(6-1)离子注入

离子注入技术是微电子工艺中定域、定量掺杂的一种重要方法，其目的是改变半导体的载流子浓度和导电类型，以达到改变材料电学性质的目的。1第6章离子注入2第6章离子注入6.1概述6.2离子注入原理6.3注入离子在靶中的分布6.4注入损伤6.5退火6.6离子注入设备与工艺6.7离子注入的其它应用36.1什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。注入材料表层（靶）以改变这种材料表层的物理或化学性质。4离子注入特点各种杂质浓度分布与注入深度可精确控制同一平面上杂质掺杂分布非常均匀不受固溶度限制纯度高，能量单一低温过程，避免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂；横向效应比气固相扩散小得多可穿透衬底表面薄膜，防止玷污，自由度大5离子注入特点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）有不安全因素，如高压、有毒气体6在集成电路制造中应用离子注入主要是为了进行掺杂，分为两个步骤：离子注入：将含有杂质的化合物分子电离为杂质离子后，聚集成束并用强电场加速，使其成为高能离子束，直接轰击半导体材料。(靶材料、非晶靶、无定形靶)退火(退火再分布)：在离子注入之后为了恢复损伤和使杂质达到预期分布并具有电活性而进行的热处理过程。(450-950度)离子注入技术7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。86.2离子注入原理离子注入是离子被强电场加速后注入靶中，离子受靶原子阻止而停留其中，经退火后成为具有电活性的杂质的一个非平衡的物理过程。注入离子在靶中的分布情况与注入离子的能量、性质和靶的具体情况等因素有关。9R：射程（range）离子在靶内的总路线长度Xp：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，标准偏差Rp，横向标准偏差R6.2.1与注入离子分布相关的几个概念10Rp：标准偏差（Straggling），投影射程的平均偏差R：横向标准偏差（Traversestraggling）,垂直于入射方向平面上的标准偏差。11LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究1963年，Lindhard,ScharffandSchiott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)核碰撞（nuclearstopping）(2)电子碰撞（electronicstopping）阻止本领（stoppingpower）：材料中注入离子的能量损失大小。6.2.2离子注入相关理论基础12核碰撞：能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。nndESEdx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。核碰撞碰撞参数p≤r1+r213核阻止本领M——质量Z——原子序数下标1——离子下标2——靶212M2202124MM1TMUE2(MM)正面碰撞最大能量转移：0p212ZZ()qVrr忽略外围电子屏蔽作用，注入离子与靶内原子之间势函数:(注入离子与靶内原子核之间的作用力)注入离子与靶内原子之间弹性碰撞14能量损失率与离子能量的关系核碰撞托马斯•费米屏蔽函数rrf最简屏蔽函数212ZZV()qrrfra电子屏蔽函数考虑电子屏蔽时离子与靶核之间相互作用势函数a——屏蔽参数15电子碰撞电子碰撞指的是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞。注入离子和靶原子周围电子云通过库仑作用，使离子和电子碰撞失去能量，而束缚电子被激发或电离，自由电子发生移动。瞬时地形成电子-空穴对。eedxdEES电子阻止本领电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正比。1/2151/220.210eVcmeioneeSECvkEk离子速度16nedESESEdx-dE/dx：能量损失梯度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单位路程上注入离子由于核阻止（Sn(E)）和电子阻止(Se(E))所损失的能量，总能量损失为两者的和。17低能区中能区高能区核阻止本领和电子阻止本领曲线(1)低能区：Sn(E)占主要地位，Se(E)可忽略(2)中能区：Sn(E)和Se(E)同等重要(3)高能区：Se(E)占主要地位，Sn(E)可忽略18表面处晶格损伤较小射程终点（EOR）处晶格损伤大核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）电子阻止本领在高能量下起主要作用19EORdamageCourtesyAnn-ChatrinLindberg(March2002).206.3.1纵向分布注入离子在靶内受到的碰撞是随机的，所以杂质分布也是按几率分布的。离子进入非晶层（穿入距离）的分布接近高斯分布。ΔRp：投影射程的标准偏差ΔR⊥：横向离散6.3注入离子在靶中的分布21能量损失与射程R0E设注入离子的初始能量为，从进入靶面到静止时所经过的总距离000)()(EenRESESdEdxR211pRRbMMPPRMMMMR212132RPRPR与投影射程和投影标准偏差之间关系b——E和R的缓慢变化函数M1M2;b=1/322纵向分布离子注入的实际浓度分布用高斯函数表示：21()exp22pTppxRQnxRR高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。