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1、Microelectronic Fabrication&MEMS Technology1第第 5 5 章章 离子注入离子注入 离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。将杂离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中（称为高的动能后，注入到硅中（称为“靶靶靶靶”）而实现掺杂。）而实现掺杂。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology2 离子束的性质离子束的性质离子束的性质离子束的性质 离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或离子

2、束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能。磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能。离子束的用途离子束的用途离子束的用途离子束的用途 掺杂掺杂掺杂掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的离子能量割等。不同的用途需要不同的离子能量 E，E 50 KeV，注入掺杂注入掺杂 Microelectronic Fabrication&MEMS Technology3 离子束加工方式离子束加工方式离子束加工方式离子束加工方式 1、掩模方式（投影方式）、掩模方式（投影方式）2、聚

3、焦方式（扫描方式，或聚焦离子束、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束(FIB)方式）方式）掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的掩蔽膜只能是艺的掩蔽膜只能是 SiO2 膜膜，而离子注入的掩蔽膜可以是，而离子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜膜，也可以是光刻胶等其他薄膜。，也可以是光刻胶等其他薄膜。掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是生产效率高，设备掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是生产效率高，设备相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成

4、熟。缺相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是点是 需要制作掩蔽膜。需要制作掩蔽膜。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology4a)低掺杂浓度与浅结低掺杂浓度与浅结 MaskMaskSilicon substratexjLow energyLow doseFast scan speedBeam scanDopant ionsIon implanterb)高掺杂浓度与深结高掺杂浓度与深结Beam scanHigh energyHigh doseSlow scan speedMaskMaskSilicon substratexjIon i

5、mplanter离子注入离子注入离子注入离子注入Microelectronic Fabrication&MEMS Technology5 聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。缺点是聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。缺点是 生产生产效率低，设备复杂，控制复杂。聚焦方式的关键技术是效率低，设备复杂，控制复杂。聚焦方式的关键技术是 1、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源；、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源；2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。离子光学系统。Microelectronic Fabricati

6、on&MEMS Technology65.1 离子注入系统离子注入系统 离子源：离子源：离子源：离子源：用于离化杂质的容器用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有常用的杂质源气体有 BF3、AsH3 和和 PH3 等。等。质量分析器质量分析器质量分析器质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质质量分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。离子，且离子束很纯。加速器：加速器：加速器：加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能

7、量是决定离子注入深度的一个重要参量。是决定离子注入深度的一个重要参量。中性束偏移器：中性束偏移器：中性束偏移器：中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。聚焦系统：聚焦系统：聚焦系统：聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。将离子聚集成直径为数毫米的离子束。偏转扫描系统：偏转扫描系统：偏转扫描系统：偏转扫描系统：使离子束沿使离子束沿 x、y 方向扫描。方向扫描。工作室（靶室）：工作室（靶室）：工作室（靶室）：工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。放置样品的地方，其位置可调。Microelectronic Fabrication&MEMS T

8、echnology7Ion sourceAnalyzing magnetAcceleration columnIon beamPlasmaProcess chamberExtraction assemblyScanning diskMicroelectronic Fabrication&MEMS Technology8Microelectronic Fabrication&MEMS Technology9 一、离子源一、离子源一、离子源一、离子源 作用：作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。分类：分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（等离子体型

9、离子源、液态金属离子源（LMIS）。）。掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为型离子源，其典型的有效源尺寸为 100 m ，亮度为亮度为 10 100 A/cm2.sr。聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS）出现后才得以顺利发展。出现后才得以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为的典型有效源尺寸为 5 500 nm，亮度为亮度为 106 107 A/cm2.sr。Microelectronic Fabrication&MEMS T

10、echnology10 1 1、等离子体型源、等离子体型源、等离子体型源、等离子体型源 这里的这里的 等离子体等离子体等离子体等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。产生等离子体的方法

