第五章-离子注入课件

第五章第五章离子注入离子注入有关扩散方面的主要内容有关扩散方面的主要内容费克第二定律的运用和特殊解费克第二定律的运用和特殊解特征扩散长度的物理含义特征扩散长度的物理含义非本征扩散非本征扩散常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用常用扩散掺杂方法常用扩散掺杂方法常用扩散掺杂层的质量测量常用扩散掺杂层的质量测量DistributionaccordingtoerrorfunctionDistributionaccordingtoGaussianfunction第五章第五章离子注入离子注入实实际际工工艺艺中中二二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）（称为预沉积或预扩散）（称为预沉积或预扩散）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（称为主扩散或再分布）（称为主扩散或再分布）控制扩散深度和表面浓度控制扩散深度和表面浓度第五章第五章离子注入离子注入当当时，最后的杂质浓度分布可近似为时，最后的杂质浓度分布可近似为二步扩散的两种极端情况二步扩散的两种极端情况GaussiandistributionGaussianornormaldistribution第五章第五章离子注入离子注入什么是离子注入什么是离子注入离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质离子注入的基本过程离子注入的基本过程vv将某种元素的原子或携将某种元素的原子或携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变成带电的离子变成带电的离子vv在强电场中加速，获得在强电场中加速，获得在强电场中加速，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）料表层（靶）料表层（靶）vv以改变这种材料表层的以改变这种材料表层的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物理或化学性质物理或化学性质第五章第五章离子注入离子注入离子注入特点各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量（各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量（各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量（各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量（10101111-10-101818 cmcm-2-2）和能量（）和能量（）和能量（）和能量（1-4001-400keVkeV）来达到）来达到）来达到）来达到平面上杂质掺杂分布非常均匀（平面上杂质掺杂分布非常均匀（平面上杂质掺杂分布非常均匀（平面上杂质掺杂分布非常均匀（1%variationacrossan8wafer1%variationacrossan8wafer）表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度或深结高浓度或深结高浓度或深结高浓度注入元素可以非常纯，杂质单一性注入元素可以非常纯，杂质单一性注入元素可以非常纯，杂质单一性注入元素可以非常纯，杂质单一性可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由度大度大度大度大低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的热扩散热扩散热扩散热扩散横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小n n会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进n n设备相对复杂、相对昂贵（设备相对复杂、相对昂贵（设备相对复杂、相对昂贵（设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机尤其是超低能量离子注入机尤其是超低能量离子注入机尤其是超低能量离子注入机）n n有不安全因素，如高压、有毒气体有不安全因素，如高压、有毒气体有不安全因素，如高压、有毒气体有不安全因素，如高压、有毒气体第五章第五章离子注入离子注入磁分析器磁分析器离离子子源源加速管加速管聚焦聚焦扫描系统扫描系统靶靶rBF3：B+，B+，BF2+，F+,BF+，BF+B10B11第五章第五章离子注入离子注入a)a)源（源（源（源（SourceSource）：）：）：）：在半导体应用中，为了操作方便，在半导体应用中，为了操作方便，在半导体应用中，为了操作方便，在半导体应用中，为了操作方便，一般采用一般采用一般采用一般采用气体源气体源气体源气体源，如，如，如，如 BFBF3 3，BClBCl3 3，PHPH3 3，A AS SHH3 3等。