第四章-离子注入

离子注入技术是用一定能量的杂质离子束轰击要掺杂的材料（称为靶，可以是晶体，也可以是非晶体），一部分杂质离子会进入靶内，实现掺杂的目的。离子注入是集成电路制造中常用的一种掺杂工艺，尤其是浅结，主要是靠离子注入技术实现掺杂。第四章离子注入11952年，美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善半导体的特性。1954年前后，shockley提出来用离子注入技术能够制造半导体器件，并且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。1955年，英国的W.D.Cussins发现硼离子轰击锗晶片时，可在n型材料上形成p型层。1960年，对离子射程的计算和测量、辐射损伤效应以及沟道效应等方面的重要研究己基本完成，离子注入技术开始在半导体器件生产中得到广泛应用。1968年报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分布的变容二极管以及铝栅自对准MOS晶体管。1972年以后对离子注入现象有了更深入的了解，目前离子注入技术已经成为甚大规模集成电路制造中最主要的掺杂工艺。离子注入的发展历史：2离子注入技术的主要特点：(1)注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的离子纯

度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。另外，注入过程是在清洁、干燥的真空条件下进行的，

各种污染降到最低水平。(2)可以精确控制注入到硅中的掺杂原子数目，注入剂量在

1011～1017／cm2的较宽范围内，同一平面内的杂质均匀性和重复性可精确控制在±1％内。离子注入技术的这一优点在

甚大规模集成电路制造中尤其重要。(3)离子注入时，衬底一般是保持在室温或低于400℃，因此，

像二氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶等都可以用来作为选择掺

杂的掩蔽膜，给予自对准掩蔽技术更大的灵活性，这是热扩散方法根本做不到的，因为热扩散方法的掩膜必须是能耐高

温的材料。3(4)离子注入深度是随离子能量的增加而增加，因此掺杂深度可

通过控制离子束能量高低来实现。另外，在注入过程中可精

确控制电荷量，从而可精确控制掺杂浓度，因此通过控制注

入离子的能量和剂量，以及采用多次注入相同或不同杂质，可得到各种形式的杂质分布，对于突变型的杂质分布、浅结的制备，采用离子注入技术很容易实现。(5)离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底材料中的固溶度限制，原则上对各种元素均可掺杂(但掺杂剂占据基质格

点而变为激活杂质是有限的)，这就使掺杂工艺灵活多样，适应性强。根据需要可从几十种元素中挑选合适的n型或p型

杂质进行掺杂。(6)离子注入时的衬底温度较低，这样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷。4(7)由于注入的直进性，注入杂质是按掩膜的图形近于垂直入射，这样的掺杂方法，横向效应比热扩散小很多，这一特点有利于器件特征尺寸的缩小。(8)离子往往是通过Si表面上的薄膜(如SiO2)注入到硅中，因此硅表面上的薄膜起到了保护膜作用，防止了污染。(9)化合物半导体是二种或多种元素按一定组分构成的，这种材料经高温处理时，组分可能发生变化。采用离子注入技术，基本上不存在上述问题，因此容易实现对化合彻半导体的掺杂。54.1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

热退火目录64.1核碰撞和电子碰撞注入离子在靶内的分布理论（LSS理论）

1963年，林华德(Lindhard)，沙夫(Scharff)和希奥特(Schiott)首先确立：注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程：①核碰撞(核阻止)②电子碰撞(电子阻止)总能量损失为它们的和。

7核碰撞：是注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。因注入离子与靶原子的质量一般为同一数量级，每次碰撞之后，注入离子都可能发生大角度的散射，并失去一定的能量。靶原子核也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离开原来所在晶格进入间隙，并留下一个空位，形成缺陷。8由于两者的质量相差非常大(104)，每次碰撞中，注入离子的能量损失很小，而且散射角度也非常小，也就是说每次碰撞都不会改变注入离子的动量，虽然经过多次散射，注入离子运动方向基本不变。电子碰撞：是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬时地形成电子-空穴对。9一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻止本领就定义为：

电子阻止本领定义为：根据LSS理论，单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子损失能量为：

注入离子在靶内运动的总路程：核阻止本领和电子阻止本领104.1.1核阻止本领一、核阻止本领

可理解为能量为E的一个注入离子，在单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。把注入离子和靶原子看成是两个不带电的硬球，半径分别为R1和R2。碰撞前：R1，M1，Vl，E0(动能)

