4第四章離子注入課件

集成電路制造技術(shù)

第四章離子注入西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院戴顯英2012年9月12日集成電路制造技術(shù)

第四章離子注入1本章主要內(nèi)容離子注入特點(diǎn)離子注入設(shè)備原理離子注入機(jī)理離子注入分布離子注入損失注入退火離子注入與熱擴(kuò)散對(duì)比本章主要內(nèi)容離子注入特點(diǎn)24.1離子注入特點(diǎn)定義:將帶電的、且具有能量的粒子入射到襯底中。應(yīng)用：COMS工藝的阱，源、漏，調(diào)整VT的溝道摻雜，防止寄生溝道的溝道隔斷，特別是淺結(jié)。特點(diǎn):①注入溫度低:對(duì)Si，室溫；對(duì)GaAs,<400℃。（避免了高溫?cái)U(kuò)散的熱缺陷；光刻膠，鋁等都可作為掩蔽膜。）②摻雜數(shù)目完全受控:同一平面雜質(zhì)均勻性和重復(fù)性在±1％（高濃度擴(kuò)散5％－10％）；能精確控制濃度分布及結(jié)深，特別適合制作高濃度、淺結(jié)、突變型分布。4.1離子注入特點(diǎn)定義:將帶電的、且具有能量的粒子入射到34.1離子注入特點(diǎn)③無(wú)污染:注入離子純度高，能量單一。（質(zhì)量分析器；背景真空度高）④橫向擴(kuò)散?。河欣谄骷卣鞒叽绲目s小。⑤不受固溶度限制:原則上各種元素均可摻雜。⑥注入深度隨離子能量的增加而增加。（諸多優(yōu)點(diǎn)，使離子注入成為IC工藝的主要摻雜技術(shù)）缺點(diǎn)：①損傷(缺陷)較多:必須退火。②成本高4.1離子注入特點(diǎn)③無(wú)污染:注入離子純度高，能量單一。44.2離子注入設(shè)備原理離子注入設(shè)備結(jié)構(gòu)①離子源；②質(zhì)量分析器；③加速器；④偏束板；⑤掃描器；⑥靶室離子注入系統(tǒng)的原理示意圖4.2離子注入設(shè)備原理離子注入設(shè)備結(jié)構(gòu)離子注入系統(tǒng)的原理51.離子源作用：產(chǎn)生注入用的離子。原理：雜質(zhì)原子高能電子轟擊（電子放電）注入離子類型：高頻，電子振蕩，濺射2.磁分析器（質(zhì)量分析器）作用：將所需離子分選出來(lái)。原理：帶電離子在磁場(chǎng)中受洛倫磁力作用，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲。4.2離子注入設(shè)備原理1.離子源4.2離子注入設(shè)備原理63.加速器作用：使離子獲得所需的能量。原理：利用強(qiáng)電場(chǎng)，使離子獲得更大的速度。4.偏束板作用：使中性原子束因直線前進(jìn)不能達(dá)到靶室。原理：用一靜電偏轉(zhuǎn)板使離子束偏轉(zhuǎn)5o--8o作用再進(jìn)入靶室。4.2離子注入設(shè)備原理3.加速器4.2離子注入設(shè)備原理7⑤掃描器作用：使離子在整個(gè)靶片上均勻注入。方式：①靶片靜止，離子束在X,Y方向作電掃描。②粒子束在Y方向作電掃描，靶片在X方向作機(jī)械運(yùn)動(dòng)。③粒子束靜止，靶片在X,Y方向作機(jī)械運(yùn)動(dòng)。⑥靶室（工作室）：高溫靶（800℃），低溫靶（液氮溫度），冷卻靶（小于120℃）。4.2離子注入設(shè)備原理靶：被摻雜的材料。有晶體靶：Si片；無(wú)定形靶：SiO2、Si3N4、光刻膠等。無(wú)定形靶：可精確控制注入深度。⑤掃描器4.2離子注入設(shè)備原理靶：被摻雜的材料。有8能量損失機(jī)制核阻擋–與晶格原子的原子核碰撞–大角度散射（離子與靶原子質(zhì)量同數(shù)量級(jí)）–可能引起晶格損傷（間隙原子和空位）電子阻擋

