第四章離子注入

1、4.1離子注入設備與工藝離子注入設備與工藝4.2核碰撞和電子碰撞核碰撞和電子碰撞4.3注入離子在無定形靶中的分布注入離子在無定形靶中的分布4.4注入損傷注入損傷4.5熱退火熱退火v v擴散是一個化學過程擴散是一個化學過程,離子注入是一個物理過離子注入是一個物理過程程.v所謂所謂離子注入技術離子注入技術，就是將需要作為摻雜劑，就是將需要作為摻雜劑的元素原子離化，轉變?yōu)殡x子，并將其加速的元素原子離化，轉變?yōu)殡x子，并將其加速到一定能量（到一定能量（50-500keV50-500keV）后，注入到晶片）后，注入到晶片表面，以改變晶片表面的物理和化學性質。表面，以改變晶片表面的物理和化學性質。 離子注入

2、就象用槍將子彈打入墻中一離子注入就象用槍將子彈打入墻中一樣子彈從槍中獲取是量的動量，射入到墻樣子彈從槍中獲取是量的動量，射入到墻體內停下離子注入過程中發(fā)生相同的情形，體內停下離子注入過程中發(fā)生相同的情形，替代子彈的是離子，摻雜原子被離化、分離、替代子彈的是離子，摻雜原子被離化、分離、加速形成離子束流，注入襯底加速形成離子束流，注入襯底Si片中，進入片中，進入表面并在表面以下停下。表面并在表面以下停下。什么是離子注入什么是離子注入 是離子被強電場加速后是離子被強電場加速后注入靶中，離子受靶原子阻注入靶中，離子受靶原子阻止，停在其中，經(jīng)退火后，止，停在其中，經(jīng)退火后，雜質進入替位位置，電離成雜質進

3、入替位位置，電離成為具有電活性的雜質，這一為具有電活性的雜質，這一過程是一非平衡的物質過程過程是一非平衡的物質過程,是一種摻雜工藝。是一種摻雜工藝。 離子注入的基本過程離子注入的基本過程v 將某種元素的原子或攜帶該將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電元素的分子經(jīng)離化變成帶電的離子的離子v 在強電場中加速，獲得較高在強電場中加速，獲得較高的動能的動能v 注入材料表層（靶）以改變注入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學這種材料表層的物理或化學性質。性質。4.1離子注入設備與工藝離子注入設備與工藝離子注入系統(tǒng) 離子注入系統(tǒng)：離子注入系統(tǒng)：應具備合適的可調能量范圍和應具備合適的可調

4、能量范圍和束流強度，能滿足多種離子的注入，束流強度，能滿足多種離子的注入，有好的注入均勻性以及無污染等性有好的注入均勻性以及無污染等性能。能。離子注入系統(tǒng)通常分為三部分：離子注入系統(tǒng)通常分為三部分：離子源、加速器和終端臺。離子源、加速器和終端臺。離子注入機離子注入機v源：采用源：采用氣態(tài)源氣態(tài)源、固態(tài)源，大部分氟化物、固態(tài)源，大部分氟化物PF5,AsF5,BF3 通過加熱分解氣態(tài)源，使其成為帶電離子通過加熱分解氣態(tài)源，使其成為帶電離子P+，B+，As+,通過加速管，使它們在通過加速管，使它們在管內被電場加速到高能狀態(tài)，注入到管內被電場加速到高能狀態(tài)，注入到Si片中片中v直接注入直接注入離子在光

5、刻窗口直接注入Si襯底。射程大、雜質重時用。 v間接注入間接注入；通過介質薄膜或光刻膠注入襯底晶體。間接注入沾污少，可以獲得精確的表面濃度。v多次注入多次注入通過多次注入使雜質縱向分布精確可控，與高斯分布接近；也可以將不同能量、劑量的雜質多次注入到襯底硅中，使雜質分布為設計形狀。 9注入方法注入方法離子注入有別于擴散工藝的特點表現(xiàn)在以下幾離子注入有別于擴散工藝的特點表現(xiàn)在以下幾個方面：個方面：v1 1、可以用質量分析系統(tǒng)、可以用質量分析系統(tǒng)獲得單一能量的高純獲得單一能量的高純雜質原子束，沒有沾污雜質原子束，沒有沾污。因此，一臺注入機。因此，一臺注入機可用于多種雜質。此外，注入過程是在真空可用于