等。等。等。如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它们的蒸汽，再导入放电区。们的蒸汽，再导入放电区。们的蒸汽，再导入放电区。们的蒸汽，再导入放电区。b)b)离子源（离子源（离子源（离子源（IonSourceIonSource）：）：）：）：灯丝（灯丝（灯丝（灯丝（filamentfilament）发出的自）发出的自）发出的自）发出的自由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器气体源气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，.离子源：离子源：As，Ga，Ge，Sb，P，.第五章第五章离子注入离子注入离子注入过程是一个离子注入过程是一个离子注入过程是一个离子注入过程是一个非平衡非平衡非平衡非平衡过程，高能离子进入过程，高能离子进入过程，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。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。第五章第五章离子注入离子注入注入离子如何在体内静止？LSSLSS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n n19631963年，年，年，年，LindhardLindhard,ScharffScharffandandSchiottSchiott首先确立了注入离首先确立了注入离首先确立了注入离首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称子在靶内分布理论，简称子在靶内分布理论，简称子在靶内分布理论，简称 LSSLSS理论。理论。理论。理论。n n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立的过程立的过程(1)(1)核阻止（核阻止（核阻止（核阻止（nuclearstoppingnuclearstopping）(2)(2)电子阻止电子阻止电子阻止电子阻止（electronicstoppingelectronicstopping）n n总能量损失为两者的和总能量损失为两者的和总能量损失为两者的和总能量损失为两者的和第五章第五章离子注入离子注入 核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论阻止本领（阻止本领（阻止本领（阻止本领（stoppingpowerstoppingpower）：材料中注入离子的能量损失大小：材料中注入离子的能量损失大小：材料中注入离子的能量损失大小：材料中注入离子的能量损失大小单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量(S Sn n(E(E),),S Se e(E(E)。qq核阻止本领核阻止本领核阻止本领核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。qq电子阻止本领电子阻止本领电子阻止本领电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。第五章第五章离子注入离子注入-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处处的能量的能量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:靶靶原子密度原子密度5 1022cm-3forSiLSS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第五章第五章离子注入离子注入核阻止本领注入离子与靶内原子核之间两体碰撞注入离子与靶内原子核之间两体碰撞注入离子与靶内原子核之间两体碰撞注入离子与靶内原子核之间两体碰撞两粒子之间的相互作用力是电荷作用两粒子之间的相互作用力是电荷作用两粒子之间的相互作用力是电荷作用两粒子之间的相互作用力是电荷作用摘自摘自J.F.Gibbons,Proc.IEEE,Vol.56(3),March,1968,p.295核阻止能力的一阶近似为：核阻止能力的一阶近似为：例如：磷离子例如：磷离子Z1=15,m1=31注入硅注入硅Z2=14,m2=28,计算可得：计算可得：Sn550keV-m mm2m质量，质量，Z原子序数原子序数下标下标1离子，下标离子，下标2靶靶对心碰撞，最大能量转移：对心碰撞，最大能量转移：第五章第五章离子注入离子注入第五章第五章离子注入离子注入电子阻止本领把把固体中的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气固体中的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正比。