–與晶格原子的自由電子及束縛電子碰撞–注入離子路徑基本不變–能量損失很少–晶格損傷可以忽略典型的注入能量：5-500keV4.3離子注入機(jī)理

-核阻擋與電子阻擋能量損失機(jī)制4.3離子注入機(jī)理

-核阻擋與電子阻擋94.3.1核阻擋本領(lǐng)Sn(E)

（能量為E的注入離子）Sn(E)=(dE/dx)n(dE/dx)n--核阻擋能量損失率.4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞4.3.1核阻擋本領(lǐng)Sn(E)4.3離子注入機(jī)理

-10①注入離子與靶原子的相互作用庫(kù)侖力F(r)=q2Z1Z2/r2勢(shì)能V(r)=q2Z1Z2/rZ1、Z2--核電荷數(shù)；r—距離。②考慮電子的屏蔽作用勢(shì)能V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a)f(r/a)--屏蔽函數(shù)；a--屏蔽參數(shù)；最簡(jiǎn)單（一級(jí)近似）：f(r/a)=a/r，則Sn=Sn0=常數(shù)（圖4.2，虛線）；更精確：托馬斯-費(fèi)米屏蔽函數(shù)（圖4.2，實(shí)線）。4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞①注入離子與靶原子的相互作用4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞114.3.2電子阻擋本領(lǐng)LSS模型：電子是自由電子氣，類似黏滯氣體。Se(E)=(dE/dx)e=CV=ke(E)1/2

(dE/dx)e

--電子阻擋能量損失率；V-注入離子速度；C-常數(shù)；ke-與Z1、Z2、M1、M2有關(guān)的常數(shù)：{對(duì)非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1；對(duì)非晶AsGa：ke≈3x103(eV)1/2μm-1；}4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞4.3.2電子阻擋本領(lǐng)4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與12注入離子的阻擋本領(lǐng)與注入能量關(guān)系注入離子的阻擋本領(lǐng)與注入能量關(guān)系134.3.3射程粗略估計(jì)LSS模型：引入簡(jiǎn)化的無(wú)量綱的能量參數(shù)ε和射程參數(shù)ρ，即

ρ=(RNM1M24πa2)/(M1+M2)2

ε=E0aM2/[Z1Z2q2(M1+M2)]N-單位體積的原子數(shù)；以dε/dρ–ε1/2作圖，得圖4.54.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞4.3.3射程粗略估計(jì)4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與14注入離子能量與阻擋本領(lǐng)

①高能區(qū)：電子阻擋占主要，核阻擋可忽略。②中能區(qū)：核阻擋占與電子阻擋相當(dāng)；③低能區(qū)：核阻擋占主要，電子阻擋可忽略；4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞注入離子能量與阻擋本領(lǐng)4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子154.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞臨界能量（交叉能量）Ene(Ec):

Sn(E)=Se(E)處的能量①Ene隨注入離子原子量的增加而增大。②輕離子，B:Ene≈15keV，重離子，P:Ene≈150keV。4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞臨界能量（交叉能量16射程R的粗略估算①注入離子初始能量E0>>Ene：Se(E)為主，則

R≈k1E01/2k1=2/ke{對(duì)非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1；對(duì)非晶AsGa：ke≈3x103(eV)1/2μm-1；}②注入離子初始能量E0<<