11、有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology11Microelectronic Fabrication&MEMS Technology12Microelectronic Fabrication&MEMS Technology13离子源Gas放电腔磁铁吸极灯丝Microelectronic Fabrication&MEMS Techn

12、ology14 2 2、液态金属离子源（、液态金属离子源（、液态金属离子源（、液态金属离子源（LMISLMIS）LMIS 是近几年发展起来的一种是近几年发展起来的一种 高亮度小束斑高亮度小束斑高亮度小束斑高亮度小束斑 的离子源，的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 纳米量级纳米量级纳米量级纳米量级 的小束斑离的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、离子束刻蚀等。子注入、离子束曝光、离子束刻蚀等。LMISLMIS 的类型、结构和发射机理的类型、结构和发射

13、机理的类型、结构和发射机理的类型、结构和发射机理针形针形V 形形螺旋形螺旋形同轴形同轴形毛细管形毛细管形液态金属液态金属钨针钨针类类型型Microelectronic Fabrication&MEMS Technology15 对液态金属的要求对液态金属的要求对液态金属的要求对液态金属的要求 (1)与容器及钨针不发生任何反应；与容器及钨针不发生任何反应；(2)能与钨针充分均匀地浸润；能与钨针充分均匀地浸润；(3)具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发。下既保持液态又不蒸发。能满足以上条件的金属只有能满足以上条件的金属只有

14、 Ga、In、Au、Sn 等少数几种，等少数几种，其中其中 GaGa 是最常用的一种。是最常用的一种。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology16 E1 是主高压，即离子束的是主高压，即离子束的加速电压；加速电压；E2 是针尖与引出极是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离面上液态金属的形状，并将离子引出；子引出；E3 是加热器电源。是加热器电源。E1E2E3 针尖的曲率半径为针尖的曲率半径为 ro=1 5 m，改变，改变 E2 可以调节针尖与可以调节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成

15、一个圆锥，此圆引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径锥顶的曲率半径 仅有仅有 10 nm 的数量级，这就是的数量级，这就是 LMIS 能产生小能产生小束斑离子束的关键。束斑离子束的关键。引引出出极极Microelectronic Fabrication&MEMS Technology17 当当 E2 增大到使电场超过液态增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（金属的场蒸发值（Ga 的场蒸发值的场蒸发值为为 15.2V/nm）时，液态金属在圆时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。其中电子被引出金属离子与电子。其中电子

16、被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。出，形成离子束。若改变若改变 E2 的极性的极性，则可排斥，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。电子束源。E1E2E3引引出出极极Microelectronic Fabrication&MEMS Technology18 共晶合金共晶合金共晶合金共晶合金 LMISLMIS 通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体高或蒸汽压高而无法制成单体 LMIS。根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的

17、合金，其熔点根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。合金中金属处于液态时的蒸汽压。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology19 例如，金和硅的熔点分别为例如，金和硅的熔点分别为 1063 oC 和和 1404 oC，它们在此，它们在此温度时的蒸汽压分别为温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和和 10-1 Torr。当以适当组分组。当以适当组分组成合金时，其熔点降为成合金时，其熔点降为 370 oC

18、在此温度下，金和硅的蒸汽压，在此温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为分别仅为 10-19 Torr 和和 10-22 Torr。这就满足了。这就满足了 LMIS 的要求。的要求。对所引出的离子再进行对所引出的离子再进行 质量分析质量分析质量分析质量分析，就可获得所需的离子。，就可获得所需的离子。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology20 LMISLMIS 的主要技术参数的主要技术参数的主要技术参数的主要技术参数 (1)亮度亮度 亮度的物理意义为亮度的物理意义为 单位源面积发射的进入单位立体角内的单位源面积发射的进入单位立体角内的单位源面积发射的进入单

