硅集成电路工艺离子注入

硅集成电路工艺离子注入离子注入的优点:掺杂纯度高，污染小；掺杂的均匀性和重复性好；工作温度低，工艺灵活性大；掺杂深度和掺杂浓度可精确独立地控制；最大掺杂浓度不受固溶度限制；低温工艺避免高温引起的热缺陷；离子注入直进性，横向效应小；掩蔽膜作为保护膜，污染小；适合化合物掺杂；可发展成无掩膜的离子束技术。天津工业大学Self-alignment（自对准掺杂）天津工业大学离子注入的缺点：入射离子对衬底有损伤；很浅和很深的结难于制得；高剂量注入产率受限制；设备昂贵。天津工业大学§4.1离子注入机理

核碰撞（核阻止）和晶格原子的原子核发生碰撞发生明显的散射造成大量晶格损伤

Sn(E)=(dE/dx)n

电子碰撞（电子阻止）和晶格原子的电子发生碰撞注入离子的路径基本不发生变化能量转移很小造成的晶格损伤很小

Se(E)=(dE/dx)eLSS理论：S=Sn+Se天津工业大学天津工业大学核阻止本领和电子阻止本领曲线能量较低，质量较大的离子，主要是通过核阻止损失能量能量较高，质量较小的离子，主要是通过电子阻止损失能量天津工业大学§4.2注入离子在无定形靶中的分布射程、投影射程、平均投影射程天津工业大学常见杂质在硅中的平均射程天津工业大学沟道效应（ChannelingEffect）天津工业大学沟道效应的概念（见书）沟道效应的消除方法：使晶体的主轴方向偏离注入方向（7度左右，阴影现象）在晶体表面覆盖介质膜，散射后改变注入离子的方向表面预非晶化（注入锗）天津工业大学天津工业大学天津工业大学§4.3离子注入系统天津工业大学

离子注入系统：离子源（离子发生器，分析器）加速及聚焦系统（先分析后加速，先加速后分析，前后加速，中间分析）终端台（扫描器，偏束板，靶室）天津工业大学天津工业大学磁分析器原理带电离子在磁场中运动：洛伦兹力=向心力BF3B,B+,BF2+,F-….天津工业大学加速和聚焦系统

利用各种电极可以很方便地对离子束进行加速和聚焦：先加速，后分析：避免离子在到达硅片之前丢失电荷，但需要大磁场；先分析，后加速：分析器较小，但加速过程中电荷交换影响束流强度和纯度；前后加速，中间分析：调节方便，范围宽天津工业大学终端台1.扫描器靶静止，离子束X,Y向运动靶X向移动，离子束Y向移动离子束静止，靶X,Y向移动.天津工业大学2.偏束板离子束在运动过程中可以和热电子发生电荷交换，形成中性粒子，影响注入均匀性加入静电偏转电极，一般5度左右，中性束不能偏转而去除天津工业大学离子束中和系统天津工业大学3.靶室（工作室）样品架法拉第杯（控制注入剂量）天津工业大学§4.4注入损伤级联碰撞：不同能量的注入离子与靶原子发生碰撞的情况：E<Ed，不会产生移位原子，表现形式为宏观热能；Ed<E<2Ed，产生一个移位原子和一个空位；E>2Ed，被撞原子本身移位之后，还有足够高的能量于其他原子发生碰撞使其移位，这种不断碰撞的现象称为“级联碰撞”。天津工业大学一个离子的级联碰撞引起的晶格损伤：天津工业大学注入损伤的形式产生孤立的点缺陷或缺陷群（E=Ed)形成非晶区域（移位原子数接近原子密度，低剂量重离子）大剂量的注入区甚至会形成非晶层天津工业大学§4.5热退火ThermalAnnealing晶格损伤的危害：增加散射中心，使载流子迁移率下降增加缺陷中心，使非平衡少数载流子寿命减少，pn结漏电流增大注入离子大多处于间隙位置，起不到施主或者受主的作用，晶格损伤造成的破坏使之更难处于替位位置，非晶区的形成更使得注入的杂质根本起不到作用。天津工业大学热退火的定义和目的

定义：将注入离子的硅片在一定温度和氛围下，进行适当时间的热处理的过程。

目的：减少或消除硅片中的晶格损伤，恢复其少子寿命和迁移率；使掺入的杂质进入晶格位置，实现一定比例的电激活天津工业大学热退火过程（固相外延）天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学快速退火RapidThermalAnnea