6、多種雜質。此外，注入過程是在真空下即在本身是清潔的氣氛中進行的。下即在本身是清潔的氣氛中進行的。v2 2、注入的劑量可在很寬的范圍（注入的劑量可在很寬的范圍（1010111110101717離子離子/cm/cm2 2）內變化）內變化, ,且在此范圍內精度可控制且在此范圍內精度可控制到到1 1。與此相反與此相反, ,在擴散系統(tǒng)中在擴散系統(tǒng)中, ,高濃度時高濃度時雜質濃度的精度最多控制到雜質濃度的精度最多控制到5 51010, ,低濃度低濃度時比這更差。時比這更差。v3 3、離子注入時，、離子注入時，襯底一般是保持在室溫或溫襯底一般是保持在室溫或溫度不高（度不高（400400），），因此，可用各種

7、掩模因此，可用各種掩模（如氧化硅、氮化硅、鋁和光刻膠）進行選（如氧化硅、氮化硅、鋁和光刻膠）進行選擇摻雜。在制備不能采用擴散工藝的器件時，擇摻雜。在制備不能采用擴散工藝的器件時，這為獨特的自對準掩模技術的設計提供了很這為獨特的自對準掩模技術的設計提供了很大的自由度。大的自由度。v4 4、離子束的穿透深度隨離子能量的增大而增、離子束的穿透深度隨離子能量的增大而增大，因此，控制同一種或不同種的雜質進行大，因此，控制同一種或不同種的雜質進行多次注入時的能量和劑量，可以在很大的范多次注入時的能量和劑量，可以在很大的范圍內得到不同的摻雜劑濃度分布截面。用這圍內得到不同的摻雜劑濃度分布截面。用這種方法比較

8、種方法比較容易獲得超陡的和倒置的摻雜截容易獲得超陡的和倒置的摻雜截面。面。v5 5、離子注入是非平衡過程，因此產(chǎn)生的載流子、離子注入是非平衡過程，因此產(chǎn)生的載流子濃度不是受熱力學限制，而是受摻雜劑在基質晶濃度不是受熱力學限制，而是受摻雜劑在基質晶格中的活化能力的限制。故格中的活化能力的限制。故加入半導體中的雜質加入半導體中的雜質濃度可以不受固溶度的限制濃度可以不受固溶度的限制。v6 6、離子注入時襯底溫度較低，避免高溫擴散所離子注入時襯底溫度較低，避免高溫擴散所引起的熱缺陷引起的熱缺陷。v7 7、由于注入是直進性，注入雜質是按照掩模的、由于注入是直進性，注入雜質是按照掩模的圖形垂直入射，圖形垂

9、直入射，橫向效應比熱擴散小，有利于器橫向效應比熱擴散小，有利于器件特征尺寸縮小件特征尺寸縮小。v8 8、離子注入是通過硅表面的薄膜入射到硅中，、離子注入是通過硅表面的薄膜入射到硅中，該膜起到了保護作用，該膜起到了保護作用，防止污染防止污染。v9 9、容易實現(xiàn)化合物半導體材料的摻雜。容易實現(xiàn)化合物半導體材料的摻雜。缺點會在晶體中引入晶格損傷會在晶體中引入晶格損傷產(chǎn)率低產(chǎn)率低設備復雜，投資大設備復雜，投資大基本概念基本概念v靶：被摻雜的材料稱為靶靶：被摻雜的材料稱為靶v散射離子：一束離子轟擊靶時，其中一部分離散射離子：一束離子轟擊靶時，其中一部分離子在靶表面就被反射了，不能進入的離子稱散子在靶表面