方根成正比。非非局局部部电电子子阻阻止止局局部部电电子子阻阻止止不改变入射离子运动方向不改变入射离子运动方向电荷电荷/动量交换导致入射离子运动量交换导致入射离子运动方向的改变（动方向的改变（500keVnnne第五章第五章离子注入离子注入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第五章第五章离子注入离子注入R：射程（：射程（range）离子离子在靶内的总路线长度在靶内的总路线长度Rp：投影射程投影射程（projectedrange）R在入射方向上的投影在入射方向上的投影 Rp：标准标准偏差（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（Traversestraggling）,垂直于入射方向垂直于入射方向平面上的标准偏差。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 非晶靶中注入离子的浓度分布非晶靶中注入离子的浓度分布第五章第五章离子注入离子注入 Rp R 高斯分布高斯分布RpLog（离子浓度）（离子浓度）离子入射离子入射z注入离子的二维分布图注入离子的二维分布图第五章第五章离子注入离子注入投影射程投影射程Rp:Rp Rp R Rp Rp R Rp Rp R 第五章第五章离子注入离子注入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，注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式200keV注入注入元素元素原子质量原子质量Sb122As74P31B11Cp第五章第五章离子注入离子注入Q：为离子注入剂量（为离子注入剂量（Dose）,单位为单位为ions/cm2，可以，可以从测量积分束流得到从测量积分束流得到由由，可以得到：可以得到：第五章第五章离子注入离子注入Q可以精确控制可以精确控制A为注入面积，为注入面积，I为硅片背面搜集到的束为硅片背面搜集到的束流（流（FaradyCup），），t为积分时间，为积分时间，q为为离子所带的电荷。离子所带的电荷。例如：当例如：当A2020cm2，I0.1m mA时，时，而对于一般而对于一般NMOS的的VT调节的剂量为：调节的剂量为：B1-51012cm-2注注入时间为入时间为30分钟分钟对比一下：如果采用预淀积扩散（对比一下：如果采用预淀积扩散（1000 C），表面浓度），表面浓度为固溶度为固溶度1020cm-3时，时，D10-14cm2/s每秒剂量达每秒剂量达1013/cm2I0.01m mAmA第五章第五章离子注入离子注入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 Rp第五章第五章离子注入离子注入已知注入离子的能量和剂量，已知注入离子的能量和剂量，估算注入离子在靶中的估算注入离子在靶中的浓度和结深浓度和结深问题：问题：140keV的的B+离子注入到直径为离子注入到直径为150mm的硅靶中。的硅靶中。注入注入剂量剂量Q=51014/cm2（衬底浓度（衬底浓度21016/cm3）1)试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、峰峰值浓度、结深值浓度、结深2)如注入时间为如注入时间为1分钟，估算所需束流。分钟，估算所需束流。第五章第五章离子注入离子注入【解解】1)从查图或查表从查图或查表得得Rp=4289=0.43m mm Rp=855=855=0.086 m=0.086 mm峰值浓度峰值浓度Cp=0.4Q/R Rp p=0.451014/(0.08610-4)=2.341019cm-3衬底浓度衬底浓度CB21016cm-3xj=0.734m mm2)注入的总离子数注入的总离子数Q掺杂剂量掺杂剂量硅片面积硅片面积51014(15/2)2=8.81016离子数离子数IqQ/t(1.61019C)(8.81016)/60sec=0.23mA第五章第五章离子注入离子注入注入离子的真实分布vv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vv当轻离子硼（当轻离子硼（当轻离子硼（当轻离子硼（B B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大）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角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。较多的离子堆积；重离子散射得更深。较多的离子堆积；重离子散射得更深。较多的离子堆积；重离子散射得更深。第五章第五章离子注入离子注入横向效应横向效应横向效应指的是注入横向效应指的是注入离子在离子在垂直于入射方垂直于入射方向平面向平面内的分布情况内的分布情况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。