Ene：Sn(E)為主，且假設(shè)Sn(E)=Sn0，則R≈k2E04.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞射程R的粗略估算4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞174.4注入離子分布1.總射程R定義：注入離子在靶內(nèi)走過(guò)的路徑之和。R與E的關(guān)系：根據(jù)能量的總損失率，,式中，E0—注入離子的初始能量。4.4注入離子分布1.總射程R182.投影射程XP：總射程R在離子入射方向（垂直靶片）的投影長(zhǎng)度，即離子注入的有效深度。3.平均投影射程RP：投影射程XP的平均值（離子注入深度的平均值），具有統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律－幾率分布函數(shù)。4.4注入離子分布2.投影射程XP：4.4注入離子分布194.標(biāo)準(zhǔn)偏差（投影偏差）△RP—反映了RP的分散程度（分散寬度）5.R、RP及△RP間的近似關(guān)系,

M1—注入離子質(zhì)量，M2—靶原子質(zhì)量4.4注入離子分布4.標(biāo)準(zhǔn)偏差（投影偏差）△RP—反映了RP的分散程度（分散寬204.4.1注入離子縱向分布--高斯分布注入離子在靶內(nèi)不斷損失能量，最后停止在某處；注入離子按一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布。求解注入離子的射程和離散微分方程：距靶表面為x(cm)處的濃度分布為

---高斯函數(shù)

Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值濃度（在RP處），NS—注入劑量4.4注入離子分布4.4.1注入離子縱向分布--高斯分布4.4注入離子214.4注入離子分布4.4注入離子分布224.4.2橫向效應(yīng)①橫向效應(yīng)與注入能量成正比②是結(jié)深的30％－50％；③窗口邊緣的離子濃度是中心處的50％；4.4注入離子分布4.4.2橫向效應(yīng)4.4注入離子分布234.4.3溝道效應(yīng)(ionchanneling)非晶靶：對(duì)注入離子的阻擋是各向同性；單晶靶：對(duì)注入離子的阻擋是各向異性；溝道：在單晶靶的主晶軸方向呈現(xiàn)一系列平行的通道，稱為溝道。4.4注入離子分布4.4.3溝道效應(yīng)(ionchanneling)4.424溝道效應(yīng)：離子沿溝道前進(jìn)，核阻擋作用小，因而射程比非晶靶遠(yuǎn)的多。

好處：結(jié)較深；晶格損傷小。

不利：難于獲得可重復(fù)的濃度分布，使用價(jià)值小。減小溝道效應(yīng)的途徑①注入方向偏離晶體的主軸方向，典型值--70；②淀積非晶表面層（SiO2)；③在表面制造損傷層；④提高靶溫；⑤增大劑量。4.4注入離子分布溝道效應(yīng)：離子沿溝道前進(jìn)，核阻擋作用小，因而射程比非晶4.4254.5注入損傷離子注入的碰撞：彈性碰撞和非彈性碰撞①注入能量較高：與電子的非彈性碰撞為主；②注入能量較低：與靶原子核的彈性碰撞為主。4.3.1級(jí)聯(lián)碰撞

Ed:靶原子離開(kāi)其平衡位置所需的最低能量。ET:碰撞后靶原子獲得的能量。若ET<Ed：加劇靶原子的熱振動(dòng)，但不位移；若ET>Ed：靶原子位移，留下空位；若ET?Ed：位移原子（反沖原子）再與靶原子碰撞，產(chǎn)生級(jí)聯(lián)碰撞。4.5注入損傷離子注入的碰撞：彈性碰撞和非彈性碰撞264.3.2晶格損傷

①輕注入離子：如Ｂ，起始以電子碰撞為主；②重注入離子：如Ａｓ，起始以核碰撞為主。4.5注入損傷4.3.2晶格損傷

①輕注入離子：如Ｂ，起始以電子碰撞為27損傷密度例1：B離子，E0=80keV，Rp=250nm;已知:Si晶格間距為0.25nm；初始S（E）=35eV/nm；則ET=35X0.25=8.75eV<Ed=15eV，Si不位移；當(dāng)能量衰減為E=40keV（進(jìn)入約130nm）,S（E）=60eV/nm，則ET=60X0.25=15eV=Ed，Si位移，且位移2.5nm/次；設(shè)：每個(gè)晶面都有1個(gè)Si位移，則在B離子停止前，位移Si為120nm/0.25nm=480（個(gè)）設(shè)：Si位移2.5nm,則損傷體積為Vdam=π（2.5nm)2(120nm)=2.4X10-18cm3損傷密度=480/Vdam=2X1020cm-3(占相應(yīng)體積中所有原子的0.4%）