10、就被反射了，不能進入的離子稱散射離子。射離子。v注入離子：進入靶內的離子稱注入離子注入離子：進入靶內的離子稱注入離子4.1 核碰撞和電子碰撞核碰撞和電子碰撞v離子注入不僅要考慮注入離子與靶內自由電離子注入不僅要考慮注入離子與靶內自由電子和束縛電子的相互作用，而且與靶內原子子和束縛電子的相互作用，而且與靶內原子核的相互作用也必須考慮。核的相互作用也必須考慮。v1963年，林華德、沙夫、希奧特，首先確立年，林華德、沙夫、希奧特，首先確立了注入離子在靶內的能量損失分為兩個過程：了注入離子在靶內的能量損失分為兩個過程：核碰撞和電子碰撞，總能量的損失為它們的核碰撞和電子碰撞，總能量的損失為它們的總和?？?/p>

11、和。4.1 核碰撞和電子碰撞（LSS理論）理論） LSS理論理論對在對在非晶靶非晶靶中注入離子的射程分布的研究中注入離子的射程分布的研究射程分布（射程分布（LSS）理論）理論 帶有一定能量的入射離子在靶帶有一定能量的入射離子在靶材內同靶原子核和電子相碰撞，進材內同靶原子核和電子相碰撞，進行能量交換，最后靜止。行能量交換，最后靜止。 1963年，林華德、沙夫、希奧年，林華德、沙夫、希奧特，首先確立了特，首先確立了LSS理論，認為注理論，認為注入離子在靶內的能量損失分為兩個入離子在靶內的能量損失分為兩個獨立的過程：獨立的過程：a. 核碰撞阻止；核碰撞阻止；b. 電子碰撞阻止。電子碰撞阻止。 總能量

12、損失為兩者之和總能量損失為兩者之和v核碰撞核碰撞：指注入離子與靶內原：指注入離子與靶內原子核之間的相互碰撞。由于入子核之間的相互碰撞。由于入射離子與靶原子的質量一般為射離子與靶原子的質量一般為同一數(shù)量級，因此每次碰撞后，同一數(shù)量級，因此每次碰撞后，注入離子發(fā)生大角度的散射，注入離子發(fā)生大角度的散射，并失去一定的能量，如果靶原并失去一定的能量，如果靶原子獲得的能量大于束縛能，就子獲得的能量大于束縛能，就會離開晶格位置，進入晶格間會離開晶格位置，進入晶格間隙，留下空位，形成缺陷隙，留下空位，形成缺陷. .v電子碰撞電子碰撞：指注入離子與靶內：指注入離子與靶內自由電子以及束縛電子之間的自由電子以及束

13、縛電子之間的碰撞，這種碰撞能瞬間形成電碰撞，這種碰撞能瞬間形成電子空穴對。由于兩者的質量相子空穴對。由于兩者的質量相差很大，每次碰撞注入離子能差很大，每次碰撞注入離子能量損失小，散射角度小，運動量損失小，散射角度小，運動方向基本不變。方向基本不變。阻止本領（stopping power）：材料中注入離子的能量損失大小。單位路程上注入離子由于核阻止（Sn(E)）和電子阻止(Se(E) )所損失的能量 。核阻止本領Sn(E) ：來自靶原子核的阻止。電子阻止本領Se(E) ：來自靶內自由電子和束縛電子的阻止。 nedESESEdx -dE/dx：能量損失梯度E：注入離子在其運動路程上任一點x處的能量

14、Sn(E)：核阻止本領Se(E)：電子阻止本領N: 靶原子密度 51022 cm-3 for Si能量E的函數(shù)能量為E的入射粒子在密度為N的靶內走過x距離后損失的能量1.核阻止本領v核阻止：注入離子與靶內原子核碰撞能量的損失核阻止：注入離子與靶內原子核碰撞能量的損失v能量為能量為E的注入離子在單位密度靶內運動單位長度時，損失給靶原子核的的注入離子在單位密度靶內運動單位長度時，損失給靶原子核的能量。能量。v能量為能量為E的一個注入離子與靶原子核碰撞，離子能量轉移到原子核上，結的一個注入離子與靶原子核碰撞，離子能量轉移到原子核上，結果將使離子改變運動方向，而靶原子核可能離開原位，成為間隙原子核，果