19、位立体角内的单位源面积发射的进入单位立体角内的离子束电流离子束电流离子束电流离子束电流 。LMIS 的主要优点之一就是亮度高的主要优点之一就是亮度高，其典型值为，其典型值为 =106 107 A/cm2.sr。(2)能散度能散度 能散度是能散度是 离子束能量分布的半高宽度离子束能量分布的半高宽度离子束能量分布的半高宽度离子束能量分布的半高宽度 。LMIS 的主要缺点的主要缺点是能散度大，这将引起离子光学系统的色散，使分辨率下降。是能散度大，这将引起离子光学系统的色散，使分辨率下降。(3)离子束斑尺寸离子束斑尺寸 通常为通常为 5 500 nm。Microelectronic Fabricati

20、on&MEMS Technology21 二、质量分析系统二、质量分析系统二、质量分析系统二、质量分析系统 1 1、质量分析器质量分析器质量分析器质量分析器 由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E 与与 B 的方向的方向相互垂直。相互垂直。O光阑光阑Microelectronic Fabrication&MEMS Technology22O光阑光阑Microelectronic Fabrication&MEMS Technology23离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的 荷质比荷质比荷质比荷质比 q qo o 为为

21、 对于荷质比为对于荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或或偏转磁场偏转磁场 B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。光阑。通常是调节通常是调节 Vf 而不是调节而不是调节 B。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology24 下面计算当荷质比为下面计算当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为的离子不被偏转时，具有荷质比为qs =q/ms 的其它离子被偏转的程度。该种离子在的其它离子被偏转的程度。该种离子在 y 方向受到的方向受到的加速度为加速

22、度为 该种离子在受力区域（该种离子在受力区域（0 Lf）内的运动方程为）内的运动方程为从上式消去时间从上式消去时间 t，并将，并将 ay 代入，得代入，得Microelectronic Fabrication&MEMS Technology25由此可得偏转量由此可得偏转量 Db 为为O光阑光阑Microelectronic Fabrication&MEMS Technology26 将前面的将前面的 B 的表达式的表达式代入代入 Db，得，得Microelectronic Fabrication&MEMS Technology27 讨论讨论讨论讨论 (1)为屏蔽荷质比为为屏蔽荷质比为 qs 的

23、离子，光阑半径的离子，光阑半径 D 必须满足必须满足 (2)若若 D 固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽，固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽，而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，以上各式可用于评价以上各式可用于评价 质量分析器的分辨本领。质量分析器的分辨本领。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology28 2 2、磁质量分析器、磁质量分析器、磁质量分析器、磁质量分析器光阑光阑1光阑光阑2为向心力，使离子作圆周运动，其为向心力，使离子作圆周运动，其半径为半径为Microelectronic Fabrication

24、MEMS Technology29 从上式可知，满足荷质比从上式可知，满足荷质比 的离子可通过光阑的离子可通过光阑 2。或者对于给定的具有荷质比为或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场的离子，可通过调节磁场 B 使使之满足下式，从而使该种离子通过光阑之满足下式，从而使该种离子通过光阑 2，另外，若固定另外，若固定 r 和和 Va，通过连续改变，通过连续改变 B，可使具有不同，可使具有不同荷质比的离子依次通过光阑荷质比的离子依次通过光阑 2，测量这些不同荷质比的离子束，测量这些不同荷质比的离子束流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。其余的

25、离子则不能通过光阑其余的离子则不能通过光阑 2，由此达到分选离子的目的。，由此达到分选离子的目的。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology30 两种质量分析器的比较两种质量分析器的比较两种质量分析器的比较两种质量分析器的比较 在在 质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器则相反，所需离的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器则相反，所需离子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。Microelectronic Fabri

26、cation&MEMS Technology31三、加速器三、加速器三、加速器三、加速器产生高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定产生高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。离子注入深度的一个重要参量。100 MW100 MW100 MW100 MW100 MW0 kV+100 kV+80 kV+20 kV+40 kV+60 kV+100 kVIon beamIon beamTo process chamberElectrodeFrom analyzing magnetMicroelectronic Fabrication&MEMS Technolog