4.5注入損傷損傷密度4.5注入損傷28例2：As離子，E0=80keV，Rp=50nm，平均S（E）=1.2keV/nm1個(gè)As共產(chǎn)生約4000個(gè)位移SiVdam=π（2.5nm)2(50nm)=1X10-18cm3損傷密度=4000/Vdam=4X1021cm-3(占相應(yīng)體積中所有原子的8%）4.5注入損傷例2：As離子，E0=80keV，Rp=50nm，平均S（E294.5.3非晶層的形成隨注入劑量的增加，原先相互隔離的損傷區(qū)發(fā)生重疊，最終形成長(zhǎng)程無(wú)序的非晶層。臨界劑量－形成非晶層所需的最小注入離子劑量；臨界劑量與注入離子質(zhì)量成反比。靶溫－靶溫越高，損傷越輕。4.5注入損傷4.5.3非晶層的形成4.5注入損傷304.6注入退火離子注入所形成的損傷有：①散射中心：使遷移率下降；②缺陷中心：非平衡少子的壽命減少，漏電流增加；③雜質(zhì)不在晶格上：起不到施主或受主的作用。退火目的：消除注入損傷，使注入離子與位移Si原子恢復(fù)正常的替位位置－－激活。退火方法：熱退火（傳統(tǒng)退火）；快速退火。4.6注入退火離子注入所形成的損傷有：31熱退火機(jī)理：a.無(wú)定形層（非晶層）：通過(guò)固相外延，使位移原子重構(gòu)而有序化。無(wú)定形是晶體的亞穩(wěn)態(tài)，這種固相外延可在較低溫度下發(fā)生。b.非無(wú)定形層：高溫下，原子振動(dòng)能增大，因而移動(dòng)能力增強(qiáng)，可使復(fù)雜的損傷分解為簡(jiǎn)單的缺陷，如空位、間隙原子等。簡(jiǎn)單的缺陷能以較高的遷移率移動(dòng)，相互靠近時(shí)，就可能復(fù)合而使缺陷消失。退火工藝條件：溫度；時(shí)間；方式（常規(guī)、快速）。4.6注入退火熱退火機(jī)理：4.6注入退火324.6.1硅材料的熱退火特性退火機(jī)理：①?gòu)?fù)雜的損傷分解為簡(jiǎn)單缺陷：空位、間隙原子；②簡(jiǎn)單缺陷可因復(fù)合而消失；③損傷由單晶區(qū)向非單晶區(qū)通過(guò)固相外延再生長(zhǎng)得到恢復(fù)。二次缺陷：簡(jiǎn)單缺陷重新組合，形成新的缺陷。注入劑量與退火溫度成正比。載流子激活所需溫度：低于壽命和遷移率恢復(fù)所需溫度(雜質(zhì)激活能小于Si擴(kuò)散的激活能）。4.6注入退火4.6.1硅材料的熱退火特性4.6注入退火334.6.2硼的退火特性4.6.3磷的退火特性4.6.4熱退火過(guò)程的擴(kuò)散效應(yīng)（以上請(qǐng)自學(xué)）4.6注入退火4.6.2硼的退火特性4.6注入退火344.6.5快速退火(RTA，rapidthermalannealing)

