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第四章 离子注入

第四章 离子注入. 主 讲：毛 维 mwxidian@126.com 西安电子科技大学微电子学院. 概述. 目的： 掺杂（ 1954 年， Shockley 提出）； 应用： COMS 工艺的阱，源、漏，调整 V T 的 沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断， 特别是浅结。 定义 : 将带电的、且具有能量的粒子入射到衬 底中的过程。. 离子注入的特点：. ① 注入 温度低 : 对 Si ，室温；对 GaAs,<400℃ 。

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第四章 离子注入

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  1. 第四章 离子注入 主 讲：毛 维 mwxidian@126.com 西安电子科技大学微电子学院

  2. 概述 • 目的：掺杂（1954年，Shockley 提出）； • 应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的 沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断， 特别是浅结。 • 定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬 底中的过程。

  3. 离子注入的特点： ①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,<400℃。 （避免了高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜。） ②掺杂数目完全受控:同一平面内的杂质均匀性和重复性在±1％（而高浓度扩散的最好结果只能控制在（5％-10％））；能精确控制浓度分布及结深，特别适合制作高浓度浅结、突变型分布。 ③无污染:注入离子纯度高，能量单一。 （质量分析器；背景真空度高）

  4. 离子注入的特点： ④横向扩散小：有利于器件特征尺寸的缩小。 ⑤不受固溶度限制:原则上各种元素均可掺杂。 ⑥注入深度随离子能量的增加而增加。 （诸多优点，使离子注入成为IC工艺的主要掺杂技术） • 缺点： ①损伤(缺陷)较多:必须退火。 ②设备昂贵，成本高。

  5. 离子注入基本原理： • 基本原理——将杂质原子经过离化变成带电的杂质离 子，并使其在电场中加速，获得一定能 量后，直接轰击到半导体基片内，使之 在体内形成一定的杂质分布，起到掺杂 作用。 • 离子注入三大基本要素： ——离子的产生 ——离子的加速 ——离子的控制

  6. 离子注入设备的结构 ①离子源；②质量分析器（磁分析器）；③加速器(管)； ④偏束板；⑤扫描器；⑥靶室 注：④和⑤统称聚焦和扫描系统

  7. 离子源 等离子体 吸出组件 分析用磁铁 加速管 离子束 工艺腔 扫描圆盘 离子注入系统的原理示意图

  8. 离子注入系统的原理示意图

  9. 高能量 高剂量 低扫描速度 低能量 低剂量 快扫描速度 离子注入机 离子注入机 掺杂离子 束扫描 束扫描 xj 掩蔽层 掩蔽层 掩蔽层 掩蔽层 xj 硅衬底 硅衬底 (a)低掺杂浓度(n, p)及浅结深(xj) (b)高掺杂浓度(n+, p+)及深结深(xj) 掺杂浓度及深度的控制

  10. 离子注入机分类 • 离子注入机按注入能量的大小，可粗略地区分为低能机（200Kev以下）、中能机（200Kev~lMev）和高能机（1Mev以上） • 按离子束电流强度区分，可分为小束流机（1~100 μA以下）、中束流机（100μA~1mA）和强束流机(1mA以上) • 若按使用不同对象区分，又可分为半导体用离子注入机和金属用离子注入机。

  11. 离子注入设备 1.离子源 • 作用：产生注入用的离子。 • 原理：杂质原子高能电子轰击（电子放电）注入离子 • 类型：高频，电子振荡，溅射 2.磁分析器（质量分析器） • 作用：将所需离子分选出来。 • 原理：带电离子在磁场中受洛伦磁力作用，运动轨迹 发生弯曲。 3.加速器 • 作用：使离子获得所需的能量。 • 原理：利用强电场，使离子获得更大的速度。

  12. 离子注入设备 4.偏束板 • 作用：使中性原子束因直线前进不能达到靶室。 • 原理：用一静电偏转板使离子束偏转5º--8º作用再进 入靶室。 5.扫描器 • 作用：使离子在整个靶片上均匀注入。 • 方式：①靶片静止，离子束在X,Y方向作电扫描。②粒子束在Y方向作电扫描，靶片在X方向作机械运动。③粒子束静止，靶片在X,Y方向作机械运动。 6.靶室（工作室）：高温靶（800℃），低温靶（液氮温度），冷却靶（小于120 ℃）。

  13. 基本概念： • 靶：被掺杂的材料。 • 常用的靶有 晶体靶：Si片； 无定形靶：SiO2、Si3N4、光刻胶等。 • 无定形靶：可精确控制注入深度。

  14. 4.1 核碰撞和电子碰撞 • 典型的注入能量E0：5 - 500keV • 注入离子分布-LSS模型：能量损失模型；离子在同靶中的电子和原子核多次碰撞后，逐步损失能量，最后在靶中某一点停止下来。 （Lindhard，Scharff，Schiot三人创立） ①核碰撞（阻止） 注入离子与靶原子核碰撞，将能量传给靶核， 离子发生偏转，靶核产生位移。 ②电子碰撞（阻止） 注入离子与靶内的自由电子和束缚电子碰撞，产 生电子－空穴对； 注入离子运动方向基本不变。