15、將使離子改變運動方向，而靶原子核可能離開原位，成為間隙原子核，或只是能量增加。或只是能量增加。nndxdEESv低能量時核阻止本領隨能量的增加呈線性增加，而在某個中等能量達到最大值，在低能量時核阻止本領隨能量的增加呈線性增加，而在某個中等能量達到最大值，在高能量時，因快速運動的離子沒有足夠的時間與靶原子進行有效的能量交換，所以核高能量時，因快速運動的離子沒有足夠的時間與靶原子進行有效的能量交換，所以核阻止變小。阻止變小。評價評價核阻止過程可以看作是一核阻止過程可以看作是一個入射離子硬球與靶核硬球之個入射離子硬球與靶核硬球之間的彈性碰撞。但實際的離子間的彈性碰撞。但實際的離子注入系統(tǒng)，情況比兩硬

16、球碰撞注入系統(tǒng)，情況比兩硬球碰撞復雜得多：復雜得多：三維空間三維空間有效勢場有效勢場電子屏蔽作用電子屏蔽作用Sn(E) 的計算比較復雜，的計算比較復雜，無法得到解析解，通過數(shù)值計無法得到解析解，通過數(shù)值計算可以得到曲線形式的結果算可以得到曲線形式的結果。2.電子阻止在LSS 理論中，把固體中的電子看作為自由電子氣，那么電子阻滯就類似于黏滯氣體的阻力，即：電子對離子的影響很像一個粒子在流體中的移動。在注入離子的常用能量范圍內，電子阻滯能力的大小與入射離子的速度成正比： eedxdEES電子阻滯本領電子阻滯本領 22/1152/1cmeV102 . 0,kkECvESione離子離子速度速度式中，

17、k 是一個與入射離子的原子序數(shù)及質量、靶材料的原子序數(shù)及質量有關的比例系數(shù)。在粗略近似下，對非晶靶來說，k為常數(shù)3. 射程估算a. 離子注入能量可分為三個區(qū)域：低能區(qū) 核阻滯能力占主導地位，電子阻滯可被忽略；中能區(qū) 在這個比較寬的區(qū)域，核阻滯和電子阻滯能力同等重要，必須同時考慮；高能區(qū) 電子阻滯能力占主導地位，核阻滯可被忽略。超出實際應用范圍；b. Sn(E) 和 Se(E) 的能量變化曲線都有最大值。分別在低能區(qū)和高能區(qū)；c. 兩條曲線交點存在一個臨界能量E2，也稱為Ec。不同靶和注入離子，Ec值不同。4.2 注入離子在無定形靶中的分布注入離子在無定形靶中的分布非晶靶中注入離子的濃度分布非晶

18、靶中注入離子的濃度分布R：射程（射程（range） 離子在靶內離子在靶內的總路線長度的總路線長度 Rp：（：（平均平均）投影射程投影射程（projected range） R在入射方在入射方向上的投影向上的投影 Rp：縱向：縱向標準偏差（標準偏差（Straggling） 投影射程的平均偏差投影射程的平均偏差 R ：橫向橫向標準標準偏差（偏差（Traverse straggling） 垂直于垂直于 入射方向平面上的標準入射方向平面上的標準偏差偏差RRp注入離子注入離子散射過程散射過程任何一個注入離子，在靶內所受到的碰撞是一個隨機過程。如果注入的離子任何一個注入離子，在靶內所受到的碰撞是一個隨機過

19、程。如果注入的離子數(shù)量很少，它們在靶內分布是很分散的，但如果注入大量的離子，那么它們數(shù)量很少，它們在靶內分布是很分散的，但如果注入大量的離子，那么它們在靶內將按一定統(tǒng)計規(guī)律分布。在靶內將按一定統(tǒng)計規(guī)律分布?？v向分布縱向分布離子注入的實際濃度分布用高斯函數(shù)表示離子注入的實際濃度分布用高斯函數(shù)表示在一級近似情況下，高斯分布只在在一級近似情況下，高斯分布只在峰值附近與實際分布符合較好峰值附近與實際分布符合較好21( )exp22pTppxRQn xRRmax()2TppQn RNRmax2TpQNR單位面積注入的離子總數(shù)單位面積注入的離子總數(shù)121223ppM MRRMM標準偏差與標準偏差與RP近似

