第16章-离子注入

第十六章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将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）以改变这种材料表层的物理或化学性质16.1离子注入（IonImplantation）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（1011-1018cm-2）和能量（1-1000keV）来达到平面上杂质掺杂分布非常均匀（1%variationacrossan8’’wafer）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会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机）有不安全因素，如高压、有毒气体

控制杂质的浓度和深度a) 低掺杂浓度(n–,p–)和浅结深(xj)掩膜掩膜硅衬底xj低能低剂量快速扫描束扫描掺杂离子离子注入机b) 高掺杂浓度(n+,p+)和深结深

(xj)束扫描高能大剂量慢速扫描掩膜掩膜硅衬底xj离子注入机16.1.1概况

离子注入工艺在离子注入机内进行。注入机包含离子源部分，它能从源材料中产生带正电荷的杂质离子。离子被吸出，然后用质量分析仪将它们分开以形成需要掺杂离子的束流。离子束在电场中加速，获得很高的速度（107cm/s数量级），使离子有足够的动能注入到硅片的晶格结构中。束流扫描整个硅片，使硅片表面均匀掺杂。注入之后的热退火过程将激活晶格结构中的杂质离子。所有注入工艺都是在高真空下进行的。

离子注入机示意图IonsourceAnalyzingmagnetAccelerationcolumnBeamlinetubeIonbeamPlasmaGraphiteProcesschamberScanningdiskMassresolvingslitHeavyionsGascabinetFilamentExtractionassemblyLighterions离子注入机IonImplanterAnalyzingMagnet离子注入机的分析磁铁

高能离子注入的线性加速器离子源原子质量分析磁铁线性加速器终端能量分析磁铁扫描盘硅片

硅片扫描盘工艺线直击——离子注入16.2.2离子注入参数一．剂量

剂量（S）是单位面积硅片表面注入的离子数，S可由下面的公式计算：

其中，S=剂量，

I=束流，

t=注入时间，

q=离子所带电荷，

A=注入面积。R：射程（range）离子在靶内的总路线长度

Rp：投影射程（projectedrange）R在入射方向上的投影射程分布：平均投影射程Rp，标准偏差

Rp，横向标准偏差

R

Rp：标准偏差（Straggling），投影射程的平均偏差

R

：横向标准偏差（Traversestraggling）,垂直于入射方向平面上的标准偏差。二.射程

注入能量对应投影射程图注入能量(keV)ProjectedRange,Rp(mm)101001,0000.010.11.0BPAsSbImplantingintoSilicon

Rp

R

高斯分布RpLog（离子浓度）离子入射z注入离子的二维分布图注入离子的浓度分布在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式200keV

注入元素原子质量Sb122As74P31B11CpCp是高斯分布曲线中的峰值浓度S：为离子注入剂量（Dose）,单位为ions/cm2，可以从测量积分束流得到由，可以得到：

离子注入过程是一个非平衡过程，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。三.能量损失机制SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-射线电子碰撞原子碰撞错位的硅原子能量化的杂质离子硅晶格注入离子如何在体内静止？LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称LSS理论。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

(1)核阻止（nuclearstopping）

(2)电子阻止（electronicstopping）总能量损失为两者的和

核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论阻止本领（stoppingpower）：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(Sn(E),Se(E))。核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。-dE/dx：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x处的能量Sn(E)：核阻止本领/截面(eVcm2)Se(E)：电子阻止本领/截面（eVcm2)N:靶原子密度～5

1022cm-3forSiLSS理论能量E的函数能量为E的入射粒子在密度为N的靶内走过x距离后损失的能量电子阻碍Se(E)：

杂质原子与靶材料的电子发生反应造成。核阻碍Sn(E)入射离子速度大的时候，核散射不强；只有当离子速度明显减慢时，才比较明显杂质原子与硅原子发生碰撞，造成硅原子的移位。当发生正面碰撞时，能量转移最大，此时入射球M1转移给M2的能量为：总阻止本领（Totalstoppingpower）核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）电子阻止本领在高能量下起主要作用核阻止和电子阻止相等的能量离子E2B17keVP150keVAs,Sb>500keV总射程为R，则：而投影射程和投影偏差分别为：RpDRpDR

