第4章-离子注入(掺杂工艺)精简

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第4章离子注入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。离子注入特点掺杂纯度高，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，掺杂工艺灵活多样，适应性强；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，有利于器件特征尺寸的缩小；掩蔽膜作为保护膜，污染小；适合化合物掺杂；入射离子对衬底有损伤；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）Self-alignment（自对准掺杂）内容4.1核碰撞和电子碰撞4.2注入离子在无定形靶中的分布4.3注入损伤4.4热退火4.5*

离子注入设备与工艺4.6*

离子注入和热扩散的比较LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究1963年，Lindhard(林华德）,Scharff

（沙夫）andSchiott（希奥特）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）————核碰撞

(2)电子阻止（electronicstopping）——电子碰撞总能量损失为两者的和4.1核碰撞和电子碰撞（LSS理论）

核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论阻止本领：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，分别记为：

Sn(E)——核阻止本领。能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量

Se(E)——电子阻止本领核碰撞（核阻止）和晶格原子的原子核发生碰撞，离子能量转移到靶原子核发生明显的散射造成大量晶格损伤

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

-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Se(E)：电子阻止本领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4.1.1核阻止本领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：例如：磷离子Z1=15,M1=31注入硅Z2=14,M2=28,计算可得：Sn~550keV-mm2M—质量，Z—原子序数，下标1—离子，下标2—靶4.1.2电子阻止本领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。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EcR：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非晶靶中注入离子的浓度分布4.2注入离子在无定形靶中的分布注入离子散射过程M1>M2;b=1/3入射离子质量靶原子质量p96不同靶和不同注入离子，其Ec值不同。硅靶注入轻离子硼，

Ec约为15keV，重离子磷，Ec大约为150keV。

注入离子的初使能量比Ec大很多，在靶内主要电子阻止损失能量，核阻止可忽略：R≈k1E01/2E<<Ec

，电子阻止可忽略，入射离子主要以核阻止形式损失能量：R≈k2E0核阻止本领和电子阻止本领的比较常见杂质在硅中的平均射程(1)注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式(2)在平均投影射程x=Rp

处有一最高浓度，最大浓度与注入剂量关系(3)平均投影射程两边，注入离子浓度对称地下降。离平均投影射程越远，浓度越低。纵向分布横向分布横向效应指的是注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况横向效应直接影响MOS管的有效沟道长度掩膜窗口宽度为2a掩膜边缘（-a和+a处）的浓度是窗口中心浓度的1/2距离大于+a和小于-a处浓度按余误差下降离子注入的沟道效应沟道效应（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。沟道效应的消除方法：对大的离子，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用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化典型离子注入参数离子：P，As，Sb，B，In，O剂量：1011~1018cm-2能量：1–400keV

可重复性和均匀性:±1%温度：室温流量：1012-1014cm-2s-1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。4.3注入损伤注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程，称能量淀积过程。高能离子在靶内与晶格多次碰撞，导致靶的晶格损伤。碰撞有弹性碰撞和非弹性碰撞。损伤的产生移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量.(对于硅原子,Ed

15eV)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”。一个离子的级联碰撞引起的晶格损伤：注入损伤的形式产生孤立的点缺陷或缺陷群（简单损伤）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域大剂量的注入区甚至会形成非晶层损伤主要与注入离子质量、能量、剂量有关；与靶温有关。损伤造成半导体电学特性衰退：载流子迁移率下降；少子寿命变短；pn结反向漏电。§4.4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。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在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩散进入替位，有电活性；并使晶体损伤区域“外延生长”为晶体，恢复或部分恢复硅的迁移率，少子寿命退火条件、方法退火条件：依据损伤情况定，目的是激活杂质，恢复电学特性注入杂质的质量，剂量、能量等靶温退火方法高温退火快速退火：激光、宽带非相关光、电子束退火热退火过程（固相外延）快速退火RapidThermalAnnealing(RTA)普通热退火（高温退火）需要经过长时间的高温过程，会导致明显的杂质再分布，还可能造成硅片翘曲变形快速退火的目的：降低退火温度或缩短退火时间快速退火手段：脉冲激光；脉冲电子束；扫描电子束等快速退火处理（Rapidthermalprocessing,RTP）是将晶片快速加热到设定温度，进行短时间快速热处理的方法，热处理时间10-3-102s。

过去几年间，RTP已逐渐成为微电子产品生产中必不可少的一项工艺，用于氧化（RTO）、离子注入后的退火、金属硅化物的形成和快速热化学薄膜淀积。

RTP特点RTP系统采用辐射热源对单片加热，温度测控由高温计完成；RTP工艺使用范围很广，控温在200~1300℃之间，升、降温速度为20~250℃/秒，还可以控制工艺气体，可完成复杂的多阶段热处理工艺。用RTP取代常规热处理工艺避免了Si中杂质再分布，还缩短工艺周期。RTP系统利用多排卤化钨灯对Si片进行加热，Si片旋转；自动载片控制和精确的温度控制；工艺的全程控制，实时图形曲线显示，实时工艺参数采集、显示和分析。AG41004.5离子注入设备与工艺离子注入系统：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）离子注入完整定义：离子注入是将含所需杂质的化合物分子（如BCl3、BF3）电离为杂质离子后，聚集成束用强电场(5-500KeV)加速，使其成为高能离子束，直接轰击半导体材料（靶），当离子进入靶时，受靶原子阻挡，而停留在其中，经退火后杂质进入替位、电离成为具有电活性的杂质。磁分析器离子源加速管聚焦扫描系统靶rBF3：B++，B+，BF2+，F+,BF+，BF++B10B11洛伦兹力=向心力源（Source）：在半导体应用中，为了操作方便，一般采用气体源，如BF3，BCl3，PH3，ASH3等。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。b)离子源（IonSource）：灯丝（filament）发出的自由电子在电磁场作用下，获得足够能量后撞击源分子或原子，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，射向磁分析器气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，...离子源：As，Ga，Ge，Sb，P，...一、离子源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-….二、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，范围宽三、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.

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

3.靶室（工作室）样品架法拉第杯（控制注入剂量）磁分析器离子源加速管聚焦扫描系统靶r离子注入设备举例中科院沈阳科仪真空室尺寸：Φ1000×1200漏率：<3.75×10-7Pa·L/S真空室极限真空度：3.75×10-5Pa

4.6离子注入用途，和扩散的比较

对比内

容热扩散离子注入动力高温、杂质的浓度梯度平衡过程动能，5-500KeV非平衡过程杂质浓度受表面固溶度限制掺杂浓度过高、过低都无法实现浓度不受限结深结深控制不精确适合深结掺杂结深控制精确适合浅结掺杂横向扩散严重。横向是纵向扩散线度的0.70-0.85倍，扩散线宽3μm以上较小。特别在低温退火时，线宽可小于1μm