2.5nm/次；次； 设：每个晶面都有设：每个晶面都有1个个Si位移，则在位移，则在B离子停止前，位移离子停止前，位移Si为为 120nm/0.25nm=480 设：设：Si位移位移2.5nm,则损伤体积为则损伤体积为 Vdam =（2.5nm)2(120nm)=2.410-18cm-3n损伤密度损伤密度=480/Vdam=210
11、20cm-3 (占相应体积中所有原子的占相应体积中所有原子的0.4%） 4.3 注入损伤注入损伤例例2：As离子，离子，E0=80keV，Rp=50nm，平均，平均S（E）=1.2keV/nmn1个个As共产生约共产生约4000个位移个位移SinVdam =（2.5nm)2(50nm)=110-18cm-3n损伤密度损伤密度=4000/Vdam=41021cm-3 (占相应体积中所有原子的占相应体积中所有原子的8%）4.3 注入损伤注入损伤4.3 注入损伤注入损伤4.3.3 非晶层的形成非晶层的形成 随注入剂量的增加，原先相互隔离的损伤区发生随注入剂量的增加，原先相互隔离的损伤区发生重叠，最终
12、形成长程无序的非晶层。重叠，最终形成长程无序的非晶层。n临界剂量形成非晶层所需的最小注入离子剂量；临界剂量形成非晶层所需的最小注入离子剂量； 临界剂量与注入离子质量成反比。临界剂量与注入离子质量成反比。n靶温靶温越高，损伤越轻。靶温靶温越高，损伤越轻。 4.4 热退火热退火n离子注入所形成的损伤有：离子注入所形成的损伤有：散射中心：使迁移率下降；散射中心：使迁移率下降；缺陷中心：非平衡少子的寿命减少，缺陷中心：非平衡少子的寿命减少，pn结漏电流增结漏电流增 加；加；杂质不在晶格上：起不到施主或受主的作用。杂质不在晶格上：起不到施主或受主的作用。n退火目的：退火目的：消除注入损伤，使注入离子与位
13、移消除注入损伤，使注入离子与位移Si原子原子 恢复正常的恢复正常的替位替位位置电激活。位置电激活。n退火方法：退火方法：热退火（传统退火）；快速退火。热退火（传统退火）；快速退火。4.4 热退火热退火n热退火机理热退火机理a.无定形层（非晶层）：无定形层（非晶层）： 通过固相外延，使位移原子重构而有序化。无定形是通过固相外延，使位移原子重构而有序化。无定形是晶体的亚稳态，这种固相外延可在较低温度下发生。晶体的亚稳态，这种固相外延可在较低温度下发生。b.非无定形层：非无定形层： 高温下，原子振动能增大，因而移动能力增强，可使高温下，原子振动能增大，因而移动能力增强，可使复杂的损伤分解为简单的缺陷
14、，如空位、间隙原子等。复杂的损伤分解为简单的缺陷，如空位、间隙原子等。 在热处理温度下，简单的缺陷能以较高的迁移率移动，在热处理温度下，简单的缺陷能以较高的迁移率移动，相互靠近时，就可能复合而使缺陷消失。相互靠近时，就可能复合而使缺陷消失。n退火工艺条件：退火工艺条件：温度；时间；方式（常规、快速）。温度；时间；方式（常规、快速）。4.4 热退火热退火4.4.1 硅材料的热退火特性硅材料的热退火特性n退火机理：退火机理：复杂的损伤分解为简单缺陷：空位、间隙原子；复杂的损伤分解为简单缺陷：空位、间隙原子；简单缺陷可因复合而消失；简单缺陷可因复合而消失；损伤由单晶区向非单晶区通过固相外延再生长得到
15、恢复。损伤由单晶区向非单晶区通过固相外延再生长得到恢复。n二次缺陷二次缺陷(能量较低能量较低)：(高能量的高能量的)简单缺陷重新组合，形成新简单缺陷重新组合，形成新 的缺陷。的缺陷。n注入剂量与退火温度成正比。注入剂量与退火温度成正比。n载流子激活所需温度：低于寿命和迁移率恢复所需温度。载流子激活所需温度：低于寿命和迁移率恢复所需温度。热退火原理示意热退火原理示意晶格原子晶格原子杂质原子杂质原子晶格原子晶格原子杂质原子杂质原子晶格原子晶格原子杂质原子杂质原子晶格原子晶格原子杂质原子杂质原子晶格原子晶格原子杂质原子杂质原子晶格原子晶格原子杂质原子杂质原子晶格原子晶格原子杂质原子杂质原子晶格原子晶
16、格原子杂质原子杂质原子退火前后比较退火前后比较4.4 热退火热退火4.4 热退火热退火4.4.2 硼的退火特性硼的退火特性n区：随温度增加，复合几率区：随温度增加，复合几率 增加，点缺陷消失，替增加，点缺陷消失，替 位位B增加，载流子增加；增加，载流子增加；n区：点缺陷重新组合，区：点缺陷重新组合，B被被 结合到缺陷团，随温度结合到缺陷团，随温度 增加，替位增加，替位B下降，载下降，载 流子下降；流子下降；n区：产生区：产生Si自身空位，间隙自身空位，间隙 B进入空位成替位进入空位成替位B。 4.4.3 磷的退火特性磷的退火特性n虚线：损伤区是非无定形；虚线：损伤区是非无定形；n实线：损伤区是
17、无定形实线：损伤区是无定形-非晶层；非晶层；4.4.4 热退火过程的扩散效应热退火过程的扩散效应4.4 热退火热退火4.4.5 快速退火快速退火(RTA，rapid thermal annealing) n常规热退火的缺点常规热退火的缺点 激活率激活率an低；低； 二次缺陷；二次缺陷； 导致明显的杂质再分布；导致明显的杂质再分布； 硅片变形。硅片变形。nRTA机理：机理：利用高功率密度的物质作用于晶片表面，使注入利用高功率密度的物质作用于晶片表面，使注入 层在短时间内达到高温，以达到到消除损伤的目层在短时间内达到高温，以达到到消除损伤的目 的。的。4.4.5 快速退火快速退火n特点：特点： 退
18、火时间短（退火时间短（1011102秒）；秒）； 注入杂质激活率高；注入杂质激活率高； 对注入杂质分布影响小；对注入杂质分布影响小； 衬底材料的电学参数基本不受影响。衬底材料的电学参数基本不受影响。n种类种类 a.脉冲激光脉冲激光 退火机理：固液相外延模型。退火机理：固液相外延模型。 优点：功率密度高；激活率高。优点：功率密度高；激活率高。4.4.5 快速退火快速退火b.连续波激光连续波激光 退火机理：固固相外延模型。退火机理：固固相外延模型。 优点：杂质分布不受影响。优点：杂质分布不受影响。 缺点：能量转换率低（缺点：能量转换率低（1）c.电子束电子束 退火机理：固液外延模型。退火机理：固液外延模型。 优点：能量转换率高（优点：能量转换率高（50）。）。d.宽带非相干光源宽带非相干光源 光源：卤素灯，电弧灯。光源：卤素灯，电弧灯。 优点：无干涉效应；生产效率高；设备简单。优点：无干涉效应；生产效率高；设备简单。