27、y32四、聚焦系统四、聚焦系统四、聚焦系统四、聚焦系统 和和和和 中性束偏移器中性束偏移器中性束偏移器中性束偏移器用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束，并利用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束，并利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。用偏移电极和偏移角度分离中性原子。SourceAnalyzing MagnetAcceleratorNeutral beam trapFocussing anodeY-axisdeflectionX-axisdeflectionNeutral beam pathWaferIon beamGrounded collector plateMicroele

28、ctronic Fabrication&MEMS Technology33五、偏转扫描系统五、偏转扫描系统五、偏转扫描系统五、偏转扫描系统用来使离子束沿用来使离子束沿 x、y 方向在一定面积内进行扫描。方向在一定面积内进行扫描。+Ion beamY-axisdeflectionX-axisdeflectionWaferTwistTiltHigh frequency X-axis deflectionLow frequency Y-axis deflectionMicroelectronic Fabrication&MEMS Technology34扫描系统Microelectronic Fab

29、rication&MEMS Technology35全电扫描和混合扫描系统示意全电扫描和混合扫描系统示意全电全电扫描扫描混合混合扫描扫描Microelectronic Fabrication&MEMS Technology36六、工作室（靶室）六、工作室（靶室）六、工作室（靶室）六、工作室（靶室）放置样品的地方，其位置可调。放置样品的地方，其位置可调。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology37七、离子束电流的测量七、离子束电流的测量七、离子束电流的测量七、离子束电流的测量Scanning disk with wafersScanning dire

30、ctionFaraday cupSuppressor apertureCurrent integratorSampling slit in diskIon beamMicroelectronic Fabrication&MEMS Technology38离子注入机的种类离子注入机的种类离子注入机的种类离子注入机的种类Microelectronic Fabrication&MEMS Technology39 离子注入过程：入射离子与半导体（称为靶）的原子核和离子注入过程：入射离子与半导体（称为靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减

31、少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在靶中的某处。径的运动后，因动能耗尽而停止在靶中的某处。5.2 平均投影射程平均投影射程Microelectronic Fabrication&MEMS Technology40 射程：射程：射程：射程：离子从入射点到静止点所通过的总路程离子从入射点到静止点所通过的总路程 平均射程：平均射程：平均射程：平均射程：射程的平均值，记为射程的平均值，记为 R 投影射程：投影射程：投影射程：投影射程：射程在入射方向上的投影长度，记为射程在入射方向上的投影长度，记为 xp 平均投影射程：平均投影射程：平均投影射程：平均投影射程：投影射程的平均值，记为投影射程

32、的平均值，记为 RP 投影射程的标准偏差：投影射程的标准偏差：投影射程的标准偏差：投影射程的标准偏差：Microelectronic Fabrication&MEMS Technology41 平均投影射程与初始能量的关系平均投影射程与初始能量的关系平均投影射程与初始能量的关系平均投影射程与初始能量的关系 由此可得平均投影射程为由此可得平均投影射程为 入射离子能量损失的原因是受到入射离子能量损失的原因是受到 核阻挡核阻挡 与与 电子阻挡电子阻挡。核阻挡本领核阻挡本领 电子阻挡本领电子阻挡本领 一个入射离子在一个入射离子在 dx 射程内，由于与核及电子碰撞而失去的射程内，由于与核及电子碰撞而失去

33、的总能量为总能量为Microelectronic Fabrication&MEMS Technology42 Se 的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。Sn 的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。下图的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。下图是数值计算得到的曲线形式的结果是数值计算得到的曲线形式的结果。在在 E=E2 处，处，Sn=Se。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology43 (2)当当 E0 大于大于 E2 所对应的能量值时，所对应的能量值时，Sn Se，以核阻挡为主，