R2，M2碰撞后：R1，M1，Ul，E1，

1(散射角)

R2，M2，U2，E2，

2两球之间的碰撞距离用碰撞参数p(指运动球经过静止球附近而不被散射情况下，两球之间的最近距离)表示，只有在p≤(R1+R2)时才能发生碰撞和能量的转移。11二次弹性碰撞12在p=0时，两球将发生正面碰撞，此时传输的能量最大，用TM表示：

不考虑电子屏蔽作用时，注入离子与靶原子之间的势函数为库仑势：其中Z1和Z2分别为两个粒子的原子序数，r为距离。考虑电子屏蔽作用，注入离子与靶原子之间的势函数用下面形式表示：

其中f(r/a)为电子屏蔽函数，a为屏蔽参数。13如果屏蔽函数为：

此时注入离子与靶原子核碰撞的能量损失率为常数，用S0n表示。如果采用托马斯-费米屏蔽函数（可得到更精确的结果），核阻止本领与离子能量的关系Sn(E)如图所示：低能量时核阻止本领随离子能量呈线性增加，在某个能量达到最大值；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，核阻止本领变小。二、核阻止本领与离子能量的关系14能量损失率与离子能量的关系托马斯-费米屏蔽函数15As,P,B在硅中的核阻止本领和电子阻止本领与能量的关系的计算值对硅靶来说，注入离子不同，其核阻止本领达到最大的能量值是不同的。164.1.2电子阻止本领在LSS理论中，把固体中的电子看成为自由电子气，电子阻止类似于黏滞气体的阻力。在注入离子的常用能量范围内，电子阻止本领Se(E)同注入离子的速度成正比，即和注入离子能量的平方根成正比：其中V为注入离子的速度，系数ke与注入离子的原子序数、质量、靶材料的原子序数和质量有着微弱的关系。在粗略近似下，对于无定形硅靶来说，ke为一常数。174.1.3射程的粗略估计根据LSS理论，得到核阻止本领和电子阻止本领曲线，如下图所示，其中和

是无量纲的能量和射程参数。核碰撞能量损失“通用”曲线一组Se(E)直线，每一直线对应于一个ke值18据上图，注入离子的能量可分为三个区域：低能区：核阻止本领占主要地位，电子阻止可以被忽略。中能区：核阻止本领和电子阻止本领同等重要，必须同时考虑。高能区：电子阻止本领占主要地位，核阻止本领可以忽略。但这个区域的能量值，一般超出了工艺的实际应用范围。属于核物理的研究课题。19核阻止本领与电子阻止本领比较1.一级近似核阻止本领S0n和入射离子能量E无关。电子阻止本领和注入离子的速度（能量的平方根）成正比。2.临界能量如图所示，在E=Ec处核阻止与电子阻止本领相等。203.射程估算如果注入离子能量比Ec大很多，则离子在靶内主要以电子阻止形式损失能量，可按下式估算射程：如果注入离子的能量E<<Ec，离子在靶内主要以核阻止形式损失能量，则得射程R的表达式为214.2注入离子在无定形靶中的分布

注入离子在靶内分布是与注入方向有关系，一般来说，离子束的注入方向与垂直靶表面方向的夹角比较小，假设离子束的注入方向是垂直靶表面的。任何一个注入离子，在靶内所受到的碰撞是一个随机过程。即使是能量相等的同种离子，在靶内发生每次碰撞的偏转角和损失能量、相邻两次碰撞之间的行程、离子在靶内所运动的路程总长度、以及总长度在入射方向上的投影射程(注入深度)都是不相同的。如果注入的离子数量很小，它们在靶内分布是很分散的，但是，如果注入大量的离子，那么这些离子在靶内将按一定统计规律分布。224.2.1纵向分布n(x)：距离靶表面为x处的离子浓度(离子数/cm3)Nmax：峰值浓度,Rp：平均投影射程，离子注入深度的平均值ΔRp：Rp标准偏差Rp和R之间的一般关系式为：式中b是E和R的缓慢变化函数。二者的关系如下图所示。一、注入离子在无定形靶内的纵向浓度分布一级近似下，无定形靶内的纵向浓度分布可用高斯函数表示：2324二、注入离子二维分布注入离子分布在Rp的两边，具体分布情况由