20、關系近似關系注入離子的二維分布在 x = RP 的兩側，注入離子濃度對稱地下降，且下降速度越來越快：峰值附近與實際分布符合較好，當離峰值位置較遠時，有較大偏離。注入離子的二維分布注入離子的真實分布o真實分布非常復雜，不服從嚴格的高斯分布o硼比硅原子質量輕得多，硼離子注入就會有較多的大角度散射。被反向散射的硼離子數(shù)量也會增多，因而分布在峰值位置與表面一側的離子數(shù)量大于峰值位置的另一側，不服從嚴格的高斯分布。o砷等重離子和硼輕離子的分布正好相反。+v橫向效應橫向效應指的是注入離子在垂直于入射方向平面內的分布情況。掩膜邊緣的雜質濃度是中心濃度的50%。2222222321exp)2(1),(pppR

21、RxZzYyZYRzyxf一束半徑很小的離子束，沿垂直于靶表面的 x方向入射到非晶靶內，注入離子的空間濃度分布為：橫向效應不但與注入離子的種類有關，也與入射離子的能量有關。橫向效應影響MOS晶體管的有效溝道長度。（掃描電鏡照片）35 keV As注入注入120 keV As注入注入離子注入的溝道效應離子注入的溝道效應非晶靶：非晶靶：原子排列雜亂無章，入射粒子的碰撞過程是隨機的，原子排列雜亂無章，入射粒子的碰撞過程是隨機的，受到的阻滯為受到的阻滯為各向同性，各向同性，入射離子從不同方向射入靶中將得到相同入射離子從不同方向射入靶中將得到相同的射程。的射程。單晶靶單晶靶：原子的排列是有規(guī)則和周期性的

22、，靶原子對入射離子原子的排列是有規(guī)則和周期性的，靶原子對入射離子的阻滯作用取決于晶體的取向，是的阻滯作用取決于晶體的取向，是各向異性各向異性的，入射離子從不同方的，入射離子從不同方向射入靶中將得到不同的射程。向射入靶中將得到不同的射程。溝道效應：溝道效應：當對當對晶體靶晶體靶進行離子注入進行離子注入時，如果離子注入的方向與晶體的某個晶時，如果離子注入的方向與晶體的某個晶向向平行平行，注入深度就有可能，注入深度就有可能比較深比較深，大于，大于在非晶靶中的深度，產(chǎn)生溝道效應。在非晶靶中的深度，產(chǎn)生溝道效應。 沿晶向金剛石結構模型出現(xiàn)溝道效應，則很難控制注入離子的濃度分布，會使分布產(chǎn)生一個很長的拖尾

23、。離子束從軸偏斜7入射溝道效應與離子注入方向的關系入射離子進入溝道并不意味著一定發(fā)生溝入射離子進入溝道并不意味著一定發(fā)生溝道效應，只有當入射離子的入射角小于某道效應，只有當入射離子的入射角小于某一角度時才會發(fā)生，這個角稱為一角度時才會發(fā)生，這個角稱為臨界角臨界角110111100傾斜旋轉硅片后的無序方向傾斜旋轉硅片后的無序方向溝道效應與單晶靶取向的關系硅的方向溝道開口約1.8 ， 方向溝道開口約11.22 ， 方向溝道開口介于兩者之間。因此，溝道效應依、 、 順序減弱。實踐表明，溝道效應與多種因素有關，包括：實踐表明，溝道效應與多種因素有關，包括：單晶靶的取向離子的注入方向離子的注入能量注入時

24、的靶溫注入劑量a. 在晶體上覆蓋一層非晶體的表面層：在晶體上覆蓋一層非晶體的表面層：常用非晶覆蓋材料是一常用非晶覆蓋材料是一層薄氧化層。使離子束方向隨機化，離子以不同角度進入晶片；層薄氧化層。使離子束方向隨機化，離子以不同角度進入晶片；b. 將晶片晶向偏轉：將晶片晶向偏轉：大部分注入系統(tǒng)將硅片傾斜大部分注入系統(tǒng)將硅片傾斜7，并從平邊，并從平邊扭轉扭轉22；c. 在晶片表在晶片表面制作一個損傷層：面制作一個損傷層：在晶片表面注入大量硅或鍺可在晶片表面注入大量硅或鍺可以損傷晶片表面，在晶片表面產(chǎn)生一個隨機層。以損傷晶片表面，在晶片表面產(chǎn)生一個隨機層。將溝道效應降低到最小將溝道效應降低到最?。簻\結的