34、此时散射角较大，离子运动方向发生以核阻挡为主，此时散射角较大，离子运动方向发生较大偏折，射程分布较为分散。较大偏折，射程分布较为分散。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology44 R Rp p 与与与与 R RP P 的关系的关系的关系的关系式中，式中，M1、M2 分别是入射离子和靶原子的质量。分别是入射离子和靶原子的质量。在实际工作中，平均投影射程在实际工作中，平均投影射程 RP 及标准偏差及标准偏差 RP 与注入能与注入能量量 E 的关系可从图的关系可从图 5.9 或下表查到。或下表查到。Microelectronic Fabrication&

35、MEMS Technology45Microelectronic Fabrication&MEMS Technology46硅中离子注入能量硅中离子注入能量硅中离子注入能量硅中离子注入能量(KeVKeV)与平均投影射程与平均投影射程与平均投影射程与平均投影射程()的对应关系的对应关系的对应关系的对应关系 入射能量入射能量注入硅中的注入硅中的离子离子20406080100120140160180BRP71414132074269532753802428447455177 RP P276443562653726713855910959PRP25548872997612281483174019962

36、256 RP P90161226293350405459509557AsRP151263368471574677781855991 RP P345981102122143161180198Microelectronic Fabrication&MEMS Technology47 一、非晶靶中注入离子的浓度分布一、非晶靶中注入离子的浓度分布一、非晶靶中注入离子的浓度分布一、非晶靶中注入离子的浓度分布 非晶靶中注入离子的浓度分布为高斯分布，非晶靶中注入离子的浓度分布为高斯分布，5.3 注入离子的浓度分布注入离子的浓度分布式中，式中，Q 为注入离子的为注入离子的 剂量剂量剂量剂量，Microelec

37、tronic Fabrication&MEMS Technology48Microelectronic Fabrication&MEMS Technology49 注入离子浓度分布的主要特点注入离子浓度分布的主要特点注入离子浓度分布的主要特点注入离子浓度分布的主要特点 1、最大浓度位置在样品内的平均投影射程处而不是表面，、最大浓度位置在样品内的平均投影射程处而不是表面，注注入入离离子子的的剂剂量量 Q 越越大大，浓浓度度峰峰值值 Nmax 就就越越高高；注注入入离离子子的能量的能量 E 越大，越大，RP、RP 就越大，就越大，Nmax 就越低。就越低。2、在、在 x=RP 的两侧，注入离子的浓

38、度对称地下降，且下降的两侧，注入离子的浓度对称地下降，且下降速度越来越快，速度越来越快，Microelectronic Fabrication&MEMS Technology50 3、结深、结深得得 4、注入杂质的表面浓度、注入杂质的表面浓度令令Microelectronic Fabrication&MEMS Technology51 5、杂质的横向扩展比扩散工艺要小得多、杂质的横向扩展比扩散工艺要小得多 注入离子浓度在空间的三维分布为注入离子浓度在空间的三维分布为 在表面在表面 x=0 处，处，在平均投影射程在平均投影射程 x=Rp 处，处，Microelectronic Fabricati

39、on&MEMS Technology52 注入离子沿注入离子沿注入离子沿注入离子沿 y y 方向的横向结深的计算。方向的横向结深的计算。方向的横向结深的计算。方向的横向结深的计算。在表面处，令在表面处，令 得表面处的横向结深为得表面处的横向结深为 横向结深在横向结深在 x=Rp 处达到最大。在处达到最大。在 x=Rp 处，令处，令 得得 x=Rp 处的横向结深为处的横向结深为Microelectronic Fabrication&MEMS Technology53与与 纵向结深纵向结深纵向结深纵向结深 相比，相比，可知可知 横向结深明显小于纵向结深横向结深明显小于纵向结深横向结深明显小于纵向结

