离子注入一教材课件

第四章第四章 离子注入离子注入v4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理v4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布 v4.3 4.3 注入损伤注入损伤v4.4 4.4 退火退火v4.5 4.5 离子注入设备与工艺离子注入设备与工艺v4.6 4.6 离子注入的其他应用离子注入的其他应用1两两步步扩扩散散第一步第一步 为恒定表面浓度的扩散（为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition）（称为（称为预沉积或预扩散预沉积或预扩散）控制掺入的杂质总量控制掺入的杂质总量第二步第二步 为有限源的扩散（为有限源的扩散（Drive-in），往往同时氧化），往往同时氧化 （称为主扩散或（称为主扩散或再分布再分布）控制扩散深度和表面浓度控制扩散深度和表面浓度扩散工艺扩散工艺2定义：定义：离子被强电场加速后注入靶中，离子受靶原子离子被强电场加速后注入靶中，离子受靶原子阻止而停留其中，经退火后成为具有电活性的杂质阻止而停留其中，经退火后成为具有电活性的杂质的一个非平衡的的一个非平衡的物理物理过程。过程。离子注入的基本过程离子注入的基本过程v将某种元素的原子或携将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化带该元素的分子经离化变成带电的离子变成带电的离子v在强电场中加速，获得在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材较高的动能后，射入材料表层（靶）料表层（靶）v以改变这种材料表层的以改变这种材料表层的物理或化学性质物理或化学性质4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理什么是离子注入？什么是离子注入？u注入元素纯度高，能量单一；污染小；注入元素纯度高，能量单一；污染小；u可精确控制掺杂原子数目，平面上杂质掺杂分布非常均匀可精确控制掺杂原子数目，平面上杂质掺杂分布非常均匀（1%以内）；以内）；u衬底保持在低温，可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介衬底保持在低温，可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质，避免了高温过程引起的热缺陷；质，避免了高温过程引起的热缺陷；u可通过精确控制掺杂剂量和能量来达到各种杂质浓度分布与掺可通过精确控制掺杂剂量和能量来达到各种杂质浓度分布与掺杂深度；杂深度；u表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度或深结高浓度；表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度或深结高浓度；u离子注入直进性，横向效应小，有利于芯片尺寸缩小；离子注入直进性，横向效应小，有利于芯片尺寸缩小；u硅表面的薄膜起到保护膜作用，防止污染；硅表面的薄膜起到保护膜作用，防止污染；u适合化合物掺杂。适合化合物掺杂。4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理p离子注入的特点离子注入的特点离子注入的缺点：离子注入的缺点：n入射离子对衬底有损伤，必须退火；入射离子对衬底有损伤，必须退火；n很浅和很深的结难于制得；很浅和很深的结难于制得；n高剂量注入产率受限制；高剂量注入产率受限制；n设备昂贵；设备昂贵；n不安全因素，如高压、有毒气体不安全因素，如高压、有毒气体4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理相对于扩散，它能更相对于扩散，它能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。较低的工艺温度。在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为一种主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。流技术。离子注入已成为离子注入已成为VLSI制程上最主要的掺杂技术。制程上最主要的掺杂技术。l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l调整阈值电压用的沟道掺杂调整阈值电压用的沟道掺杂lCMOS阱的形成阱的形成l浅结的制备浅结的制备4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理离子注入过程是一个离子注入过程是一个非平衡非平衡过程，高能离子进入过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。部分不在晶格上，因而没有电活性。4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理注入离子如何在体内静止？注入离子如何在体内静止？LSS理论理论对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究p1963年，年，Lindhard,Scharff and Schiott首先确立了注首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论。理论。p该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程立的过程 (1)核阻止（核阻止（nuclear stopping）(2)电子阻止电子阻止（electronic stopping）p总能量损失为两者的和总能量损失为两者的和4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理 核阻止本领与电子阻止本领核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论理论 qq核碰撞核碰撞核碰撞核碰撞 (注入离子与注入离子与靶内原子核靶内原子核间的碰撞）间的碰撞）l 来自来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。l 质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生散射，失质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而获得能量，离开原来所去一定的能量。靶原子也因碰撞而获得能量，离开原来所在晶格位置，进入晶格间隙，留下一个空位，形成缺陷。在晶格位置，进入晶格间隙，留下一个空位，形成缺陷。Sn(E)=(dE/dx)nqq电子碰撞电子碰撞电子碰撞电子碰撞(注入离子与注入离子与靶原子周围电子云靶原子周围电子云的碰撞）的碰撞）l 来自来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。靶内自由电子和束缚电子的阻止。