常規(guī)熱退火的缺點(diǎn)①激活率an低；②二次缺陷；③導(dǎo)致明顯的雜質(zhì)再分布；④硅片變形。RTA機(jī)理：利用高功率密度的物質(zhì)作用于晶片表面，使注入層在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到高溫，以到消除損傷的目的。特點(diǎn)：退火時(shí)間短（10－11－102秒）；注入雜質(zhì)激活率高；對(duì)注入雜質(zhì)分布影響小；襯底材料的電學(xué)參數(shù)基本不受影響；4.6注入退火4.6.5快速退火(RTA，rapidthermal354.6.5快速退火種類a.脈沖激光：固－液相外延退火機(jī)理。優(yōu)點(diǎn)：功率密度高；激活率高。b.連續(xù)波激光：固－固相外延退火機(jī)理。優(yōu)點(diǎn)：雜質(zhì)分布不受影響。缺點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換率低（1％）c.電子束：固－液外延退火機(jī)理。優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換率高（50％）。d.寬帶非相干光源光源：鹵素?zé)?，電弧燈。?yōu)點(diǎn)：無(wú)干涉效應(yīng)；生產(chǎn)效率高；設(shè)備簡(jiǎn)單。4.6.5快速退火種類36RTA與爐（熱）退火RTP退火爐退火RTA與爐（熱）退火RTP退火爐退火37金屬柵極對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題對(duì)準(zhǔn)未對(duì)準(zhǔn)金屬柵MOS工藝：先制作源漏，后制作柵極（為什么？）金屬柵極對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題對(duì)準(zhǔn)未對(duì)準(zhǔn)金屬柵MOS工藝：先制作源漏，后制38離子注入P（自對(duì)準(zhǔn)）1、以多晶硅柵為掩膜，離子注入各項(xiàng)異性，自對(duì)準(zhǔn)注入2、同時(shí)多晶硅也被摻雜，多晶硅的電阻率降低在小尺寸器件中，尤其重要，<Leff=Lgate-2LD>離子注入P（自對(duì)準(zhǔn)）1、以多晶硅柵為掩膜，離子注入各項(xiàng)異性，39擴(kuò)散與離子注入的對(duì)比擴(kuò)散離子注入高溫，硬掩膜900－1200℃低溫，光刻膠掩膜室溫或低于400℃各向同性各向異性不能獨(dú)立控制結(jié)深和濃度可以獨(dú)立控制結(jié)深和濃度擴(kuò)散與離子注入的對(duì)比擴(kuò)散離子注入高溫，硬掩膜低溫，光刻膠掩膜40集成電路制造技術(shù)