40、深横向结深明显小于纵向结深 。将将 x=Rp 处的处的最大最大 横向结深横向结深横向结深横向结深Microelectronic Fabrication&MEMS Technology54 二、双层靶中注入离子的浓度分布二、双层靶中注入离子的浓度分布二、双层靶中注入离子的浓度分布二、双层靶中注入离子的浓度分布 目的目的 1、在实际工艺中，常常让离子穿过表面的薄膜注入到下面、在实际工艺中，常常让离子穿过表面的薄膜注入到下面的衬底中；的衬底中；2、确定能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的厚度。、确定能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的厚度。以以“SiO2-Si”双层靶为例。设注入的总剂量为双层靶为例。设注入的总剂量为

41、Qt，进入进入SiO2 中和进入中和进入 Si 中的剂量分别为中的剂量分别为 QO 和和 QS，SiO2 的厚度为的厚度为 dO，杂质在杂质在 SiO2 和和 Si 中的平均投影射程和标准偏差分别为中的平均投影射程和标准偏差分别为Microelectronic Fabrication&MEMS Technology55 则则 SiO2 中的注入离子的浓度分布为中的注入离子的浓度分布为 进入进入 SiO2 中的注入离子的剂量为中的注入离子的剂量为 利用利用 Si 中的中的 等效平均投影射程等效平均投影射程等效平均投影射程等效平均投影射程 的概念的概念Microelectronic Fabrica

42、tion&MEMS Technology56 可得到可得到 Si 中的注入离子浓度分布和进入中的注入离子浓度分布和进入 Si 中的注入离子的中的注入离子的剂量分别为剂量分别为 若设若设 ，则可算出，当，则可算出，当 m 分别为分别为 2、3、4 时，时，QS 分别比分别比 Qt 小约小约 2 个数量级、个数量级、3 个数量级和个数量级和 5 个数量级。个数量级。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology57 三、注入离子浓度分布理论的应用三、注入离子浓度分布理论的应用三、注入离子浓度分布理论的应用三、注入离子浓度分布理论的应用 1、在已知注入离子的能

43、量、剂量和衬底杂质浓度时，可以、在已知注入离子的能量、剂量和衬底杂质浓度时，可以计算出表面浓度和结深。计算出表面浓度和结深。2、当注入杂质的最大浓度超过其在靶中的固溶度时，可以、当注入杂质的最大浓度超过其在靶中的固溶度时，可以计算出杂质浓度超过固溶度的区域的范围。计算出杂质浓度超过固溶度的区域的范围。3、可以计算出当以不同的能量和剂量分几次进行离子注、可以计算出当以不同的能量和剂量分几次进行离子注入时，所得到的合成杂质浓度分布。入时，所得到的合成杂质浓度分布。4、可以计算出能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的最小厚度。、可以计算出能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的最小厚度。Microelectronic Fab

44、rication&MEMS Technology58 5.4 沟道效应沟道效应 晶体靶对入射离子的阻挡作用是各向异性的，与靶的晶体晶体靶对入射离子的阻挡作用是各向异性的，与靶的晶体取向有关。当沿着晶体的某些低指数晶向观察时，可以看到一取向有关。当沿着晶体的某些低指数晶向观察时，可以看到一些由原子列包围成的直通道，好象管道一样，称为些由原子列包围成的直通道，好象管道一样，称为 沟道沟道沟道沟道。当离。当离子沿着沟道方向入射时，其射程会比在非晶靶中大得多，从而子沿着沟道方向入射时，其射程会比在非晶靶中大得多，从而偏离高斯函数分布，使注入分布产生一个较长的拖尾。偏离高斯函数分布，使注入分布产生一个较

45、长的拖尾。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology59 避免沟道效应的措施避免沟道效应的措施避免沟道效应的措施避免沟道效应的措施 1、使离子的入射方向偏离沟道方向、使离子的入射方向偏离沟道方向 7 10 度度；2、在掺杂注入前先用高剂量的、在掺杂注入前先用高剂量的 Si、Ge、F 或或 Ar 离子注入离子注入来使硅表面预非晶化，或在硅表面生长一层薄来使硅表面预非晶化，或在硅表面生长一层薄 SiO2 层；层；3、对靶加一定的温度。、对靶加一定的温度。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology60 5.5 注