  15. 4.1 核碰撞和电子碰撞 4.1.1 核阻止本领Sn(E) • Sn(E)=(dE/dx)n • E---注入离子在x处的能量 • (dE/dx)n --核阻止能量损失率

  16. 4.1 核碰撞和电子碰撞 ①注入离子与靶原子的相互作用(当忽略电子屏蔽作用时) • 库仑力 F(r)=q2Z1Z2/r2 • 势能 V(r)=q2Z1Z2/r Z1 、Z2 --核电荷数（原子序数）；r—距离。 ②考虑电子的屏蔽作用(当两粒子相距较远时) • 势能 V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a) f(r/a)--屏蔽函数；a--屏蔽参数； • 最简单（一级近似）：f(r/a)=a/r，则Sn=Sn0=常数 （图4.2，虚线）； • 更精确：托马斯-费米屏蔽函数（图4.2，实线）。

  17. 4.1 核碰撞和电子碰撞 4.1.2 电子阻止本领 • LSS模型：认为电子是自由电子气，类似黏滞气体。 Se(E)=(dE/dx)e=CV=ke(E)1/2 (dE/dx)e --电子阻止能量损失率； V - 注入离子速度；C - 常数； ke-与Z1、Z2、M1、M2有关的常数（对于非晶而言）： {对非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1； 对非晶GaAs：ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1；} • 单个入射离子在靶内单位距离上总的能量损失为：

  18. 4.1 核碰撞和电子碰撞 4.1.3 射程粗略估计 • LSS模型：引入简化的无量纲的能量参数ε和射程参数ρ，即 ρ = (RNM1M24πa2)/(M1+M2)2 ε = E0aM2/[Z1Z2q2(M1+M2)] • N-单位体积的原子数； • M1- 注入离子质量 • M2- 靶原子质量 • a-屏蔽长度 • 以dε/dρ– ε1/2作图，得图4.5

  19. 4.1 核碰撞和电子碰撞 • 注入离子能量 • ①低能区：核阻挡占主要，电子阻挡可忽略； • ②中能区：核阻挡与电子阻挡相当； • ③高能区：电子阻挡占主要，核阻挡可忽略。

  20. 4.1 核碰撞和电子碰撞 临界能量（交叉能量）Ene( Ec): Sn(E)=Se(E)处的能量。 ①Ene随注入离子原子量 的增加而增大。 ②轻离子，B: Ene≈15keV， 重离子，P: Ene≈150keV。

  21. 4.1 核碰撞和电子碰撞 • 在粗略的一级近似下，核阻止本领Sn0与电子阻止本领Se(E)的比较 ↑ S Se(E) Ec E→

  22. 4.1 核碰撞和电子碰撞 • 射程R的粗略估算 ①注入离子初始能量E0>>Ene： Se(E)为主，则 R≈k1E01/2 k1=2/ke {对非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1； 对非晶GaAs：ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1；} ②注入离子初始能量E0 <<Ene： Sn(E)为主，且假设 Sn(E)= Sn0，则 R≈k2E0 k2近似为常数。

  23. 4.2 注入离子在无定形靶中的分布 1.总射程R • 定义：注入离子在靶内走过的路径之和。 • R与E的关系：根据能量的总损失率， 则， 式中，E0—注入离子的初始能量。

  24. 4.2 注入离子分布 2.投影射程XP： 总射程R在离子入射方向 （垂直靶片）的投影长度 ，即离子注入的有效深度。 3.平均投影射程RP： 投影射程XP的平均值， 具有统计分布规律—— 几率分布函数。

  25. 4.2 注入离子分布 4.标准偏差（投影偏差）△RP— 反映了RP的分散程度（分散宽度）。 5. R, RP, △RP间的近似关系 M1—注入离子质量， M2—靶原子质量

  26. 4.2 注入离子分布 4.2.1 注入离子纵向分布--高斯分布 注入离子在靶内不断损失能量，最后停止在某处； 注入离子在靶内的碰撞是一随机过程； 注入离子按一定的统计规律分布。 • 求解注入离子的射程和离散微分方程，距靶表面为x(cm)处的浓度分布为 ，高斯函数 Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值浓度（在RP处）(后面具体推导) NS—注入剂量（通过靶表面单位面积注入的离子数）

  27. 4.2 注入离子分布 在实验中，入射离子的剂量(即垂直入射在靶表面单位面积上的离子数) 是人为控制的，它是一个己知量。设Ns为沿x方向的剂量，则 令： 则：dx = △RP dX

  28. 由图可见，浓度分布具有以 下几个特点： • 在平均投影射程x＝Rp处有 一最高浓度 • 在平均投影射程Rp两边，注入离子浓度对称下降，x-Rp越大，下降越快。在x-Rp＝±△RP处N(x)/Nmax=e-1/2=0.6065 pn结的位置：