R（m）第五章第五章离子注入离子注入35keVAs注入注入120keVAs注入注入第五章第五章离子注入离子注入注入掩蔽层掩蔽层应该多厚？如果要求掩膜层能完全阻挡离子如果要求掩膜层能完全阻挡离子xm为恰好能够完全阻挡离子的为恰好能够完全阻挡离子的掩膜厚度掩膜厚度Rp*为离子在掩蔽层中的平均为离子在掩蔽层中的平均射程，射程，Rp*为离子在掩蔽层中为离子在掩蔽层中的射程标准偏差的射程标准偏差第五章第五章离子注入离子注入解出所需的解出所需的掩膜层厚度：掩膜层厚度：穿过穿过掩膜层的剂量：掩膜层的剂量：余误差函数余误差函数第五章第五章离子注入离子注入离子注入退火后的杂质分布离子注入退火后的杂质分布DtD0t0Dt一个高斯分布在退火后一个高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其标仍然是高斯分布，其标准偏差和峰值浓度发生准偏差和峰值浓度发生改变。改变。第五章第五章离子注入离子注入离子注入的沟道效应沟道效应（沟道效应（Channelingeffect）当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远。变，可以走得很远。变，可以走得很远。变，可以走得很远。第五章第五章离子注入离子注入110111100倾斜旋转硅片后的无序方向倾斜旋转硅片后的无序方向第五章第五章离子注入离子注入浓度分布浓度分布浓度分布浓度分布 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LSSLSS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当长的当长的“尾巴尾巴尾巴尾巴”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第五章第五章离子注入离子注入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 Si第五章第五章离子注入离子注入减少沟道效应的措施vv 对大的离子，沿沟道轴向对大的离子，沿沟道轴向对大的离子，沿沟道轴向对大的离子，沿沟道轴向(110)(110)偏离偏离偏离偏离7 71010o ovv用用用用SiSi，GeGe，F F，ArAr等离子注入使表面预非晶化，等离子注入使表面预非晶化，等离子注入使表面预非晶化，等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层形成非晶层形成非晶层形成非晶层（Pre-Pre-amorphizationamorphization）vv增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）沟道离子减少）沟道离子减少）沟道离子减少）vv表面用表面用表面用表面用SiOSiO2 2层掩膜层掩膜层掩膜层掩膜第五章第五章离子注入离子注入典型离子注入参数离子：离子：P，As，Sb，B，In，O剂量：剂量：10111018cm-2能量：能量：1400keV可重复性和均匀性可重复性和均匀性:1%温度：室温温度：室温流量：流量：1012-1014cm-2s-1第五章第五章离子注入离子注入晶格损伤：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碰撞撞，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依，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。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+SiV第五章第五章离子注入离子注入EORdamageCourtesyAnn-ChatrinLindberg(March2002).第五章第五章离子注入离子注入损伤的产生损伤的产生n n移位原子移位原子移位原子移位原子：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。：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。n n移位阈能移位阈能移位阈能移位阈能E Ed d：使一个处于平衡位置的原子发生使一个处于平衡位置的原子发生使一个处于平衡位置的原子发生使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量移位，所需的最小能量移位，所需的最小能量移位，所需的最小能量.(.(对于硅原子对于硅原子对于硅原子对于硅原子,E Ed d 15eV15eV)n n注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程，称为子的过程，称为子的过程，称为子的过程，称为能量传递过程能量传递过程能量传递过程能量传递过程第五章第五章离子注入离子注入移位原子的估算移位原子的估算vv入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量 E Ed dE E222E Ed d时，才能增加移位原子的数目。