现代物理实验讲义--离子注入部分.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除# J_BEGIN现代物理实验讲义-离子注入部分（10简化版）杜树成、叶晓云改编师大低能所离子注技术和离子注入层特性分析（实验讲义）为电子版CH1离子注入的基本知识CH1.0离子注入技术简介J_CH1_0CH1.1 离子注入设备J_CH1_1CH1.2 离子注入理论简介J_CH1_2网络材料：Advanced Topics in VLSI Technology -From the wafer to the transistorhttp:/www.eng.tau.ac.il/yosish/courses/vlsi1/I-5-ion-implantation.pdfCH1.3 半导体中离子注入的损伤和退火J_CH1_3CH2离子注入专题CH2.1 离子注入层电特性测量分析实验J_CH2_1CH2.2 离子注入模拟CH2.3 离子注入在半导体器件工艺中的应用举例网络材料1：Profs. T. Paul Chow and James Lu, ECSE-6300 Fabrication Laboratory Lecture 5 Ion Implantation/dept/cieem/mcrusers/fablab/notes/02-27-2006/Fablab06-5.ppt网络材料2：Ion implantation,Campbell, Chapter 5/cgi-bin/get/msae/333/matyi/notes/12_implant3_00.ppt网络材料3：SRIM2010.exe/SRIM/SRIMLEGL.htmCH2.3 离子注入专题报告及自由选择J_CH2_3CH3 考试宝典CH3.1 (本部分) 成绩计算J_CH3_1CH3.2 (本部分) 准备考试之复习重点J_CH3_2CH3.3 (本部分) 准备考试之复习题及参考答案J_CH3_3# J_CH1_0CH1.0离子注入技术简介CH1.0.1离子注入产生的背景及作用J_CH1_0_1CH1.0.2 离子注入原理J_CH1_0_2CH1.0.3离子注入的优点和缺点J_CH1_0_3返回J_BEGIN# J_CH1_1CH1.1 离子注入设备离子注入设备通常由离子源、分析器、加速聚焦系统和靶室等组成。1离子源J_CH1_1_12加速器J_CH1_1_23分析器J_CH1_1_34偏转扫描J_CH1_1_45X,Y扫描器J_CH1_1_56靶室J_CH1_1_67真空系统附件一：离子注入设备示意图J_F_CH1_1_1附件二：离子注入设备示例J_F_CH1_1_2返回J_BEGIN# J_CH1_2CH1.2 离子注入理论简介一定能量的离子注入到材料内部，会和材料的原子核和核外电子发生一系列的碰撞。对于一个离子，发生碰撞的种类、碰撞后入射离子和靶材料原子的移动方向是随机的。其运动轨迹是一条无规则曲线。对于大量的离子求平均可以得到描述离子注入的物理量及其规律。CH1.2.0离子注入理论点滴CH能量损失过程的描述经典理论：碰撞量子理论：散射波尔判据CH描述离子注入的重要物理量1阻止本领统计平均量（1）核阻止本领：弹性处理，低能、重离子重要（2）电子阻止本领：非弹性处理，高能、轻离子重要2散射截面描述微观过程的量（1）微分散射截面（2）总散射截面3微观粒子相互作用势（1）离子-电子散射势（2）原子-原子相互作用势CH不同模型下的描述波尔公式、贝特-布洛赫公式、Linhard的介电描述等等CH若干处理技巧（非）弹性近似，高速、低速下的近似，基本项与修正CH1.2.1离子分布的描述：LSS理论离子注入在固体中分布的系统理论是由丹麦物理学家Linhard、Scharff和Schiott三人首先提出来的，简称LSS理论。