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1、Chap 4 离子注入,核碰撞和电子碰撞 注入离子在无定形靶中的分布 注入损伤 热退火,离子注入,离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程，注入能量介于1KeV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm10um。离子剂量变动范围，从用于阈值电压调整的1012/cm2到形成绝缘埋层的1018/cm2。 相对于扩散，它能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。 离子注入已成为VLSI制程上最主要的掺杂技术。一般CMOS制程，大约需要612个或更多的离子注入步骤。,离子注入应用,隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断 调整阈值电压用的沟道掺杂 CMOS阱的形成 浅结的制备 在特征尺寸
2、日益减小的今日，离子注入已经成为一种主流技术。,使带电粒子偏转，分出中性粒子流,中性束路径,类似电视机，让束流上下来回的对圆片扫描,离子注入系统的原理示意图,离子源是产生离子的部件。将被注入物质的气体注入离子源，在其中被电离形成正离子，经吸极吸出，由初聚焦系统，聚成离子束，射向磁分析器。 吸极是一种直接引出离子束的方法，即用一负电压（几伏到几十千伏）把正离子吸出来。 产生离子的方法有很多，目前常用的利用气体放电产生等离子体。,离子注入系统原理-离子源,从离子源吸出的离子束中，包括多种离子。如对BCl3气体源，一般包括H+、B+、Cl+、O+、C+等。 在磁分析器中，利用不同荷质比的离子在磁场中
3、的运动轨迹不同，可以将离子分离，并选出所需要的一种杂质离子。 被选离子通过可变狭缝，进入加速管。,离子注入系统原理-磁分析器,离子源通过加热分解气体源如BF3或AsH3成为带正电离子（B或As）。 加上约40KeV左右的负电压，引导这些带正电离子移出离子源腔体并进入磁分析器。 选择磁分析器的磁场，使只有质量/电荷比符合要求的离子得以穿过而不被过滤掉。 被选出来的离子接着进入加速管，在管内它们被电场加速到高能状态。,离子注入系统原理,被掺杂的材料称为靶。由加速管出来的离子先由静电聚焦透镜进行聚焦，再进行x、y两个方向的扫描，然后通过偏转系统注入到靶上。 扫描目的：把离子均匀注入到靶上。 偏转目的
4、：使束流传输过程中产生的中性离子不能到达靶上。 注入机内的压力维持低于104Pa以下，以使气体分子散射降至最低。,离子注入系统原理,离子注入的优缺点,优点： 注入的离子纯度高 可以精确控制掺杂原子数目，同一平面的掺杂均匀性得到保证，电学性能得到保证。 温度低：小于400。低温注入，避免高温扩散所引起的热缺陷；扩散掩膜能够有更多的选择 掺杂深度和掺杂浓度可控，得到不同的杂质分布形式 非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制 横向扩散效应比热扩散小得多 离子通过硅表面的薄膜注入，防止污染。 可以对化合物半导体进行掺杂,离子注入的优缺点,缺点： 产生的晶格损伤不易消除 很难进行很深或很浅的结的注入 高剂量
5、注入时产率低 设备价格昂贵（约200万美金）,4.1 核碰撞和电子碰撞,高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点停止下来,核碰撞和电子碰撞,注入离子在靶内能量损失方式 核碰撞 (注入离子与靶内原子核间的碰撞） 质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子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位置，进入晶格间隙，并留下一个空位，形成缺陷。,核碰撞和电子碰撞,注入离子在靶内能量损失方式 电子碰撞(
6、注入离子与靶原子周围电子云的碰撞） 能瞬时形成电子-空穴对 两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，散射角度也小，虽然经过多次散射，注入离子运动方向基本不变。电子则被激发至更高的能级（激发）或脱离原子（电离）。,核碰撞和电子碰撞,核阻止本领说明注入离子在靶内能量损失的具体情况，一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻止本领定义为： 电子阻止本领定义为：,核碰撞和电子碰撞,在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为： 注入离子在靶内运动的总路程,低能量时，核阻止本领随能量的增加而线性增加，Sn(E)会在某一中等能量时达到最大值。 高能量时，由于高速粒子没有足
7、够的时间和靶原子进行有效的能量交换，所以Sn(E)变小。,核阻止本领,电子阻止本领,电子阻止本领同注入离子的速度成正比，即与注入离子能量的平方根成正比。 V 为注入离子速度，Ke 与注入离子和靶的原子序数、质量有微弱关系，粗略估计时，可近似为常数,核碰撞和电子碰撞,不同能区的能量损失形式 低能区：以核碰撞为主 中能区：核碰撞、电子碰撞持平 高能区：以电子碰撞为主,4.2 注入离子在无定形靶中的分布,一个离子在停止前所经过的总路程，称为射程R R在入射轴方向上的投影称为投影射程Xp R在垂直入射方向的投影称为射程横向分量Xt,平均投影射程Rp：所有入射离子的投影射程的平均值 标准偏差：,注入离子
8、在无定形靶中的分布,对于无定形靶（SiO2、Si3N4、光刻胶等），注入离子的纵向分布可用高斯函数表示： 其中：,注入离子在无定形靶中的分布,横向分布（高斯分布） 入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布 横向渗透远小于热扩散,高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。 轻离子/重离子入射对高斯分布的影响 实践中，用高斯分布快速估算注入离子在靶材料中的分布。,注入离子在无定形靶中的分布,随能量增加，投影射程增加 能量一定时，轻离子比重离子的射程深。,射程与能量的关系,注入离子在无定形靶中的分布,以上讨论的是无定形靶的情形。 无定形材料中原子排列无序，靶对入射离子的阻止作用是各向同性的 一定能量的离子沿不同方向射入靶中将会得到相同的平均射程。 实际的硅片单晶 在单晶靶中，原子是按一定规律周期地重复排列，而且晶格具有一定的对称性。 靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而与晶体取向有关。,*离子注入的沟道效应,*离子注入的沟道效应,*离子注入的沟道效应,定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿沟道运动。沟道离子唯一的能量损失机制是电子阻止，因此注入离子的能量损失率就很低，故注入深度较大。 离子方向=沟道方向时离子因为没有碰到晶格而长驱直入 效果：在不应该存在杂质的深度发现杂质多出了一个峰！,射程分布与注入方向的关系,