236.3.2横向效应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：24横向分布2222222321exp)2(1),,(pppRRxZzYyZYRzyxf2535keVAs注入120keVAs注入横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度266.3.3单晶靶中的沟道效应沟道（渗透）效应(Channelingeffect):衬底为单晶材料，离子束准确的沿着晶格方向注入，几乎不会受到原子核的散射，其纵向分布峰值与高斯分布不同。一部分离子穿过较大距离。27110111100倾斜旋转硅片后的无序方向28临界角09.73itCzzEdC硅中常用杂质发生沟道效应的临界角（对每种杂质，上面曲线表示〈111〉衬底，下面对应〈100〉衬底）29浓度分布由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离LSS理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的“尾巴”。产生非晶化的剂量沿110的沟道效应30减少沟道效应的措施对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离7-10o用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层（Pre-amorphization）增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）表面用SiO2层掩膜3132沟道效应的防止方法（111）硅一般采取偏离晶向7°，平行偏转15°的注入方法33实际上高能离子入射到衬底时，一小部分与表面晶核原子弹性散射，从衬底表面反射回来，未进入衬底，这叫背散射现象。6.3.4影响注入离子分布的其它因素34纵向分布硼比硅原子质量轻得多，硼离子注入就会有较多的大角度散射。被反向散射的硼离子数量也会增多，因而分布在峰值位置与表面一侧的离子数量大于峰值位置的另一侧，不服从严格的高斯分布。砷等重离子和硼轻离子的分布正好相反。35注入离子的真实分布真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。锑36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。6.4注入损伤(Si)SiSiI+SiV37高能离子在靶内与晶格多次碰撞，从而导致靶的晶格损伤。碰撞有弹性碰撞和非弹性碰撞。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，称为能量淀积过程。移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。碰撞中，当转移能量EEd移位阈能时，靶原子位移；若移位原子能量2Ed时，移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，这种现象称级联碰撞。6.4.1级联碰撞38移位原子的估算入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量EdE2Ed时，只能使一个原子移位。只有当能量2Ed时，才能增加移位原子的数目。估算一个以起始能量E0入射的离子，在碰撞过程中可以使靶内原子移位的数目N(E)为dEEEN2)(039损伤特点损伤有三种：点缺陷非晶区非晶层简单晶格损伤•损伤主要与注入离子质量、能量、剂量、剂量率有关；与靶温有关。•损伤峰值非常接近投影射程的75%。•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。40重离子每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，位移原子多。注入离子的能量损失以核碰撞为主。射程较短，重离子注入所造成的损伤区域小，损伤密度大。质量轻的离子传给靶原子能量较小，被散射角度较大，位移靶原子少。注入离子运动方向的变化大，产生的损伤密度小，不重叠，但区域较大。呈锯齿状。一个B，E0≈80KeV，Rp≈250nm，480个Si移位，损伤原子约0.4％一个As，E0≈80KeV，Rp≈250nm，4000个Si移位，损伤原子约8％6.4.2简单晶格损伤416.4.3非晶层（Amorphization）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层。与注入剂量的关系注入剂量越大，晶格损伤越严重。临界剂量：使晶格完全无序的剂量。临界剂量和注入离子的质量有关42与靶温关系----自退火与注入离子能量关系与注入离子剂量率之间系与晶体取向的关系与注入速度的关系43入射离子注入靶时，在其经过的路径附近区域产生许多空位、间隙原子和其它形式的晶格畸变。由于离子注入形成损伤区和畸变团直接影响半导体材料和微电子产品的特性：增加散射中心，使载流子迁移率下降；增加了缺陷数目，使少数载流子寿命下降和pn结方向漏电流增大等。此外大量的离子不是替位方式处在晶格位置上，二是处于间隙位置，无电活性，一般不能提供导电性能。6.5退火44损伤退火（DamageAnnealing）被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。注入后的半导体材料：杂质处于间隙nND；pNA晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降热退火后：nn=ND(p=NA)45为了激活注入的离子，恢复迁移率及其他材料参数，必须在适当的温度和时间下对半导体进行退火，以使杂质原子处于晶体点阵位置，即替位式状态，成为受主或施主中心，以实现杂质的电激活。退火，就是利用热能将离子注入后的样品进行热处理，以消除晶格损伤，激活注入杂质，恢复晶体的电性能。46具体工艺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。退火效果(q/NA,μ,τ)，与温度，时间有关。一般温度越高、时间越长退火效果越好