CH关键物理量射程、平均投影射程和标准偏差J_CH1_2_1CH核心公式和结论1LSS积分-微分方程关于射程的：P(R,E)关于投影射程的：P(E,z,)2射程分布函数的构筑（1）分布函数与中心矩（2）高斯分布J_CH1_2_2（3）其它分布双半高斯分布、Edgeworth分布、Pearson分布参考资料：离子在固体中的阻止本领射程和沟道效应，唐家镛，张祖华，原子能出版社返回J_BEGIN # J_CH1_3CH1.3 半导体中离子注入的损伤和退火半导体基本上是晶体。离子注入晶体时，不可避免地产生大量的缺陷。同时注入离子最后停留的位置是随机的，其停留的位置往往是间隙位置。间隙位置的杂质一般认为是不参与导电的。离子注入后的样品必须进行退火处理。CH1.3.1 离子注入引起的损伤J_CH1_3_1CH1.3.2 离子注入样品的退火J_CH1_3_2返回J_BEGIN # J_CH1_0_1CH1.0.1离子注入产生的背景及作用离子注入是60年代随着宇航、自控、电子计算机和电子对抗技术的飞速发展而产生一门多学科性的边缘科学。离子注入技术有着广泛的应用。（1）离子注入是半导体工业技术基础之一。用于实现集成电路和其他半导体器件的掺杂、SOI等。例如: 大规模集成电路中，64Mbit为20次，256Mbit为30次，注入离子种类和能量、剂量范围逐渐扩宽。最低能量需1keV以下，高能端大于3MeV，注入离子的种类有：B、P、As、In、Sb、Si、Ge、N、F、O、C等，注入剂量。（2）离子注入在金属表面改性方面有广泛应用。通过离子注入，降低金属的摩擦系数，提高金属的耐磨性、抗氧化、抗腐蚀、抗疲劳能力。例如：喷嘴、模具和钻头等高精度工件的改性。（3）离子注入可以用于生物工程领域。通过注入离子和生物体的相互作用实现诱变育种、细胞加工和基因转移等。具有生理损伤小、突变谱广、突变频率高，具有一定的重复性和方向性等优点。例如：种子、菌体（4）离子注入是研究表面物理和非晶态特性的一种重要工具。（5）其它：陶瓷、玻璃、晶体、聚合物等材料的表面改性。返回J_CH1_0# J_CH1_0_2CH1.0.2 离子注入原理离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。一般的说,离子能量在15KeV的称为离子镀；0.1-50KeV称作离子溅射；一般称10几百KeV的称为离子注入。返回J_CH1_0# J_CH1_0_3CH1.0.3离子注入的优点和缺点1优点A.半导体领域(1)注入杂质不受靶材料固溶度的限制(2)杂质的面密度和掺杂深度精确可控(3)横向扩散小，适合制作浅结。(4)大面积均匀性好(5)掺杂纯度高（6）能够穿透一定的掩蔽膜（7）在化合物半导体工艺中有特殊意义B金属改性和加工（8）被加工零件不易变形，尺寸不发生变化（9）可注入元素多、能产生新相、无废液污染（10）离子镀膜可以使膜层与基体结合牢固C生物（11）可以给生物注入部分施加离子、能量、电荷等多种作用。有较高的诱变几率。2离子注入（半导体）的缺点（1）设备复杂，价格昂贵（2）不可避免地产生各种缺陷（3）制作深结有一定的困难返回J_CH1_0 # J_CH1_1_11离子源将原子或分子电离并且引出的系统称为离子源。（1）离子源的组成和种类离子源由产生高密度等离子体的腔体和引出部分（吸极）组成。目前已研制出多种类型的离子源：高频等离子源J_CH1_1_1_1、弧放电离子源J_CH1_1_1_2、PIG离子源（潘宁源）J_CH1_1_1_3、双等离子源J_CH1_1_1_4、双彭源J_CH1_1_1_5、转荷型负离子源J_CH1_1_1_6、溅射型负离子源J_CH1_1_1_7等。目前离子源技术还在不断地发展着。环形双等离子体离子源大型双彭源已可提供百安级的氢正离子流。磁控管型负离子源已得到安培级的氢负离子束。一些小型离子源则具有低能散低功耗低气耗长寿命等特色。在产生多电荷重离子束的实验装置(如电子回旋共振离子源电子束离子源)中都已得到电荷态很高的重离子。