RpDRpDR

RpDRpDR

【例3】假设硼以100keV，每平方厘米5×1014个离子的剂量注入200mm的硅晶片。试计算峰值浓度。如果注入在1分钟内完成，求离子束电流。

16.2.3注入离子的真实分布

真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布当轻离子硼（B）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离子堆积；重离子散射得更深。一．横向效应

横向效应是指注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。横向效应直接影响了MOS晶体管的有效沟道长度。对于掩膜边缘的杂质分布，以及离子通过一窄窗口注入，而注入深度又同窗口的宽度差不多时，横向效应的影响更为重要。横向效应不但与注入离子的种类有关，而且也与入射离子的能量有关。图10.11表示了注入离子的横向分布。

横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度35keVAs注入120keVAs注入

二．沟道效应（ChannelingEffect）

当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿着沟道运动，这些离子受到的阻止作用很小，它们的能量损失率很低，所以在沟道中会注入很深。因此很难控制注入离子的浓度分布，并使注入离子的分布产生一个很长的拖尾。浓度分布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当长的“尾巴”产生非晶化的剂量沿<100>的沟道效应110111100倾斜旋转硅片后的无序方向控制沟道效应的方法

对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离7-10o用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层（Pre-amorphization）增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）表面用SiO2层掩膜

表面非晶层对于沟道效应的作用BoronimplantintoSiO2BoronimplantintoSi

三.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xm为恰好能够完全阻挡离子的掩膜厚度Rp*为离子在掩蔽层中的平均射程，DRp*为离子在掩蔽层中的射程标准偏差解出所需的掩膜层厚度：穿过掩膜层的剂量：定义穿越深度xm的剩余注入剂量的百分比为穿透系数T：【例4】当硼离子以200keV注入时，需要多少厚度的SiO2来阻挡99.996%的入射离子？（Rp=0.53μm,σp=0.093μm）离子注入退火后的杂质分布Dt

D0t0＋Dt一个高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其标准偏差和峰值浓度发生改变。四．浅结的形成

随着集成电路集成度的提高，器件的特征尺寸越来越小。为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器件的沟道效应，要求减小CMOS的源/漏结的结深。浅结的要求是高表面掺杂浓度、低接触电阻以及小结漏电流。一般采用降低注入离子能量和预先非晶化两种方法来形成浅结。

16.2.4

退火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让杂质进入电活性（electricallyactive）位置－替位位置。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晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞，可能使靶原子发生位移，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简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。什么是注入损伤(Si)SiSiI

+SiV晶格损伤路径

轻离子注入晶格损伤路径

重离子注入非晶化（Amorphization）注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完全破坏变为无序的非晶区。与注入剂量的关系注入剂量越大，晶格损伤越严重。临界剂量：使晶格完全无序的剂量。临界剂量和注入离子的质量有关退火一定温度下，通常在Ar、N2或真空条件下退火温度取决于注入剂量及非晶层的消除。修复晶格：退火温度600oC以上，时间最长可达数小时杂质激活：退火温度650-900oC，时间10-30分钟

*方法简单*不能全部消除缺陷*对高剂量注入激活率不够高*杂质再分布。高功率激光束辐照。电子束

。高强度的光照

。其它辐射

RTP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b）快速热退火，RapidThermalProcessing（RTP）快速热处理设备16.3离子注入在工艺集成中的发展趋势由于工艺对杂质有不同的要求，因此对离子注入的要求也各不相同。先进的MOS硅片制造有以下各种离子注入：

●深埋层

●倒掺杂阱

●穿通阻挡层

●阈值电压调整

●轻掺杂漏区（LDD）

●源漏注入

●多晶硅栅

●沟槽电容器

●超浅结

●绝缘体上硅（SOI）

注入埋层N阱P阱p-

外延层p+

硅衬底p+

埋层倒掺杂阱倒掺杂阱N阱P阱p+

埋层p+

硅衬底N型杂质P型杂质p++n++防止穿通N阱P阱p+

埋层p+

衬底N型杂质P型杂质p+p++n+n++阀值电压调整的注入N阱P阱p+

埋层p+

硅衬底N型杂质P型杂质p+p++pn+n++n++++++++----------++++