  29. 常用离子在硅中的注入能量(KeV)与射程( )等数据的关系

  30. z △R┴ 离子浓度 （lg坐标） 离子束 x Rp y 4.2 注入离子分布 4.2.2 横向效应 ①横向效应与注入能量成正比； ②是结深的30％-50％； ③窗口边缘的离子浓度是中心 处的50％； 沿x方向垂直入射各向同性非晶 靶内，注入离子空间分布函数为：

  31. 4.2 注入离子分布 4.2.3 沟道效应(ion channeling) • 非晶靶：对注入离子的阻挡是 各向同性； • 单晶靶：对注入离子的阻挡是 各向异性； • 沟道：在单晶靶的主晶轴方向 呈现一系列平行的通道， 称为沟道。

  32. <111> <100> <110> 硅晶体的原子构型

  33. 沿 <110> 轴的硅晶格视图

  34. 4.2 注入离子分布 • 沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射 程比非晶靶远的多。 好处：结较深；晶格损伤小。 不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。 • 减小沟道效应的途径 ①注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值--70； ②淀积非晶表面层（SiO2)； ③在表面制造损伤层； ④提高靶温； ⑤增大剂量。

  35. 4.3 注入损伤 4.3.1 级联碰撞 1 .损伤的形成 Ed:靶原子离开其平衡位置所需的最低能量。 ET:靶原子与注入离子碰撞后获得的能量。 • 若 ET<Ed：加剧靶原子的热振动，但不位移； • 若 ET>Ed：靶原子位移，留下空位； • 若 ET»Ed：位移原子（反冲原子）再与靶原子碰撞，产生级联碰撞。 4.3.2 晶格损伤

  36. 4.3 注入损伤

  37. 4.3 注入损伤 • 损伤密度 例1：B离子，E0=80keV，Rp=250nm; 已知:Si晶格间距为0.25nm；初始S（E）=35eV/nm；则 ET=35×0.25=8.75eV<Ed=15eV，Si不位移； 当E=40keV(此时Rp1=130nm) , S（E）=60eV/nm，则 ET=60×0.25=15eV=Ed，Si位移，且位移2.5nm/次； 设：每个晶面都有1个Si位移，则在B离子停止前，位移Si为 120nm/0.25nm=480 设：Si位移2.5nm,则损伤体积为 Vdam =π（2.5nm)2(120nm)=2.4×10-18cm-3 • 损伤密度=480/Vdam=2×1020cm-3 (占相应体积中所有原子的0.4%）

  38. 4.3 注入损伤 例2：As离子，E0=80keV，Rp=50nm，平均S（E）=1.2keV/nm • 1个As共产生约4000个位移Si • Vdam =π（2.5nm)2(50nm)=1×10-18cm-3 • 损伤密度=4000/Vdam=4×1021cm-3 (占相应体积中所有原子的8%）

  39. 4.3 注入损伤 4.3.3 非晶层的形成 随注入剂量的增加，原先相互隔离的损伤区发生 重叠，最终形成长程无序的非晶层。 • 临界剂量－形成非晶层所需的最小注入离子剂量； 临界剂量与注入离子质量成反比。 • 靶温－靶温越高，损伤越轻。

  40. 4.4 热退火 • 离子注入所形成的损伤有： ①散射中心：使迁移率下降； ②缺陷中心：非平衡少子的寿命减少，pn结漏电流增 加； ③杂质不在晶格上：起不到施主或受主的作用。 • 退火目的：消除注入损伤，使注入离子与位移Si原子 恢复正常的替位位置－－电激活。 • 退火方法：热退火（传统退火）；快速退火。

  41. 4.4 热退火 • 热退火机理 a.无定形层（非晶层）： 通过固相外延，使位移原子重构而有序化。无定形是晶体的亚稳态，这种固相外延可在较低温度下发生。 b.非无定形层： 高温下，原子振动能增大，因而移动能力增强，可使复杂的损伤分解为简单的缺陷，如空位、间隙原子等。 在热处理温度下，简单的缺陷能以较高的迁移率移动，相互靠近时，就可能复合而使缺陷消失。 • 退火工艺条件：温度；时间；方式（常规、快速）。

  42. 4.4 热退火 4.4.1 硅材料的热退火特性 • 退火机理： ①复杂的损伤分解为简单缺陷：空位、间隙原子； ②简单缺陷可因复合而消失； ③损伤由单晶区向非单晶区通过固相外延再生长得到恢复。 • 二次缺陷(能量较低)：(高能量的)简单缺陷重新组合，形成新 的缺陷。 • 注入剂量与退火温度成正比。 • 载流子激活所需温度：低于寿命和迁移率恢复所需温度。

  43. 热退火原理示意 晶格原子 杂质原子

  44. 晶格原子 杂质原子

  45. 晶格原子 杂质原子

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