这些新型装置已逐渐被回旋加速器所采用。而能产生高温等离子体的利用惯性约束的激光离子源也产生了高电荷态离子。（2）对离子源的要求能产生多种元素离子；有适当的束流强度；结构简单、束流调节方便、稳定、寿命长；引出束分散小、离子能量分散小。返回J_CH1_1# J_CH1_1_22加速器产生强的电场，将离子源出来的离子加速到所需要的能量。返回J_CH1_1# J_CH1_1_33分析器离子分选器。离子源产生的离子束中往往有几种离子。用分析器可以从这些离子中选择出所需要的。磁分析器：在离子通道上加磁场，离子在磁场中偏转。磁场一定时离子在磁场中的运动半径由离子的荷质比和能量决定。让选中离子的偏转半径正好可以准直地进入管道。返回J_CH1_1# J_CH1_1_44偏转扫描离子注入机中应该保持高真空。实际上其中不可避免的有残留的气体分子，离子在行进过程中可能和其碰撞并且交换电荷变成中性原子。中性原子的能量、电荷属性和离子不同，注入到靶材料上会引起注入不均匀。偏转扫描是在离子束进入靶室前给其施加电场，电场使其中的离子偏转进入靶室，中性原子则不被偏转而不进入靶室。从而去掉了中性粒子。返回J_CH1_1# J_CH1_1_55X,Y扫描器离子束束斑很小，一般只有微米量级。给离子束施加磁场或电场，使其在X,Y方向扫描。在靶上均匀扫描。返回J_CH1_1# J_CH1_1_66靶室放置、取出样品。可以有给样品加温的装置。返回J_CH1_1# J_F_CH1_1_1附件一：离子注入设备示意图返回J_CH1_1# J_F_CH1_1_2附件二：离子注入设备示例返回J_CH1_1J_CH1_1 # J_CH1_2_1CH1.2.1射程、平均投影射程和标准偏差1 射程：入射离子在把材料中所经过的路程2 投影射程：入射离子在把材料中的最后位置在入射方向的投影长度。用表示。入射离子运动示意图3 平均投影射程：大量离子投影射程的平均值。用表示。4 标准偏差： . . . . . .（N为入射离子总数）返回J_CH1_2# J_CH1_2_2CH1.2.2离子注入分布离子经过一系列碰撞后停留在表面以下某一位置的几率称为离子注入的分布。1 用高斯分布来描述离子注入分布，D杂质注入剂量(杂质面密度)。、与离子和靶材料的种类以及离子能量有关，可以通过查表得到。2 结深PN结到样品表面的距离。即满足N(x)衬底掺杂浓度的x。由于N(x)随x的变化非常剧烈，可以用下式估算结深：返回J_CH1_2# J_CH1_3_1CH1.3.1 离子注入引起的损伤离子入射到靶材料中，与晶格原子发生多次猛烈碰撞，使原子从它们的晶格位置上产生位移并获得能量。离子和移位原子和其它原子继续发生碰撞。这样在离子路径上产生了高畸变区。当入射离子的面密度（入射离子剂量）达到一定值时，畸变区重叠形成非晶层。1离子注入引起的点缺陷（1）空位（2）空位和半导体原子的复合体（3）“空位氧原子”复合体（4）双空位这些缺陷都有一定的能级。其能级可以通过测量得到。3临界剂量刚刚能产生非晶层时的入射离子的剂量（面密度）称为临界剂量。临界剂量与入射粒子的种类、靶材料等因素有关。一些离子注入硅的临界剂量如下表：表1.3.1一些离子注入硅的临界剂量注入离子BAl, PGa, AsIn, SbTi, Bi临界剂量/2005210.54离子注入损伤分布某一点损伤的密度与该点入射离子淀积给靶材料的能量密度成正比的。因此可以通过计算离子在靶内的能量淀积分布函数来表征离子注入引起的损伤分布。有不同的方法计算离子注入损伤。结果表示也不尽相同。可以用高斯分布来表示能量淀积函数E(x)的分布。其中。和为损伤分布的的投影射程和标准偏差。 一般小于；与离子的质量、能量等因素有关。返回J_CH1_3# J_CH1_3_2CH1.3.2 离子注入样品的退火1退火及其作用将样品加热到一定温度，并且保持一定时间的工艺称为退火。退火工艺有着广泛的应用。