时，才能增加移位原子的数目。时，才能增加移位原子的数目。时，才能增加移位原子的数目。vv估算一个以起始能量估算一个以起始能量估算一个以起始能量估算一个以起始能量E E0 0入射的离子，在碰撞过入射的离子，在碰撞过入射的离子，在碰撞过入射的离子，在碰撞过程中可以使靶内原子移位的数目程中可以使靶内原子移位的数目程中可以使靶内原子移位的数目程中可以使靶内原子移位的数目N N(E E)为为为为第五章第五章离子注入离子注入损伤区的分布损伤区的分布重离子每次碰撞传输给靶的能量较重离子每次碰撞传输给靶的能量较重离子每次碰撞传输给靶的能量较重离子每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，获得大能量的位移大，散射角小，获得大能量的位移大，散射角小，获得大能量的位移大，散射角小，获得大能量的位移原子还可使许多原子移位。注入离原子还可使许多原子移位。注入离原子还可使许多原子移位。注入离原子还可使许多原子移位。注入离子的能量损失以核碰撞为主。同时，子的能量损失以核碰撞为主。同时，子的能量损失以核碰撞为主。同时，子的能量损失以核碰撞为主。同时，射程较短，在小体积内有较大损伤。射程较短，在小体积内有较大损伤。射程较短，在小体积内有较大损伤。射程较短，在小体积内有较大损伤。重离子注入所造成的损伤区域小，重离子注入所造成的损伤区域小，重离子注入所造成的损伤区域小，重离子注入所造成的损伤区域小，损伤密度大。损伤密度大。损伤密度大。损伤密度大。质量较靶原子轻的离子传给靶原子质量较靶原子轻的离子传给靶原子能量较小，被散射角度较大，只能能量较小，被散射角度较大，只能产生数量较少的位移靶原子，因此，产生数量较少的位移靶原子，因此，注入离子运动方向的变化大，产生注入离子运动方向的变化大，产生的损伤密度小，不重叠，但区域较的损伤密度小，不重叠，但区域较大。呈锯齿状。大。呈锯齿状。第五章第五章离子注入离子注入非晶化（Amorphization）qq注入离子引起的晶格损伤注入离子引起的晶格损伤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。坏变为无序的非晶区。坏变为无序的非晶区。qq与注入剂量的关系与注入剂量的关系与注入剂量的关系与注入剂量的关系n n注入剂量越大，晶格损注入剂量越大，晶格损注入剂量越大，晶格损注入剂量越大，晶格损伤越严重。伤越严重。伤越严重。伤越严重。n n临界剂量：使晶格完全临界剂量：使晶格完全临界剂量：使晶格完全临界剂量：使晶格完全无序的剂量。无序的剂量。无序的剂量。无序的剂量。n n临界剂量和注入离子的临界剂量和注入离子的临界剂量和注入离子的临界剂量和注入离子的质量有关质量有关质量有关质量有关第五章第五章离子注入离子注入损伤退火（Damage Annealing）qq被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。qq注入后的半导体材料：注入后的半导体材料：注入后的半导体材料：注入后的半导体材料：杂质处于间隙杂质处于间隙杂质处于间隙杂质处于间隙 n nN ND D；p pN NA A晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降热退火后：热退火后：热退火后：热退火后：n n n n=N ND D(p p=N NA A)bulkbulk 0 0第五章第五章离子注入离子注入损伤退火的目的qq去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构qq让杂质进入电活性（让杂质进入电活性（让杂质进入电活性（让杂质进入电活性（electricallyactiveelectricallyactive）位置位置位置位置替位位置替位位置替位位置替位位置。qq恢复电子和空穴迁移率恢复电子和空穴迁移率恢复电子和空穴迁移率恢复电子和空穴迁移率注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布第五章第五章离子注入离子注入损伤恢复机制（Damage Recovery Mechanism）Annihilation:recombinationSiI+SiV(Si)SiMonteCarlo模拟的模拟的I-V复合结复合结果：短时间内（果：短时间内（10-2秒）秒）800 C下，体内的下，体内的V在表面复合迅速在表面复合迅速完成，产生剩余的完成，产生剩余的I，其表面，其表面复合相对较缓慢。在复合相对较缓慢。在400 C以以上，这些上，这些I可接合入可接合入311面形面形成棒成棒/带状缺陷，并可以稳定较带状缺陷，并可以稳定较长时间。长时间。