25、形成淺結的形成隨著集成度提高，微電子器件的特征尺寸越來越小，淺結工藝隨著集成度提高，微電子器件的特征尺寸越來越小，淺結工藝成為目前人們最關心的工藝之一。成為目前人們最關心的工藝之一。以用硼形成淺的以用硼形成淺的p+結為例，淺結形成有三個方面的困難：結為例，淺結形成有三個方面的困難：a. 硼質量較輕，注入的投影射程深硼質量較輕，注入的投影射程深解決方法：采用解決方法：采用BF2作為注入物質，進入靶內的分子在碰撞過程作為注入物質，進入靶內的分子在碰撞過程中分解，釋出中分解，釋出原子硼。但因原子硼。但因F存在造成問題，目前使用漸少。存在造成問題，目前使用漸少。b. 溝道效應溝道效應降低離子能量是形成

26、淺結的重要方法。但在低能情況下，溝道降低離子能量是形成淺結的重要方法。但在低能情況下，溝道效應很明顯，可能使結深增加一倍，且離子束穩(wěn)定性降低。效應很明顯，可能使結深增加一倍，且離子束穩(wěn)定性降低。解決方法：預先非晶化。如在注硼之前，先以重離子（如解決方法：預先非晶化。如在注硼之前，先以重離子（如Si+、Ge+）高劑量注入，在硅上形成非晶表面層。這種方法可使溝道效應）高劑量注入，在硅上形成非晶表面層。這種方法可使溝道效應減到最小（如采用減到最?。ㄈ绮捎肧i+，結深下降，結深下降40%）。）。c. 退火時的異常擴散退火時的異常擴散實驗發(fā)現(xiàn)退火后的實際雜質分布比通常預測的要深，原因是離子實驗發(fā)現(xiàn)退火后

27、的實際雜質分布比通常預測的要深，原因是離子注入時形成的高濃度缺陷增強了雜質的擴散，這種現(xiàn)象稱為注入時形成的高濃度缺陷增強了雜質的擴散，這種現(xiàn)象稱為瞬時增強瞬時增強擴散擴散 / 瞬間退火效應。瞬間退火效應。解決方法：可以在退火前先在解決方法：可以在退火前先在 500 650 之間進行一次補充之間進行一次補充處理來消除這些缺陷。處理來消除這些缺陷。4.3 注入損傷一、注入損傷一、注入損傷離子注入的離子注入的最大優(yōu)點最大優(yōu)點是可以精確控制摻雜雜質的數(shù)量及深度。但是可以精確控制摻雜雜質的數(shù)量及深度。但是，在離子注入的過程中，襯底的晶格結構受到損傷是不可避免的。是，在離子注入的過程中，襯底的晶格結構受到

28、損傷是不可避免的。帶有一定能量的離子進入靶內，經(jīng)一系列與原子核和電子的碰撞帶有一定能量的離子進入靶內，經(jīng)一系列與原子核和電子的碰撞損失能量最后駐留下來。其中，損失能量最后駐留下來。其中，只有只有與原子核的碰撞才能轉移足夠能量使與原子核的碰撞才能轉移足夠能量使靶原子離開晶格而造成靶原子離開晶格而造成注入損傷晶注入損傷晶格無序（格無序（lattice disordor）。）。因碰撞而離因碰撞而離開晶格位置的原子稱開晶格位置的原子稱為為移位原子反沖原子。移位原子反沖原子。使一個處于使一個處于晶格位置的原子發(fā)生移位，所需最小晶格位置的原子發(fā)生移位，所需最小能量稱為能量稱為移位閾能（移位閾能（Ed）。）