在一定的高温下，离子注入样品中的稳定的缺陷群可以分解成结构比较简单的缺陷；缺陷能以比较高的速度移动，逐渐湮灭或者被晶体中的位错、杂质或表面吸收。非晶层存在时，晶体可以沿着“晶体非晶层” 界面生长。消除缺陷，恢复晶格是退火的作用之一。在退火过程中间隙杂质运动到晶格位置能够为半导体稳定提供载流子。激活杂质是退火的作用之二。2退火的方式（1）热退火给样品加热升温达到退火的目的称为热退火。特点：成本低；退火时间长；晶格恢复不太好、杂质扩散严重。（2）激光退火激光照射样品使其加温达到退火的目的称为激光退火。分为脉冲激光退火和连续激光退火。激光脉冲退火的机理是：脉冲激光照射样品，样品表层经历如下过程：短时间内温度升高熔化冷却再结晶固-液表面推进到表面。从而使晶格恢复，杂质激活。脉冲激光退火的特点：杂质的电激活率高；损伤恢复好；效率低。连续激光退火的机理：固相外延再结晶。连续激光退火的特点：退火过程中杂质分布发生变化很小，某些效果比热退火好；效率低。（3）电子束退火机理和连续激光退火一样。分为脉冲电子束和连续电子束退火。比较激光退火，电子束退火的束斑均匀性好，能量转换效率高；可能在样品中引入缺陷，使用受限制。（4）红外快速等温退火和白光快速退火在真空中将石墨块加热到12001300作为红外源，样品在红外光的照射下迅速被加热达到退火的目的。白光快速退火指用大功率白炽灯作为加热源加热样品达到退火的目的。红外快速等温退火和白光快速退火的特点：时间短，杂质扩散小；效率高；均匀性和重复性好。白光快速退火升温时间更快，设备简洁；不适合进行连续长时间加热的退火。返回J_CH1_3# J_CH1_1_1_1高频离子源利用稀薄气体中的高频放电现象使气体电离一般用来产生低电荷态正离子有时也从中引出负离子作为负离子源使用。在高频电场中自由电子与气体中的原子(或分子)碰撞并使之电离。带电粒子倍增的结果形成无极放电产生大量等离子体。高频离子源的放电管一般用派勒克斯玻璃或石英管制作。高频场可由管外螺线管线圈产生也可由套在管外的环形电极产生。前者称为电感耦合后者称为电容耦合。高频振荡器频率为1100MHz输出功率在数百瓦以上。从高频离子源中引出离子可有两种方式。一种是在放电管顶端插入一根钨丝作为正极在放电管尾端装一带孔负电极并把该孔做成管形从中引出离子流。另一种方式是把正极做成帽形装在引出电极附近而放电区则在它的另一侧。不管采用哪种引出方式金属电极都要用石英或玻璃包起来以减少离子在金属表面的复合。在高频放电区域中加有恒定磁场时由于共振现象可提高放电区域中的离子浓度。有时还在引出区域加非均匀磁场来改善引出。返回J_CH1_1_1# J_CH1_1_1_2弧放电离子源在均匀磁场中由阴极热发射电子维持气体放电的离子源。为了减少气耗放电区域往往是封闭的。阳极做成筒形轴线和磁场方向平行。磁场能很好地约束阴极所发射的电子流在阳极腔中使气体的原子(或分子)电离形成等离子体密度很高的弧柱。离子束可以垂直于轴线方向的侧向引出也可以顺着轴线方向引出。返回J_CH1_1_1# J_CH1_1_1_3PIG离子源在外磁场约束下产生反射放电的离子源是弧放电离子源的改进。在弧放电离子源中阳极另一端和阴极对称的位置上装一与阴极等电位的对阴极使阴极发射的电子流在中空的阳极内反射振荡提高了电离效率改变了放电机制。阴极一般用钨块制成由电子轰击加热称间热阴极离子源。反射放电电压较高时可在冷阴极状态下工作。这时离子源结构更加简单称为冷阴极离子源。对于功率较大的离子源阴极被放电所加热达到电子热发射温度被称为自热阴极离子源。J_CH1_1_1返回J_CH1_1_1# J_CH1_1_1_4双等离子体离子源在非均匀磁场中工作的一种弧放电离子源。它的电极系统和磁系统都经过精心安排使得放电产生的等离子体发生两次收缩(几何箍缩和磁箍缩)。由于引出的离子流强度大亮度高而主体结构又比较紧凑使用十分普遍。大功率的双等离子体离子源能产生安培级以上的正离子束是一种有效的强流离子源。正离子被中和以后就转化为中性束。从双等离子体离子源中可以直接引出负离子束也可以先引出正离子束再用间接方法得到负离子。