l 两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，散两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，散射角度也小，运动方向基本不变。电子则被激发至更高的射角度也小，运动方向基本不变。电子则被激发至更高的能级或脱离原子。能瞬时形成电子能级或脱离原子。能瞬时形成电子-空穴对。空穴对。Se(E)=(dE/dx)e4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理p阻止本领阻止本领 核阻止本领与电子阻止本领核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论理论4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理p阻止本领阻止本领-dE/dx：能量随距离损失的平均速率：能量随距离损失的平均速率E：注入离子在其运动路程上任一点：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量处的能量Sn(E)：核阻止本领：核阻止本领/截面截面(eVcm2)Se(E)：电子阻止本领：电子阻止本领/截面（截面（eVcm2)N:靶原子密度靶原子密度 5 1022 cm-3 for SiLSS理论理论能量能量E的函数的函数能量为能量为E的的入射粒子在入射粒子在密度为密度为N的的靶内走过靶内走过x距离后损失距离后损失的能量的能量4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理 核阻止本领与电子阻止本领核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论理论4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理n不同能区的能量损失形式不同能区的能量损失形式l低能区：以核碰撞为主低能区：以核碰撞为主l中能区：核碰撞、电子碰撞中能区：核碰撞、电子碰撞持平持平l高能区：以电子碰撞为主高能区：以电子碰撞为主R：射程，离子在靶内：射程，离子在靶内的总路线长度的总路线长度 Rp：投影射程，：投影射程，R在入在入射方向上的投影射方向上的投影 Rp：标准偏差（标准偏差（Straggling），），投影射程的平均偏差投影射程的平均偏差 R：横向：横向标准标准偏差（偏差（Traverse straggling）,垂直于入射方垂直于入射方向平面上的标准偏差。向平面上的标准偏差。射程分布射程分布：平均投影射：平均投影射程程Rp，标准偏差，标准偏差 Rp，横向标准偏差横向标准偏差 R 4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理p几个概念几个概念n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：4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理1735表面处晶格表面处晶格损伤较小损伤较小射程终点（射程终点（EOR）处晶格损伤大处晶格损伤大4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理投影射程投影射程Rp:Rp Rp R Rp Rp R Rp Rp R 4.1 4.1 离子注入原理离子注入原理注入离子的浓度分布注入离子的浓度分布在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶内的靶内的纵向浓度分布纵向浓度分布可近似取可近似取高斯函数高斯函数形式形式200 keV 注入注入元素元素 原子质量原子质量Sb 122As 74P 31B 11 Cp4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布u注入离子在注入离子在垂直于入射方向平面垂直于入射方向平面内的分布情况内的分布情况u横向渗透远小于热扩散横向渗透远小于热扩散横向效应影响横向效应影响MOS晶体晶体管的有效沟道长度。管的有效沟道长度。4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布p横向效应横向效应4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布p横向效应横向效应常用注入离子在不同注入能量下的特性常用注入离子在不同注入能量下的特性平均投影射程平均投影射程Rp标准偏差标准偏差 Rp4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布n随能量增加，投影射程增加随能量增加，投影射程增加n 能量一定时，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。4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布p沟道效应沟道效应p 以上讨论的是以上讨论的是无定形靶（非晶靶）无定形靶（非晶靶）的情形。的情形。u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用是各向同性各向同性的的u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。p实际的硅片实际的硅片单晶单晶u在在单晶靶单晶靶中，原子是按一定规律周期地重复排列，而中，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。且晶格具有一定的对称性。u靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而与晶与晶体取向有关体取向有关。4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布p沟道效应沟道效应p定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿行时，一些离子将沿沟道沟道运动。沟道离子唯一的运动。沟道离子唯一的能量损失机制是电子阻止，因此注入离子的能量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。损失率就很低，故注入深度较大。l离子方向离子方向=沟道方向时沟道方向时离子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l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！4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布p沟道效应沟道效应4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布p沟道效应沟道效应4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布p沟道效应沟道效应怎么解决？怎么解决？