Rp决定，如下图所示。

Rp与Rp的近似关系为：注入剂量：则有：则离子浓度可表示为：2526原因：高斯分布是在随机注入条件下得到的粗略结果，那些碰撞

次数小于平均值的离子，可能停止在比Rp更远处；而碰撞次数大于平均值的离子可能停在表面与Rp之间；实际注入时还有更多影响离子分布的因素需考虑：B：峰值靠近表面一侧的离子数量高于另一侧（轻，大角度散射），不服从严格的高斯分布，出现明显的不对称性，如下图所示；As：x>Rp一侧有较多的离子分布（重，散射角小），同样也偏离了理想的高斯分布。尽管如此，实践中通常仍利用理想高斯分布来快速估算注入离子在非晶靶以及单晶靶材料中的分布。三、一级近似得到的高斯分布，在峰值附近与实际分布符合较好，距峰值较远时有一定偏离2728由图可知，在能量一定的情况下，轻离子比重离子的射程要深。B，P，As在无定型硅和热氧化SiO2中的投影射程和能量的关系如右图所示。29投影射程的标准偏差ΔRp与能量关系的计算值如下图所示304.2.2横向分布横向效应：注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。离子束沿x方向入射，注入离子的空间分布函数f(x,y,z)：

其中ΔY扣ΔZ分别为在Y方向和Z方向上的标准偏差。

ΔY=ΔZ=ΔR┴，ΔR┴为横向离散。31

在掩膜边缘(即-a和+a处)的浓度是窗口中心处浓度的50％。而距离大于+a和小于-a各处的浓度按余误差下降。通过一狭窄掩膜窗口注入的离子，掩膜窗口的宽度为2a，原点选在窗口的中心，y和z方向如下图所示。32

(a)杂质B、P通过lμ宽掩膜窗口注入到硅靶中的等浓度曲线(b)杂质P以不同能量注入硅靶中的等浓度曲线横向效应与注入离子的种类和入射离子的能量有关33硼、磷和砷入射到无定形硅靶中时，ΔRp和ΔR┴与入射能量的关系。344.2.3沟道效应沟道效应：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶面平行时，将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。由于沟道效应，使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾。硅晶体的原子构型3536为了避免沟道效应，可使晶体的主轴方向偏离注入方向，使之呈现无定形状态，会发生大量碰撞。偏离的典型值为7°。硅晶体的原子构型37384.2.4浅结的形成对于轻杂质，形成浅结非常困难。降低注入离子能量：注入离子能量几个keV但是在低能情况下，沟道效应变得非常明显。增大偏离角度。在低能注入时，离子束的稳定性是一个问题，由于空间电荷效应，离子束发散。解决办法是采用宽束流，降低束流密度。预先非晶化：注B前，先以重离子高剂量注入，使Si形成非晶表面层。使沟道效应减小。完全非晶化层在退火后结晶质量好。394.3注入损伤离子注入技术的最大优点，就是可以精确地控制掺杂杂质的数量及深度。但是，在离子注入的过程中，衬底的晶体结构受到损伤是不可避免的。离子注入前后，衬底的晶体结构发生变化。40①如果传递的能量小于移位阈能Ed，被碰原子只是在平衡位置振动，将获得的能量以振动能的形式传递给近邻原子，表现为宏观热能。②如果传递的能量大于Ed而小于2Ed

，被碰原子成为移位原子，并留下一个空位。这个移位原子具有的能量小于Ed，不能使与它碰撞的原子移位。③如果靶原子获得的能量大于2Ed

，被碰原子移位之后，还具有很高的能量，在运动过程中，可以使与它碰撞的原子发生移位。这种不断碰撞的现象称为“级联碰撞”。4.3.1级联碰撞注入离子与靶内原子碰撞，将能量传递给靶的过程称为能量淀积过程。41级联碰撞的结果会使大量的靶原子移位，产生大量的空位和间隙原子，形成损伤。当级联碰撞密度不太大时，只产生孤立的、分开的点缺陷。如果级联碰撞的密度很高时，缺陷区就会互相重叠，加重损伤程度，甚至使注入区域的晶体结构完全受到破坏，变为非晶区。424.3.2简单晶格损伤如果注入的是轻离子，或者是小剂量的重离子，注入离子在靶中产生简单晶格损伤。如下图所示，对于轻离子，开始时能量损失主要由电子阻止引起，不产生移位原子。注入离子的能量随注入深度的增加而减小，当能量减小到小于交点Ec时，核阻止将起主导作用，几乎所有的晶格损伤都产生于Ec点以后的运动中。大多数情况下，每个注入离子只有一小部分能量对产生间隙-空位缺陷有贡献。对重离子来说，主要是通过核碰撞损失能量，产生的损伤较大。在基片上的一些局部区域，即使只受到小剂量重原子的轰击，也将遭受足够的损伤，甚至变为非晶态层。43核阻止本领与电子阻止本领比较损伤区的分布444.3.3