29、。實際上，注入離子與靶原子電子之間實際上，注入離子與靶原子電子之間彈性和非彈性碰撞彈性和非彈性碰撞同時同時存在，存在，碰撞的結果有三種：碰撞的結果有三種：a. 碰撞過程傳遞的能量小于碰撞過程傳遞的能量小于Ed 不可能產(chǎn)生移位原子。被撞不可能產(chǎn)生移位原子。被撞原子在平衡位置振動，表現(xiàn)為宏觀的熱能；原子在平衡位置振動，表現(xiàn)為宏觀的熱能；b. 碰撞過程中靶原子獲得的能量大于碰撞過程中靶原子獲得的能量大于Ed而小于而小于2Ed 被撞原子被撞原子離開晶格成為移位原子并留下一個空位。但該移位原子所具有的能離開晶格成為移位原子并留下一個空位。但該移位原子所具有的能量不可能使繼續(xù)與它碰撞的原子移位；量不可能使

30、繼續(xù)與它碰撞的原子移位；c. 被撞原子本身移位之后還具有很高的能量被撞原子本身移位之后還具有很高的能量 在其后的運動在其后的運動過程中還可使與它碰撞的其它原子移位。過程中還可使與它碰撞的其它原子移位。與入射離子碰撞而移位的原子稱為與入射離子碰撞而移位的原子稱為第一級反沖原子，第一級反沖原子，與第一級與第一級反沖原子碰撞而移位的原子稱為反沖原子碰撞而移位的原子稱為第二級反沖原子，第二級反沖原子，以以下依次類推。下依次類推。這種不斷碰撞的現(xiàn)象稱為這種不斷碰撞的現(xiàn)象稱為級聯(lián)碰撞。級聯(lián)碰撞。注入離子在晶體中產(chǎn)生的損傷主要有以下幾種：注入離子在晶體中產(chǎn)生的損傷主要有以下幾種：a. 在原本為完美晶體的靶中

31、產(chǎn)生在原本為完美晶體的靶中產(chǎn)生孤立的點缺陷或缺陷群孤立的點缺陷或缺陷群（即注（即注入離子每次傳遞給靶原子的能量約等于移位閾能）；入離子每次傳遞給靶原子的能量約等于移位閾能）；b. 在晶體中形成局部的在晶體中形成局部的非晶區(qū)域。非晶區(qū)域。單位體積內移位原子數(shù)接近單位體積內移位原子數(shù)接近晶體原子密度時，此區(qū)域即成非晶區(qū)域。一般與輕離子或低劑量的晶體原子密度時，此區(qū)域即成非晶區(qū)域。一般與輕離子或低劑量的重離子注入有關；重離子注入有關；c. 由于注入離子引起損傷的積累而形成由于注入離子引起損傷的積累而形成非晶層，非晶層，即隨著注入劑即隨著注入劑量的增加，局部非晶區(qū)域相互重疊形成非晶層。量的增加，局部非

32、晶區(qū)域相互重疊形成非晶層。第一和第二類損傷稱為第一和第二類損傷稱為簡單晶格損傷，簡單晶格損傷，第三類稱為第三類稱為非晶層非晶層形成。形成。劃分的原因與退火機制有關。劃分的原因與退火機制有關。簡單晶格損傷簡單晶格損傷同靶原子硅相比，如果注入的是輕離子（如硼）或小劑量的重離子同靶原子硅相比，如果注入的是輕離子（如硼）或小劑量的重離子（如磷、砷、氬等），在靶中只產(chǎn)生簡單的晶格損傷。（如磷、砷、氬等），在靶中只產(chǎn)生簡單的晶格損傷。對于輕離子注入，大部分晶格無序發(fā)生在離子駐留的最終位置附近，對于輕離子注入，大部分晶格無序發(fā)生在離子駐留的最終位置附近，要形成非晶層，需要非常大的劑量。而對于重離子注入，能量