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第四章離子注入41本章主要內(nèi)容離子注入特點(diǎn)離子注入設(shè)備原理離子注入機(jī)理離子注入分布離子注入損失注入退火離子注入與熱擴(kuò)散對(duì)比本章主要內(nèi)容離子注入特點(diǎn)424.1離子注入特點(diǎn)定義:將帶電的、且具有能量的粒子入射到襯底中。應(yīng)用：COMS工藝的阱，源、漏，調(diào)整VT的溝道摻雜，防止寄生溝道的溝道隔斷，特別是淺結(jié)。特點(diǎn):①注入溫度低:對(duì)Si，室溫；對(duì)GaAs,<400℃。（避免了高溫?cái)U(kuò)散的熱缺陷；光刻膠，鋁等都可作為掩蔽膜。）②摻雜數(shù)目完全受控:同一平面雜質(zhì)均勻性和重復(fù)性在±1％（高濃度擴(kuò)散5％－10％）；能精確控制濃度分布及結(jié)深，特別適合制作高濃度、淺結(jié)、突變型分布。4.1離子注入特點(diǎn)定義:將帶電的、且具有能量的粒子入射到434.1離子注入特點(diǎn)③無(wú)污染:注入離子純度高，能量單一。（質(zhì)量分析器；背景真空度高）④橫向擴(kuò)散?。河欣谄骷卣鞒叽绲目s小。⑤不受固溶度限制:原則上各種元素均可摻雜。⑥注入深度隨離子能量的增加而增加。（諸多優(yōu)點(diǎn)，使離子注入成為IC工藝的主要摻雜技術(shù)）缺點(diǎn)：①損傷(缺陷)較多:必須退火。②成本高4.1離子注入特點(diǎn)③無(wú)污染:注入離子純度高，能量單一。444.2離子注入設(shè)備原理離子注入設(shè)備結(jié)構(gòu)①離子源；②質(zhì)量分析器；③加速器；④偏束板；⑤掃描器；⑥靶室離子注入系統(tǒng)的原理示意圖4.2離子注入設(shè)備原理離子注入設(shè)備結(jié)構(gòu)離子注入系統(tǒng)的原理451.離子源作用：產(chǎn)生注入用的離子。原理：雜質(zhì)原子高能電子轟擊（電子放電）注入離子類型：高頻，電子振蕩，濺射2.磁分析器（質(zhì)量分析器）作用：將所需離子分選出來(lái)。原理：帶電離子在磁場(chǎng)中受洛倫磁力作用，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲。4.2離子注入設(shè)備原理1.離子源4.2離子注入設(shè)備原理463.加速器作用：使離子獲得所需的能量。原理：利用強(qiáng)電場(chǎng)，使離子獲得更大的速度。4.偏束板作用：使中性原子束因直線前進(jìn)不能達(dá)到靶室。原理：用一靜電偏轉(zhuǎn)板使離子束偏轉(zhuǎn)5o--8o作用再進(jìn)入靶室。4.2離子注入設(shè)備原理3.加速器4.2離子注入設(shè)備原理47⑤掃描器作用：使離子在整個(gè)靶片上均勻注入。方式：①靶片靜止，離子束在X,Y方向作電掃描。②粒子束在Y方向作電掃描，靶片在X方向作機(jī)械運(yùn)動(dòng)。③粒子束靜止，靶片在X,Y方向作機(jī)械運(yùn)動(dòng)。⑥靶室（工作室）：高溫靶（800℃），低溫靶（液氮溫度），冷卻靶（小于120℃）。4.2離子注入設(shè)備原理靶：被摻雜的材料。有晶體靶：Si片；無(wú)定形靶：SiO2、Si3N4、光刻膠等。無(wú)定形靶：可精確控制注入深度。⑤掃描器4.2離子注入設(shè)備原理靶：被摻雜的材料。有48能量損失機(jī)制核阻擋–與晶格原子的原子核碰撞–大角度散射（離子與靶原子質(zhì)量同數(shù)量級(jí)）–可能引起晶格損傷（間隙原子和空位）電子阻擋

–與晶格原子的自由電子及束縛電子碰撞–注入離子路徑基本不變–能量損失很少–晶格損傷可以忽略典型的注入能量：5-500keV4.3離子注入機(jī)理

-核阻擋與電子阻擋能量損失機(jī)制4.3離子注入機(jī)理

-核阻擋與電子阻擋494.3.1核阻擋本領(lǐng)Sn(E)

（能量為E的注入離子）Sn(E)=(dE/dx)n(dE/dx)n--核阻擋能量損失率.4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞4.3.1核阻擋本領(lǐng)Sn(E)4.3離子注入機(jī)理

-50①注入離子與靶原子的相互作用庫(kù)侖力F(r)=q2Z1Z2/r2勢(shì)能V(r)=q2Z1Z2/rZ1、Z2--核電荷數(shù)；r—距離。②考慮電子的屏蔽作用勢(shì)能V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a)f(r/a)--屏蔽函數(shù)；a--屏蔽參數(shù)；最簡(jiǎn)單（一級(jí)近似）：f(r/a)=a/r，則Sn=Sn0=常數(shù)（圖4.2，虛線）；更精確：托馬斯-費(fèi)米屏蔽函數(shù)（圖4.2，實(shí)線）。4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞①注入離子與靶原子的相互作用4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞514.3.2電子阻擋本領(lǐng)LSS模型：電子是自由電子氣，類似黏滯氣體。Se(E)=(dE/dx)e=CV=ke(E)1/2

