第四章离子注入7

1、v v扩散是一个化学过程扩散是一个化学过程,离子注入是一个物理过程离子注入是一个物理过程.v所谓所谓离子注入技术离子注入技术，就是将需要作为掺杂剂的元素，就是将需要作为掺杂剂的元素原子离化，转变为离子，并将其加速到一定能量原子离化，转变为离子，并将其加速到一定能量（50-500keV50-500keV）后，注入到晶片表面，以改变晶片）后，注入到晶片表面，以改变晶片表面的物理和化学性质。表面的物理和化学性质。 就象用枪将子弹打入墙中一样子弹从枪中获就象用枪将子弹打入墙中一样子弹从枪中获取是量的动量，射入到墙体内停下离子注入过程取是量的动量，射入到墙体内停下离子注入过程中发生相同的情形，替代子弹的

2、是离子，掺杂原子中发生相同的情形，替代子弹的是离子，掺杂原子被离化、分离、加速形成离子束流，注入衬底被离化、分离、加速形成离子束流，注入衬底Si片片中，进入表面并在表面以下停下。中，进入表面并在表面以下停下。v系统：离子注入机系统：离子注入机 源：采用源：采用气态源气态源、固态源，大部分氟化物、固态源，大部分氟化物 PF5,AsF5,BF3 过程：通过加热分解气态源，使其成为带电离子过程：通过加热分解气态源，使其成为带电离子P+，B+，As+,通过加速管，使它们在管内被电场加通过加速管，使它们在管内被电场加速到高能状态，注入到速到高能状态，注入到Si片中。片中。 高能的离子由于与衬底中电子和原

3、子的碰撞而失高能的离子由于与衬底中电子和原子的碰撞而失去能量，最后停在晶格内某一深度，同时由于离子去能量，最后停在晶格内某一深度，同时由于离子碰撞引起半导体晶格断裂或损伤，因此，在后续过碰撞引起半导体晶格断裂或损伤，因此，在后续过程中，需要采用退火工艺去除损伤。程中，需要采用退火工艺去除损伤。 离子注入机结构离子注入机结构离子注入有别于扩散工艺的特点表现在以下几离子注入有别于扩散工艺的特点表现在以下几个方面：个方面：v1 1、可以用质量分析系统、可以用质量分析系统获得单一能量的高纯获得单一能量的高纯杂质原子束，没有沾污杂质原子束，没有沾污。因此，一台注入机。因此，一台注入机可用于多种杂质。此外

4、，注入过程是在真空可用于多种杂质。此外，注入过程是在真空下即在本身是清洁的气氛中进行的。下即在本身是清洁的气氛中进行的。v2 2、注入的剂量可在很宽的范围（注入的剂量可在很宽的范围（1010111110101717离子离子/cm/cm2 2）内变化）内变化, ,且在此范围内精度可控制且在此范围内精度可控制到到1 1。与此相反与此相反, ,在扩散系统中在扩散系统中, ,高浓度时高浓度时杂质浓度的精度最多控制到杂质浓度的精度最多控制到5 51010, ,低浓度低浓度时比这更差。时比这更差。v3 3、离子注入时，、离子注入时，衬底一般是保持在室温或温衬底一般是保持在室温或温度不高（度不高（40040

5、0），），因此，可用各种掩模因此，可用各种掩模（如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶）进行选（如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶）进行选择掺杂。在制备不能采用扩散工艺的器件时，择掺杂。在制备不能采用扩散工艺的器件时，这为独特的自对准掩模技术的设计提供了很这为独特的自对准掩模技术的设计提供了很大的自由度。大的自由度。v4 4、离子束的穿透深度随离子能量的增大而增、离子束的穿透深度随离子能量的增大而增大，因此，控制同一种或不同种的杂质进行大，因此，控制同一种或不同种的杂质进行多次注入时的能量和剂量，可以在很大的范多次注入时的能量和剂量，可以在很大的范围内得到不同的掺杂剂浓度分布截面。用这围内得到不同的掺杂剂浓度