非晶的形成注入离子的能量越高，产生移位原子数目就越多，就更容易形成非晶区。离子注入时的靶温对晶格损伤情况也起着重要的影响，在其他条件相同的情况下，靶温越高，损伤情况就越轻，这是因为在离子注入同时，存在一个自退火过程。如下图所示，随着温度升高形成非晶层的临界剂量增大，这是因为温度越高，自退火效应越显著。如果单位时间通过单位面积注入的离子数(剂量率)越大，自退火效应将下降，产生非晶区的临界剂量也将减小。--影响注入损伤程度的因素注入损伤不仅与注入离子的能量、质量有关，而且与离子的注入剂量以及靶温和晶向等因素有关。45形成非晶层的临界剂量与温度的关系464.4热退火注入离子所造成的晶格损伤，对材料的电学性质将产生重要的影响。如载流子迁移率下降、少子的寿命减少等。另外，离子注入的掺杂机理与热扩散不同，在离子注入中，是把杂质离子强行射入晶体内，被射入的杂质原子大多数都存在于晶格间隙位置，起不到施主或受主的作用。所以，采用离子注入技术进行掺杂的硅片，必须消除晶格损伤，并使注入的杂质进入晶格位置以实现电激活。热退火：在一定温度下，将注有杂质离子的硅片经过适当时间的热处理，使硅片中的损伤部分或绝大部分消除，少子寿命和迁移率得到恢复，掺入的杂质被激活，这样的处理过程称为热退火。474.4.1硅材料的热退火特性退火的温度和时间，退火方式等都要根据实际情况而定。另外还要根据对电学参数恢复程度的要求选定退火条件，退火温度的选择还要考虑到欲退火硅片所允许的处理温度。低剂量所造成的损伤，一般在较低温度下退火就可以消除。当剂量增加形成非晶区时，退火温度增大。484.4.2硼的热退火特性电激活比例:自由载流子数p和注入剂量Ns的比。

对于低剂量的情况，随退火温度上升，电激活比例增大。右图显示了能量为150keV的硼离子以三个不同剂量注入硅中的等时退火特性。49对于高剂量情况，可以把退火温度分为三个区域：在区域I中，随退火温度上升，点缺陷的移动能力增强，因此间隙硼和硅原子与空位的复合几率增加，使点缺陷消失，替位硼的浓度上升，电激活比例增加，自由载流子浓度增大。当退火温度在500-600℃的范围内。点缺陷通过重新组合或结团，降低其能量。因为硼原子非常小，和缺陷团有很强的作用，很容易迁移或被结合到缺陷团中，处于非激活位置，因而出现随温度的升高而替位硼的浓度下降的现象，也就是自由载流子浓度随温度上升而下降的现象（逆退火特性）。在区域Ⅲ中，硼的替位浓度以接近于5eV的激活能随温度上升而增加，这个激活能与升温时Si自身空位的产生和移动的能量一致。产生的空位向间隙硼处运动，因而间隙硼就可以进入空位而处于替代位置，硼的电激活比例也随温度上升而增加。504.4.3磷的热退火特性图中虚线所表示的是损伤区还没有变为非晶层时的退火性质，实线则表示非晶层的退火性质。对于11015/cm2和51015/cm2时所形成的非晶层，退火温度在600℃左右，低于剂量为1014左右没有形成非晶层的退火温度，这是因为两种情况的退火机理不同。非晶层的退火效应是与固相外延再生长过程相联系的，在再生长过程中，V族原子实际上与硅原子是难以区分，被注入的V族原子磷在再结晶过程中与硅原子一样，同时被结合到晶格位置上。51524.4.4热退火过程中的扩散效应注入离子在靶内的分布近似认为是高斯型的。但是热退火过程使高斯分布有明显的展宽，偏离了注入时的分布，尤其是尾部出现了较