FrenkelI-Vpairs第五章第五章离子注入离子注入该该311缺陷带在较高温度下（缺陷带在较高温度下（8001000 C）即可退）即可退火修复，但是释放出大量填隙原子火修复，但是释放出大量填隙原子I。损伤小于临界值，这些损伤小于临界值，这些311缺陷可以完全分解，回复缺陷可以完全分解，回复完美晶体。完美晶体。损伤高于临界值，则损伤高于临界值，则311缺陷可能变成稳定的位错环，缺陷可能变成稳定的位错环，该位错环位于该位错环位于EOR，并难以去除。，并难以去除。TED漏电流大漏电流大第五章第五章离子注入离子注入a)退火退火b)一定温度下，通常在一定温度下，通常在Ar、N2或真空条件下或真空条件下c)退火温度取决于注入剂量及非晶层的消除。退火温度取决于注入剂量及非晶层的消除。d)修复晶格：退火温度修复晶格：退火温度600oC以上，时间最长可达数小时以上，时间最长可达数小时e)杂质激活：退火温度杂质激活：退火温度650900oC，时间，时间1030分钟分钟*方法简单方法简单*不能全部消除缺陷不能全部消除缺陷*对高剂量注入激活率不够高对高剂量注入激活率不够高*杂质再分布杂质再分布第五章第五章离子注入离子注入。高功率激光束辐照。高功率激光束辐照。电子束。电子束。高强度的光照。高强度的光照。其它辐射。其它辐射RTP主要优点是掺杂的再分布大大降低，主要优点是掺杂的再分布大大降低，对制备浅结器件特别有利对制备浅结器件特别有利b）快速热退火，）快速热退火，RapidThermalProcessing（RTP）第五章第五章离子注入离子注入第五章第五章离子注入离子注入离子注入在集成电路中的应用离子注入在集成电路中的应用一、一、CMOS制造制造9-10differentI/Iidentified!第五章第五章离子注入离子注入二、双极型制造（二、双极型制造（Bipolarfabrication）。高能注入形成埋层。高能注入形成埋层。LOCOS下方的下方的p-n结隔离结隔离。形成基区注入。形成基区注入。砷注入多晶硅发射区。砷注入多晶硅发射区。多晶电阻。多晶电阻第五章第五章离子注入离子注入三、其它应用三、其它应用硅衬底背面损伤形成吸杂区硅衬底背面损伤形成吸杂区BacksideDamageLayerFormationforGettering形成形成SOI结构结构Silicon-On-InsulatorUsingOxygenorHydrogenImplantation第五章第五章离子注入离子注入第五章第五章离子注入离子注入第五章第五章离子注入离子注入本节课主要内容本节课主要内容LSS理论？阻止能力的含义？理论？阻止能力的含义？离子注入的杂质分布？退火后？离子注入的杂质分布？退火后？离子注入的主要特点？离子注入的主要特点？掩蔽膜的厚度？掩蔽膜的厚度？精确控制掺杂，浅结、浅掺杂，精确控制掺杂，浅结、浅掺杂，纯度高，低温，多种掩模，纯度高，低温，多种掩模，非晶靶。能量损失为两个彼非晶靶。能量损失为两个彼此独立的过程此独立的过程(1)核阻止与核阻止与(2)电子阻止之和。电子阻止之和。能量为能量为E的入射粒子在密度为的入射粒子在密度为N的靶内的靶内走过走过x距离后损失的能量。距离后损失的能量。掩膜层能完全阻挡离子的条件：掩膜层能完全阻挡离子的条件：第五章第五章离子注入离子注入本节课主要内容本节课主要内容什么是离子注入损伤？什么是离子注入损伤？退火的目的是什么？什退火的目的是什么？什么是么是RTP？产生大量空位间隙对，直至产生大量空位间隙对，直至非晶化。恢复晶格，激活杂质，非晶化。恢复晶格，激活杂质，恢复载流子迁移率和少子寿命。恢复载流子迁移率和少子寿命。快速热退火，热扩散小，制作快速热退火，热扩散小，制作浅结。浅结。第五章第五章离子注入离子注入离子注入小结：离子注入小结：(1)注入离子在靶内的纵向浓度分布注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式可近似取高斯函数形式(2)在平均投影射程在平均投影射程x=Rp 处有一最处有一最高浓度，最大浓度与注入剂量关系高浓度，最大浓度与注入剂量关系(3)平均投影射程两边，注入离子浓平均投影射程两边，注入离子浓度对称地下降。离平均投影射程越度对称地下降。离平均投影射程越远，浓度越低。远，浓度越低。第五章第五章离子注入离子注入作业作业n n1 1 离子注入的工艺特点是什么？离子注入的工艺特点是什么？浅结形成，低温工艺，化合物半导体，多种杂质掺杂。浅结形成，低温工艺，化合物半导体，多种杂质掺杂。n n2 2 离子注入的工艺原理离子注入的工艺原理注入能量，注入剂量，电子阻制本领与核阻止本领的概念注入能量，注入剂量，电子阻制本领与核阻止本领的概念离子与晶格原子的相互作用。离子与晶格原子的相互作用。n n3 3 离子注入的射程分布离子注入的射程分布离子注入的杂质分布特点，投影射程和峰值浓度的概念，离子注入的杂质分布特点，投影射程和峰值浓度的概念，沟道效应产生的原因和避免方法。沟道效应产生的原因和避免方法。注入损伤、及损伤与注入能量、注入离子大小的关系。注入损伤、及损伤与注入能量、注入离子大小的关系。n n4 4 热退火的定义、作用及方法热退火的定义、作用及方法硅中硼、磷的退火特性硅中硼、磷的退火特性