6、分布截面。用这种方法比较种方法比较容易获得超陡的和倒置的掺杂截容易获得超陡的和倒置的掺杂截面。面。v5 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶格中的活化能力的限制。故格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质加入半导体中的杂质浓度可以不受固溶度的限制浓度可以不受固溶度的限制。v6 6、离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所引起的热缺陷引起的热缺陷。v7 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩

7、模的图形垂直入射，图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器横向效应比热扩散小，有利于器件特征尺寸缩小件特征尺寸缩小。v8 8、离子注入是通过硅表面的薄膜入射到硅中，、离子注入是通过硅表面的薄膜入射到硅中，该膜起到了保护作用，该膜起到了保护作用，防止污染防止污染。v9 9、容易实现化合物半导体材料的掺杂。容易实现化合物半导体材料的掺杂。基本概念基本概念v靶：被掺杂的材料称为靶靶：被掺杂的材料称为靶v散射离子：一束离子轰击靶时，其中一部分离散射离子：一束离子轰击靶时，其中一部分离子在靶表面就被反射了，不能进入的离子称散子在靶表面就被反射了，不能进入的离子称散射离子。射离子。v注入离子：进入靶内的

8、离子称注入离子注入离子：进入靶内的离子称注入离子4.1 核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v离子注入不仅要考虑注入离子与靶内自由电离子注入不仅要考虑注入离子与靶内自由电子和束缚电子的相互作用，而且与靶内原子子和束缚电子的相互作用，而且与靶内原子核的相互作用也必须考虑。核的相互作用也必须考虑。v1963年，林华德、沙夫、希奥特，首先确立年，林华德、沙夫、希奥特，首先确立了注入离子在靶内的能量损失分为两个过程：了注入离子在靶内的能量损失分为两个过程：核碰撞和电子碰撞，总能量的损失为它们的核碰撞和电子碰撞，总能量的损失为它们的总和。总和。v核碰撞核碰撞：指注入离子与靶内原子核之间的相：指注入离子与靶内

9、原子核之间的相互碰撞。由于入射离子与靶原子的质量一般互碰撞。由于入射离子与靶原子的质量一般为同一数量级，因此每次碰撞后，注入离子为同一数量级，因此每次碰撞后，注入离子发生大角度的散射，并失去一定的能量，如发生大角度的散射，并失去一定的能量，如果靶原子获得的能量大于束缚能，就会离开果靶原子获得的能量大于束缚能，就会离开晶格位置，进入晶格间隙，留下空位，形成晶格位置，进入晶格间隙，留下空位，形成缺陷缺陷.v核阻止：注入离子与靶内原子核碰撞能量的损失核阻止：注入离子与靶内原子核碰撞能量的损失v 图图(4.2)v低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加，而在某低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加，

10、而在某个中等能量达到最大值，在高能量时，因快速运动的离个中等能量达到最大值，在高能量时，因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换，所以子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换，所以核阻止变小。核阻止变小。v电子碰撞电子碰撞：指注入离子与靶内自由电子以及：指注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬间形成束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬间形成电子空穴对。由于两者的质量相差很大，每电子空穴对。由于两者的质量相差很大，每次碰撞注入离子能量损失小，散射角度小，次碰撞注入离子能量损失小，散射角度小，运动方向基本不变。运动方向基本不变。4.2 注入离子的浓度分布注入离子的

11、浓度分布v纵向浓度分布：可用高斯函数表示：纵向浓度分布：可用高斯函数表示：v （4.15）v在电场作用下，杂质在电场作用下，杂质离子获得能量，但杂离子获得能量，但杂质离子的能量是按几质离子的能量是按几率分布的，各个杂质率分布的，各个杂质离子的动能并不完全离子的动能并不完全相同，大部分是能量相同，大部分是能量居中的，还有一少部居中的，还有一少部分能量大和能量小的分能量大和能量小的离子。离子。v横向效应：是注入离子在垂直入射方向的平横向效应：是注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。面内的分布情况。图图4-12 沟道效应沟道效应v入射离子的阻挡作用与晶体取向有关入射离子的阻挡作用与晶体取向有关,

