集成电路制造技术——原理与工艺(6)离子注入.ppt

第6章 离子注入 田丽 内容 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 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。 1963年，Lindhard, Scharff and Schiott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（nuclear stopping） (2) 电子碰撞 （electronic stopping） 阻止本领（stopping power）：材料中注入离子的能量损失大小。 核碰撞 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。 核阻止本领 注入离子与靶内原子之间弹性碰撞 核碰撞 电子碰撞 电子碰撞指的是注入离子与靶内白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。 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 6.3.1 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。 能量损失与射程R 纵向分布 离子注入的实际浓度分布用高斯函数表示 6.3.2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 由LSS理论计算得到的硼、磷和砷入射到无定形硅靶中ΔR┴与入射能量的关系如图所示 横向分布 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” 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 沟道效应的防止方法 6.3.4影响注入离子分布的其它因素 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，而从衬底表面反射回来，未进入衬底，这叫背散射现象. 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。 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。 6.4.1级联碰撞 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。 移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量. (对于硅原子, Ed?15eV) 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。 损伤特点 损伤有三种： 点缺陷 非晶区 非晶层 重离子每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，获得大能量的位移原子还可使许多原子移位。注入离子的能量损失以核碰撞为主。同时，射程较短，在小体积内有较大损伤。重离子注入所造成的损伤区域小，损伤密度大。 6.4.3非晶化（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区。 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 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关系 与晶体取向的关系 与注入速度的关系 注入离子剂量 理论上可以由离子电流大小来量度: （ ion/cm2） 其中：I为电流；t为时间；A为注入面积。 6.5退火 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