返回J_CH1_1_1# J_CH1_1_1_5双彭源双等离子体离子源和 PIG离子源的综合。大功率的双彭源是一种单电荷态的强流离子源可以引出安培级以上的离子流。小型装置也有用来作为多电荷重离子源的。从外形结构看双彭源只是在双等离子体离子源的阳极外侧增设一个对阴极。但从放电原理看它两种离子源有很大差别。前三个电极组成类似于双等离子体离子源的系统看作是一个电子源。由于对阴极上加有和中间电极相同或更负些的电压电子就在中间电极和对阴极之间反射振荡改善了电离。返回J_CH1_1_1# J_CH1_1_1_6转荷型负离子源利用正离子束转荷产生负离子的装置。正离子束与固体物质表面相互作用或通过气体靶俘获电子就能转化成负离子束。正离子束可以由小型双等离子体离子源提供。如果采用高频离子源只要把引出电极的孔道加长就能得到负离子束。返回J_CH1_1_1# J_CH1_1_1_7溅射型负离子源用正离子束去轰击工作物质就能得到该种物质的负离子。若用铯离子束去溅射周期表第族以后电子亲合力较大的元素可以得到该元素微安级的负离子束流。若使氢或氩离子束通过一个充有气态工作物质的孔道就能得到数微安的该物质负离子束流。返回J_CH1_1_1# J_CH2_1CH2.1离子注入层导电特性测量分析实验CH2.1.0 半导体导电性的表征J_CH2_1_0CH2.1.1 实验介绍1. 热电笔法判断离子注入层导电类型J_CH_2_1_1_12. 四探针测量离子注入层的薄层电阻J_CH_2_1_1_23. 范得堡法测量离子注入层薄层电阻以及电荷面密度J_CH_2_1_1_34. 样品欧姆接触的制作J_CH_2_1_1_45. 离子注入层的退火CH2.1.2 实验现象与解释返回J_BEGIN# J_CH2_1_0半导体导电性的表征在低场强下，半导体的导电规律可以用欧姆定律来描述。一电（导）阻率欧姆定律中联系电场强度和电流密度的比例系数。二迁移率 三方块（薄层）电阻D为载流子面密度，对应杂质剂量。返回J_CH2_1# J_CH_2_1_1_11. 热电笔法判断半导体导电类型从统计物理的角度，可以将平衡状态下半导体看作一个等温、等容的系统。其中载流子和电离原子实构成了一个电中性平衡系统。近似可以将载流子看成近独立的电子气或者是近独立的空穴气。当给半导体的一部分区域加热的时候，载流子就会由高温区域向低温扩散。相当于给载流子系统施加了一个非静电力，这个非静电力推动载流子在半导体内部由高温区域向低温区域运动。由于载流子本身带电，于是就会在高温区域和低温区域之间形成电动势。如果这时在半导体高温和低温之间连接闭合回路，则回路中就出现电流。通过上面的分析我们知道，在半导体内部，温度差永远是驱动载流子从高温端向低温端流动。那么在外电路，应该是载流子从低温端流向高温端。如果载流子主要是电子，在外电路就会有由低温端到高温端的电子流，即外回路中的电流由高温端到低温端。如果载流子主要是空穴，则外回路中的电流相反。本实验原理示意如下图。冷笔和热笔跟半导体接触，在冷热笔之间会有电流通过。通过冷热笔之间的电流计显示的电流方向就可以判断半导体的导电类型。返回J_CH2_1# J_CH_2_1_1_22. 四探针测量离子注入层的薄层电阻如图：当1、2、3、4根金属探针排成直线时，并以一定的压力压在半导体材料上，在1、4两处探针间通过电流I，则2、3探针间产生电位差V。其中C为修正因子，与样品的尺寸和探针间距有关。见修正因子表J_5。所以，测量I,V可以知道样品的薄层电阻。