(dE/dx)e

--電子阻擋能量損失率；V-注入離子速度；C-常數(shù)；ke-與Z1、Z2、M1、M2有關(guān)的常數(shù)：{對(duì)非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1；對(duì)非晶AsGa：ke≈3x103(eV)1/2μm-1；}4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞4.3.2電子阻擋本領(lǐng)4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與52注入離子的阻擋本領(lǐng)與注入能量關(guān)系注入離子的阻擋本領(lǐng)與注入能量關(guān)系534.3.3射程粗略估計(jì)LSS模型：引入簡(jiǎn)化的無(wú)量綱的能量參數(shù)ε和射程參數(shù)ρ，即

ρ=(RNM1M24πa2)/(M1+M2)2

ε=E0aM2/[Z1Z2q2(M1+M2)]N-單位體積的原子數(shù)；以dε/dρ–ε1/2作圖，得圖4.54.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞4.3.3射程粗略估計(jì)4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與54注入離子能量與阻擋本領(lǐng)

①高能區(qū)：電子阻擋占主要，核阻擋可忽略。②中能區(qū)：核阻擋占與電子阻擋相當(dāng)；③低能區(qū)：核阻擋占主要，電子阻擋可忽略；4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞注入離子能量與阻擋本領(lǐng)4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子554.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞臨界能量（交叉能量）Ene(Ec):

Sn(E)=Se(E)處的能量①Ene隨注入離子原子量的增加而增大。②輕離子，B:Ene≈15keV，重離子，P:Ene≈150keV。4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞臨界能量（交叉能量56射程R的粗略估算①注入離子初始能量E0>>Ene：Se(E)為主，則

R≈k1E01/2k1=2/ke{對(duì)非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1；對(duì)非晶AsGa：ke≈3x103(eV)1/2μm-1；}②注入離子初始能量E0<<

Ene：Sn(E)為主，且假設(shè)Sn(E)=Sn0，則R≈k2E04.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞射程R的粗略估算4.3離子注入機(jī)理

-核碰撞與電子碰撞574.4注入離子分布1.總射程R定義：注入離子在靶內(nèi)走過(guò)的路徑之和。R與E的關(guān)系：根據(jù)能量的總損失率，,式中，E0—注入離子的初始能量。4.4注入離子分布1.總射程R582.投影射程XP：總射程R在離子入射方向（垂直靶片）的投影長(zhǎng)度，即離子注入的有效深度。3.平均投影射程RP：投影射程XP的平均值（離子注入深度的平均值），具有統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律－幾率分布函數(shù)。4.4注入離子分布2.投影射程XP：4.4注入離子分布594.標(biāo)準(zhǔn)偏差（投影偏差）△RP—反映了RP的分散程度（分散寬度）5.R、RP及△RP間的近似關(guān)系,

M1—注入離子質(zhì)量，M2—靶原子質(zhì)量4.4注入離子分布4.標(biāo)準(zhǔn)偏差（投影偏差）△RP—反映了RP的分散程度（分散寬604.4.1注入離子縱向分布--高斯分布注入離子在靶內(nèi)不斷損失能量，最后停止在某處；注入離子按一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布。求解注入離子的射程和離散微分方程：距靶表面為x(cm)處的濃度分布為

---高斯函數(shù)

Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值濃度（在RP處），NS—注入劑量4.4注入離子分布4.4.1注入離子縱向分布--高斯分布4.4注入離子614.4注入離子分布4.4注入離子分布624.4.2橫向效應(yīng)①橫向效應(yīng)與注入能量成正比②是結(jié)深的30％－50％；③窗口邊緣的離子濃度是中心處的50％；4.4注入離子分布4.4.2橫向效應(yīng)4.4注入離子分布634.4.3溝道效應(yīng)(ionchanneling)非晶靶：對(duì)注入離子的阻擋是各向同性；單晶靶：對(duì)注入離子的阻擋是各向異性；溝道：在單晶靶的主晶軸方向呈現(xiàn)一系列平行的通道，稱為溝道。4.4注入離子分布4.4.3溝道效應(yīng)(ionchanneling)4.464溝道效應(yīng)：離子沿溝道前進(jìn)，核阻擋作用小，因而射程比非晶靶遠(yuǎn)的多。