12、v沟道效应沟道效应：离子注入的方向与靶晶体的某个：离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，就会出现沟道效应。晶向平行时，就会出现沟道效应。v离子进入沟道时，沟道中的电子密度低，沿离子进入沟道时，沟道中的电子密度低，沿沟道前进阻力小，射程要大得多。控制注入沟道前进阻力小，射程要大得多。控制注入离子的浓度分布较困难。离子的浓度分布较困难。4.3 注入损伤与热退火注入损伤与热退火v高能离子注入半导体靶时，发生核碰撞，如高能离子注入半导体靶时，发生核碰撞，如果靶原子获得的能量大于束缚能，就会离开果靶原子获得的能量大于束缚能，就会离开晶格位置，进入晶格间隙，形成空位与间隙晶格位置，进入晶格间隙，形成空位

13、与间隙原子。原子。v这些缺陷的存在使半导体中的载流子的迁移这些缺陷的存在使半导体中的载流子的迁移率下降，少子寿命缩短，从而影响器件的相率下降，少子寿命缩短，从而影响器件的相能。能。v注入离子的很大部分并不正好处于晶格格点注入离子的很大部分并不正好处于晶格格点上，它们没有电活性，为了消除缺陷并激活上，它们没有电活性，为了消除缺陷并激活注入的离子，注入后，必须进行退火。注入的离子，注入后，必须进行退火。热退火热退火v如果将注入有离子的硅片在一定温度下，经如果将注入有离子的硅片在一定温度下，经过适当时间的热处理，则硅片的损伤就可能过适当时间的热处理，则硅片的损伤就可能部分或绝大部分得到消除，少数载流

14、子的寿部分或绝大部分得到消除，少数载流子的寿命以及迁移率也会得到恢复，掺入的杂质也命以及迁移率也会得到恢复，掺入的杂质也将得到一定比例的电激活，这样的处理过程将得到一定比例的电激活，这样的处理过程称称热退火热退火。v由于损伤情况不同，各种器件对电学参数恢由于损伤情况不同，各种器件对电学参数恢复程度的要求又不相同，所以退火的条件和复程度的要求又不相同，所以退火的条件和退火的方式也不同。退火的方式也不同。v为什么通过热退火可以使晶格损伤得到恢复？为什么通过热退火可以使晶格损伤得到恢复？v以硅为例，把欲退火的硅片，在真空或在氮、以硅为例，把欲退火的硅片，在真空或在氮、氩等高纯气体的保护下，加热到某一

15、温度进行氩等高纯气体的保护下，加热到某一温度进行热处理。热处理。v由于硅片处于较高的温度，原子振动能增大，由于硅片处于较高的温度，原子振动能增大，因而移动能力加强，可使复杂的损伤分解为点因而移动能力加强，可使复杂的损伤分解为点缺陷或者其他形式的简单缺陷（空位、间隙原缺陷或者其他形式的简单缺陷（空位、间隙原子）。这些结构简单的缺陷，在热处理温度下子）。这些结构简单的缺陷，在热处理温度下能以较高的迁移率移动，当它们能以较高的迁移率移动，当它们 互相靠近时，互相靠近时，就可能复合使缺陷消失。就可能复合使缺陷消失。快速热退火快速热退火v常规的热退火，在一定温度下并不能完全消除缺陷。常规的热退火，在一定温度下并不能完全消除缺陷。要想消除需要想消除需1000以上，增加了表面污染，经长时以上，增加了表面污染，经长时间高温导致杂质的再分布，破坏注入技术的优点，间高温导致杂质的再分布，破坏注入技术的优点，也可能造成硅片的翘曲变形。也可能造成硅片的翘曲变形。v快速热退火目的快速热退火目的：就是通过降低退火温度或缩短退：就是通过降低退火温度或缩短退货时间完成退火。货时间完成退火。v主要有：脉冲激光退火、脉冲电子束于离子束退火、主要有：脉冲激光退火、脉冲电子束于离子束退火、扫描电子束退火、连续波激光退火、非相干款