上述方法的适用条件为：（1）探针为一条直线（2）通电电流小（3）探针与硅片的接触面半径要小于探针间距返回J_CH2_1# J_5修正因子表（s为探针间距，L, a如图所示J_6）a / sL / a=1L / a=2L / a=3L / a41.00.99880.99941.251.24671.22481.51.47881.48931.48931.751.71961.72381.72382.01.94541.94751.94752.52.35322.35412.35413.02.45752.70002.70052.70054.03.11373.22463.22483.22485.03.50983.57493.57503.57507.54.00954.03614.03624.036210.04.22094.23574.23574.235715.04.38824.39474.39474.394720.04.45164.45534.45534.455340.04.51204.51294.51294.51294.53244.53244.53244.5324返回J_CH_2_1_1_2# J_6修正因子计算示意图返回J_5# J_CH_2_1_1_4样品欧姆接触的制作欧姆接触：不同材料之间接触总是存在电阻。欧姆接触是指不产生附加阻抗、接触电阻与样品相比很小的接触。电流流过时接触上的电压降远小于样品本身的电压降。欧姆接触是一个很重要的器件工艺。硅单晶片上制作出欧姆接触。通过将熔化的金属铟附着在单晶片上形成欧姆接触。返回J_CH2_1# J_CH_2_1_1_3范得堡法测量离子注入层薄层电阻以及电荷面密度(1) 范得堡法测量离子注入层薄层电阻样品满足如下条件，则任意形状样品的方块电阻可以测量。A.接触点在样品的边界上；B.接触点足够小；C.样品厚度均匀；D.样品表面均匀连续，没有孤立的空洞。如图所示。图1 范德堡法测量接触示意图若A、B间通有电流IAB时，测得D、C两点的电电势差为VDC，则可定义以电阻量纲的量：同理可以定义：根据有关的电学知识可以得到：上式中f为修正因子，由决定。f(x)列表如下：表1 修正因子数据表x11.823468f10.990.980.90.870.810.77x101220406080100f0.70.470.440.4需要说明的是：在实际测量中，为了减小接触等各种因素带来的误差，常常将IAB改变方向得到两个，再求平均作为代入公式计算方块电阻。%(2) 范德堡法测量离子注入层载流子浓度或面密度霍尔电场和霍尔系数：1879，E.H.Hall 发现。霍尔效应示意图霍尔电场：定义：. . . . . .(1)RH称为霍尔系数。*半导体的霍尔系数远大于金属的霍尔系数。2）一种载流子的霍尔系数电流（电荷定向移动）洛仑兹力电荷堆积霍尔电场电流稳定时：运动电荷受到的洛仑兹力和霍尔电场力平衡。令运动电荷携带电量为q. 结合式（1）得：(2)p型半导体：n型半导体：由以上可以知道，测量出样品的霍尔系数就可以大致知道样品的载流子浓度。3）范德堡法测量载流子的浓度或面密度保持样品电流I一定。参照以前可以定义：施加磁场B。测量样品在加磁场前后VDB的变化VDB可以得到：其中t为样品厚度。即： 或者：其中为载流子面密度。在实际测量中，为了减小接触等各种因素带来的误差，常常将I改变方向、将B改变方向得到四个，再求平均作为代入公式计算方块电阻。返回J_CH2_1# J_CH3_1CH 3.1本部分成绩计算1专题报告占50。给分根据小组成员的专题报告给分，主要看报告书写水平，包括主题信息搜集和掌握能力、有关文献阅读和综合能力、有关知识掌握能力。原则上同一小组成员给相同的分数。2期末考试占50。期末考试包括基本理论的应用和有关主题的论述。后者强调知识掌握熟练、表述有特色。复习提纲和复习题各一份供参考。返回J_BEGIN# J_CH3_2CH3.2准备考试之复习重点CH1.2 离子注入射程分布（LSS理论）一射程、平均投影射程和标准偏差1 射程：入射离子在把材料中所经过的路程2 投影射程：入射离子在把材料中的最后位置在入射方向的投影长度。用表示。3 平均投影射程：大量离子投影射程的平均值。用表示。4 标准偏差：（N为入射离子总数）二离子注入分布1 用高斯分布来描述离子注入分布：，D杂质注入剂量。、与离子和靶材料的种类以及离子能量有关。2 结深：PN结到样