46、入损伤注入损伤 一、注入损伤一、注入损伤一、注入损伤一、注入损伤 由由离离子子注注入入引引起起的的大大量量空空位位和和间间隙隙原原子子等等点点缺缺陷陷，以以及及空空位位与与其其他他杂杂质质结结合合而而形形成成的的复复合合缺缺陷陷等等，称称为为 注注入入损损伤伤。注注入入损伤与注入离子的剂量、能量、质量、靶材料和靶温等有关。损伤与注入离子的剂量、能量、质量、靶材料和靶温等有关。注入损伤会使载流子迁移率下降，少子寿命降低，注入损伤会使载流子迁移率下降，少子寿命降低，PN 结的结的反向漏电流增大。反向漏电流增大。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology6

47、1 当许多损伤区连在一起时就会形成连续的非晶层。开始形当许多损伤区连在一起时就会形成连续的非晶层。开始形成连续非晶层的注入剂量称为成连续非晶层的注入剂量称为 临界剂量临界剂量临界剂量临界剂量。当注入剂量小于临界。当注入剂量小于临界剂量时，损伤量随注入剂量的增大而增加，当注入剂量超过临剂量时，损伤量随注入剂量的增大而增加，当注入剂量超过临界剂量时，损伤量不再增加而趋于饱和。界剂量时，损伤量不再增加而趋于饱和。影响临界剂量的因素影响临界剂量的因素影响临界剂量的因素影响临界剂量的因素 1、注入离子的质量越大，则临界剂量越小；、注入离子的质量越大，则临界剂量越小；2、注入离子的能量越大，则临界剂量越小

48、注入离子的能量越大，则临界剂量越小；3、注入温度越低，则临界剂量越小；、注入温度越低，则临界剂量越小；4、注入速度（通常用注入离子的电流密度来衡、注入速度（通常用注入离子的电流密度来衡量）越大，则临界剂量越小。量）越大，则临界剂量越小。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology62 损伤区的分布与注入离子的能量、质量的关系损伤区的分布与注入离子的能量、质量的关系损伤区的分布与注入离子的能量、质量的关系损伤区的分布与注入离子的能量、质量的关系 当入射离子的初始能量较小时，以核阻挡为主，损伤较多当入射离子的初始能量较小时，以核阻挡为主，损伤较多,但损

49、伤区的分布较浅；但损伤区的分布较浅；当入射离子的初始能量较大时，先以电子阻挡为主，损伤当入射离子的初始能量较大时，先以电子阻挡为主，损伤较少。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，损伤较少。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，损伤变得严重，这时损伤区的分布较深。变得严重，这时损伤区的分布较深。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology63 当入射离子的质量相对于靶原子较轻时，入射离子将受到当入射离子的质量相对于靶原子较轻时，入射离子将受到大角度的散射，其运动轨迹呈大角度的散射，其运动轨迹呈“锯齿形锯齿形”，所产生的损伤密，所产生的损伤密

50、度较小，但损伤区的范围较大。度较小，但损伤区的范围较大。当入射离子的质量相对于靶原子较重时，入射离子的散射当入射离子的质量相对于靶原子较重时，入射离子的散射角较小，其运动轨迹较直角较小，其运动轨迹较直，所产生的损伤密度较大，容易形成，所产生的损伤密度较大，容易形成非晶区，但损伤区的范围较小。非晶区，但损伤区的范围较小。Light ion impactHeavy ion impactMicroelectronic Fabrication&MEMS Technology64 二、离子注入层的电特性二、离子注入层的电特性二、离子注入层的电特性二、离子注入层的电特性 注注入入到到半半导导体体中中的的受