n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；n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；n表面长二氧化硅薄层；表面长二氧化硅薄层；4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布p沟道效应沟道效应浓度分布浓度分布 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离LSS理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的当长的“尾巴尾巴”产生非晶化的剂量产生非晶化的剂量沿沿的沟道效应的沟道效应4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布p沟道效应沟道效应表面非晶层对于沟道效应的作用表面非晶层对于沟道效应的作用Boron implantinto SiO2Boron implantinto Si4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布p沟道效应沟道效应注入离子的真实分布注入离子的真实分布v真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布v轻离子硼（轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有较多的的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子离子堆积；重离子(Sb)将在比峰值位置更远一侧堆积。将在比峰值位置更远一侧堆积。v实际注入还有更多影响因素，主要有衬底材料、晶向、离子实际注入还有更多影响因素，主要有衬底材料、晶向、离子束能量、注入杂质剂量以及入射离子性质等。束能量、注入杂质剂量以及入射离子性质等。4.2 4.2 注入离子在靶中的分布注入离子在靶中的分布4.3 4.3 注入损伤注入损伤n晶格损伤和无定型层晶格损伤和无定型层l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；l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。l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。n杂质未激活杂质未激活l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。注入后发生了什么注入后发生了什么4.3 4.3 注入损伤注入损伤晶格损伤：晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞碰撞，可能使靶原子发生，可能使靶原子发生位移位移，被位移原子还可能把能量，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的依次传给其它原子，结果产生一系列的空位间隙原子对空位间隙原子对及其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的及其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。什么是注入损伤？什么是注入损伤？(Si)SiSiI+SiV4.3 4.3 注入损伤注入损伤损伤的产生损伤的产生u移位原子移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。：因碰撞而离开晶格位置的原子。u移位阈能移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量的最小能量.(对于硅原子对于硅原子,Ed 15eV)EEd 无位移原子无位移原子 EdE2Ed 级联碰撞级联碰撞u注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程，注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程，称为称为能量传递过程能量传递过程4.3 4.3 注入损伤注入损伤n级联碰撞级联碰撞n简单晶格损伤简单晶格损伤l孤立的孤立的点缺陷或缺陷群点缺陷或缺陷群（注入离子每次传递给硅原子（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）l局部的局部的非晶区域非晶区域（单位体积的移位原子数目接近半导（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）n非晶层非晶层l注入离子引起损伤的积累注入离子引起损伤的积累4.3 4.3 注入损伤注入损伤轻离子注入轻离子注入4.3 4.3 注入损伤注入损伤重离子注入重离子注入4.3 4.3 注入损伤注入损伤p非晶化非晶化u 注入离子引起的晶格损伤注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完全破有可能使晶体结构完全破坏变为无序的非晶区。坏变为无序的非晶区。u 与注入剂量的关系与注入剂量的关系n注入剂量越大，晶格损注入剂量越大，晶格损伤越严重。伤越严重。n临界剂量：使晶格完全临界剂量：使晶格完全无序的剂量。无序的剂量。n临界剂量和注入离子的临界剂量和注入离子的质量有关，随离子质量质量有关，随离子质量增加而下降，随靶温增增加而下降，随靶温增加而上升。加而上升。4.3 4.3 注入损伤注入损伤第二章第二章 氧化氧化-作业作业8.8.某一某一硅片上面硅片上面已覆盖有已覆盖有0.2um厚的厚的SiO2层，现需要层，现需要在在1200下用干氧氧化法再生长下用干氧氧化法再生长0.1um厚的氧化层，问干厚的氧化层，问干氧氧化的时间是（氧氧化的时间是（）min.已知：干氧已知：干氧 A=0.04 m,B=7.510-4 m2/min,=1.62min。40nSiO2生长快慢将由氧化剂在生长快慢将由氧化剂在SiO2中的扩散速度以及与中的扩散速度以及与Si反应速度中较慢的一个因素所决定：反应速度中较慢的一个因素所决定：n 氧化时间长氧化时间长(Thick oxide)，即，即t和和t A2/4B时，则时，则SiO2的厚度和时间的关系简化为：的厚度和时间的关系简化为：抛物型规律，扩散控制抛物型规律，扩散控制扩散控制：扩散控制：DSiO2 0，Ci 0，Co C*p两种极限情况两种极限情况2.3 2.3 硅的热氧化硅的热氧化B 2DC*/N1抛物线速率常数，表示氧化剂扩散流抛物线速率常数，表示氧化剂扩散流F2的贡献的贡献气体气体C0SiO2Siks0DSiO20CxCi41n氧化时间短氧化时间短(thin oxide)，即（，即（t+）A2/4B时，则时，则SiO2的厚度和时间的关系简化为的厚度和时间的关系简化为 线性规律，反应控制线性规律，反应控制反应控制：反应控制：ks 0，Ci Co=C*/（1+ks/h）p两种极限情况两种极限情况2.3 2.3 硅的热氧化硅的热氧化B/A C*ks/N1线性速率常数，表示界面反应流线性速率常数，表示界面反应流F3的贡献的贡献气体气体C0SiO2Siks0DSiO20CxCi42