好處：結(jié)較深；晶格損傷小。

不利：難于獲得可重復(fù)的濃度分布，使用價(jià)值小。減小溝道效應(yīng)的途徑①注入方向偏離晶體的主軸方向，典型值--70；②淀積非晶表面層（SiO2)；③在表面制造損傷層；④提高靶溫；⑤增大劑量。4.4注入離子分布溝道效應(yīng)：離子沿溝道前進(jìn)，核阻擋作用小，因而射程比非晶4.4654.5注入損傷離子注入的碰撞：彈性碰撞和非彈性碰撞①注入能量較高：與電子的非彈性碰撞為主；②注入能量較低：與靶原子核的彈性碰撞為主。4.3.1級(jí)聯(lián)碰撞

Ed:靶原子離開(kāi)其平衡位置所需的最低能量。ET:碰撞后靶原子獲得的能量。若ET<Ed：加劇靶原子的熱振動(dòng)，但不位移；若ET>Ed：靶原子位移，留下空位；若ET?Ed：位移原子（反沖原子）再與靶原子碰撞，產(chǎn)生級(jí)聯(lián)碰撞。4.5注入損傷離子注入的碰撞：彈性碰撞和非彈性碰撞664.3.2晶格損傷

①輕注入離子：如Ｂ，起始以電子碰撞為主；②重注入離子：如Ａｓ，起始以核碰撞為主。4.5注入損傷4.3.2晶格損傷

①輕注入離子：如Ｂ，起始以電子碰撞為67損傷密度例1：B離子，E0=80keV，Rp=250nm;已知:Si晶格間距為0.25nm；初始S（E）=35eV/nm；則ET=35X0.25=8.75eV<Ed=15eV，Si不位移；當(dāng)能量衰減為E=40keV（進(jìn)入約130nm）,S（E）=60eV/nm，則ET=60X0.25=15eV=Ed，Si位移，且位移2.5nm/次；設(shè)：每個(gè)晶面都有1個(gè)Si位移，則在B離子停止前，位移Si為120nm/0.25nm=480（個(gè)）設(shè)：Si位移2.5nm,則損傷體積為Vdam=π（2.5nm)2(120nm)=2.4X10-18cm3損傷密度=480/Vdam=2X1020cm-3(占相應(yīng)體積中所有原子的0.4%）

4.5注入損傷損傷密度4.5注入損傷68例2：As離子，E0=80keV，Rp=50nm，平均S（E）=1.2keV/nm1個(gè)As共產(chǎn)生約4000個(gè)位移SiVdam=π（2.5nm)2(50nm)=1X10-18cm3損傷密度=4000/Vdam=4X1021cm-3(占相應(yīng)體積中所有原子的8%）4.5注入損傷例2：As離子，E0=80keV，Rp=50nm，平均S（E694.5.3非晶層的形成隨注入劑量的增加，原先相互隔離的損傷區(qū)發(fā)生重疊，最終形成長(zhǎng)程無(wú)序的非晶層。臨界劑量－形成非晶層所需的最小注入離子劑量；臨界劑量與注入離子質(zhì)量成反比。靶溫－靶溫越高，損傷越輕。4.5注入損傷4.5.3非晶層的形成4.5注入損傷704.6注入退火離子注入所形成的損傷有：①散射中心：使遷移率下降；②缺陷中心：非平衡少子的壽命減少，漏電流增加；③雜質(zhì)不在晶格上：起不到施主或受主的作用。退火目的：消除注入損傷，