33、損失主要要形成非晶層，需要非常大的劑量。而對于重離子注入，能量損失主要是由于與原子核的碰撞，因此出現(xiàn)大量損傷是可以預料的。是由于與原子核的碰撞，因此出現(xiàn)大量損傷是可以預料的。輕離子引起的樹狀注入損傷重離子注入引起的簡單晶格損傷非晶的形成非晶的形成注入離子引起的晶格損傷可能是注入離子引起的晶格損傷可能是簡單的點缺陷，也可能是復雜的損傷簡單的點缺陷，也可能是復雜的損傷復合體，損傷嚴重時可形成非晶區(qū)甚復合體，損傷嚴重時可形成非晶區(qū)甚至非晶層。損傷情況與多種因素有關：至非晶層。損傷情況與多種因素有關：注入離子的能量、質量、注入劑量、注入離子的能量、質量、注入劑量、靶溫靶溫以及以及晶向晶向等。等。離子注

34、入時，在其他條件相同的離子注入時，在其他條件相同的情況下，靶溫越高損傷情況越輕，因情況下，靶溫越高損傷情況越輕，因為在離子注入的同時存在一個為在離子注入的同時存在一個自退火自退火過程過程。非晶層臨界劑量與溫度的關系4.4 熱退火熱退火離子注入造成的晶格損傷，對材料的電學性質（載流子遷移率、離子注入造成的晶格損傷，對材料的電學性質（載流子遷移率、少子壽命等）將產(chǎn)生重要影響，需在后面工藝中消除；同時，另一部少子壽命等）將產(chǎn)生重要影響，需在后面工藝中消除；同時，另一部分注入離子處于晶格間隙，并不占據(jù)替位位置，起不到施主或受主作分注入離子處于晶格間隙，并不占據(jù)替位位置，起不到施主或受主作用，需要進行激

35、活，使其移動到晶格點陣位置。用，需要進行激活，使其移動到晶格點陣位置。如果將注有離子的晶片在適當時間與溫度下進行熱處理，則晶片如果將注有離子的晶片在適當時間與溫度下進行熱處理，則晶片內的損傷可能得到大部分內的損傷可能得到大部分消除消除，材料參數(shù)得到恢復，同時一定材料參數(shù)得到恢復，同時一定比例的雜質被比例的雜質被電激活電激活，這樣的，這樣的處理過程稱為處理過程稱為退火。退火。退火工藝的合理選擇對器退火工藝的合理選擇對器件性能至關重要，不同的注入件性能至關重要，不同的注入離子、注入劑量和注入溫度所離子、注入劑量和注入溫度所要求的退火工藝也不同。要求的退火工藝也不同。v在某一高溫下保持一段時間，使雜

36、質通過擴散進入替位，有電在某一高溫下保持一段時間，使雜質通過擴散進入替位，有電活性；并使晶體損傷區(qū)域活性；并使晶體損傷區(qū)域“外延生長外延生長”為晶體，恢復或部分恢為晶體，恢復或部分恢復硅的遷移率，少子壽命。復硅的遷移率，少子壽命。v退火效果與溫度，時間有關。一般溫度越高、時間越長退火效退火效果與溫度，時間有關。一般溫度越高、時間越長退火效果越好。果越好。v退火后出現(xiàn)靶的雜質再分布。退火后出現(xiàn)靶的雜質再分布。具體做法v硅材料的熱退火特性 消除晶格損傷的原因消除晶格損傷的原因 由于硅片處于較高的溫度，原子振動能增大，因而由于硅片處于較高的溫度，原子振動能增大，因而移動能力加強，可使復雜的損傷分解為點缺陷或者其他形式的簡單缺陷移動能力加強，可使復雜的損傷分解為點缺陷或者其他形式的簡單缺陷（空位、間隙原子）。這些結構簡單的缺陷，在熱處理溫度下能以較高的（空位、間隙原子）。這些結構簡單的缺陷，在熱處理溫度下能以較高的遷移率移動，當它們遷移率移動，當它們 互相靠近時，就可能復合使缺陷消失?；ハ嗫拷鼤r，就可能復合使缺陷消失。 方法：方法：一定溫度下，通常在一定溫度下，通常在Ar、N2或真空條件下退火溫度取決于注入劑或真空條件下退火溫度取決于注入劑量及非晶層的消除。量及非晶層的消除。目的目的：修復晶格修復晶格：退火溫度：退火溫度600 oC以上