第五章-離子注入-課件

第五章

離子注入ppt課件1有關(guān)擴(kuò)散方面的主要內(nèi)容

費(fèi)克第二定律的運(yùn)用和特殊解

特征擴(kuò)散長(zhǎng)度的物理含義

非本征擴(kuò)散

常用雜質(zhì)的擴(kuò)散特性及與點(diǎn)缺陷的相互作用

常用擴(kuò)散摻雜方法

常用擴(kuò)散摻雜層的質(zhì)量測(cè)量Distribution

accordingto

errorfunctionDistribution

accordingto

Gaussian

functionppt課件2第五章

離子注入實(shí)際工藝中二步擴(kuò)散第一步 為恒定表面濃度的擴(kuò)散（Pre-deposition）（稱(chēng)為預(yù)沉積或預(yù)擴(kuò)散）控制摻入的雜質(zhì)總量第二步 為有限源的擴(kuò)散（Drive-in），往往同時(shí)氧化（稱(chēng)為主擴(kuò)散或再分布）控制擴(kuò)散深度和表面濃度第五章

離子注入ppt課件3當(dāng) 時(shí)，最后的雜質(zhì)濃度分布可近似為二步擴(kuò)散的兩種極端情況GaussiandistributionGaussian

or

normaldistribution第五章

離子注入ppt課件4什么是離子注入離化后的原子在強(qiáng)電場(chǎng)的加速作用下，注射進(jìn)入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)離子注入的基本過(guò)程將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電的離子在強(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得較高的動(dòng)能后，射入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)第五章

離子注入ppt課件第五章

離子注入離子注入特點(diǎn)各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度可通過(guò)精確控制摻雜劑量（1011-1018cm-2）和能量（1-400

keV）來(lái)達(dá)到平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（1%

variation

across

an

8’’

wafer）表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度

或深結(jié)高濃度注入元素可以非常純，雜質(zhì)單一性可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻膠、介質(zhì)；可防止玷污，自由

度大低溫過(guò)程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高溫過(guò)程引起的熱擴(kuò)散橫向效應(yīng)比氣固相擴(kuò)散小得多，有利于器件尺寸的縮小會(huì)產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進(jìn)設(shè)備相對(duì)復(fù)雜、相對(duì)昂貴（尤其是超低能量離子注入機(jī)）有不安全因素，如高壓、有毒氣體ppt課件

6磁分析器離子源加速管聚焦掃描系統(tǒng)靶r2BF3：B++，B+，BF

+，F(xiàn)+,

BF+，BF++B10B11第五章

離子注入ppt課件源（Source）：在半導(dǎo)體應(yīng)用中，為了操作方便，

一般采用氣體源，如

BF3，BCl3，PH3，ASH3等。如用固體或液體做源材料，一般先加熱，得到它們的蒸汽，再導(dǎo)入放電區(qū)。b)

離子源（Ion

Source）：燈絲（filament）發(fā)出的自由電子在電磁場(chǎng)作用下，獲得足夠的能量后撞擊源分子或原子，使它們電離成離子，再經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器氣體源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，...離子源：As，Ga，Ge，Sb，P，...ppt課件8第五章

離子注入離子注入過(guò)程是一個(gè)非平衡過(guò)程，高能離子進(jìn)入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失能量，最后停下來(lái)。停下來(lái)的位置是隨機(jī)的，大部分不在晶格上，因而沒(méi)有電活性。第五章

離子注入ppt課件9注入離子如何在體內(nèi)靜止？LSS理論——對(duì)在非晶靶中注入離子的射程分布的研究1963年，Lindhard,

Scharff

and

Schiott首先確立了注入

離子在靶內(nèi)分布理論，簡(jiǎn)稱(chēng)

LSS理論。該理論認(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)立的過(guò)程核阻止（nuclear

stopping）電子阻止 （electronic

stopping）總能量損失為兩者的和ppt課件10第五章

離子注入核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)-LSS理論阻止本領(lǐng)（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和電子阻止所損失的能量

(Sn(E),Se(E)

)。核阻止本領(lǐng)：來(lái)自靶原子核的阻止，經(jīng)典兩體碰撞理論。電子阻止本領(lǐng)：來(lái)自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。ppt課件11第五章

離子注入-dE/dx：能量隨距離損失的平均速率E：注入離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x處的能量Sn(E)：核阻止本領(lǐng)/截面(eVcm2)Se(E)：電子阻止本領(lǐng)/截面（eVcm2)N:靶原子密度～5×1022

cm-3

for

SiLSS理論能量E的函數(shù)ppt課件12能量為E的入射粒子在密度為N的靶內(nèi)走過(guò)x距離后損失的能量第五章

離子注入核阻止能力的一階近似為：例如：磷離子Z1

=15,m1

=31

注入硅

Z2

=14,

m2

=28,計(jì)算可得：Sn

~

550

keV-μm2m——質(zhì)量，Z——原子序數(shù)下標(biāo)1——離子，下標(biāo)2——靶核阻止本領(lǐng)注入離子與靶內(nèi)原子核之間兩體碰撞兩粒子之間的相互作用力是電荷作用對(duì)心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移：第五章

離子注入13摘自J.F.Gibbons,Proc.IEEE,Vol.56

(3),

March,1968,

p.295ppt課件第五章

離子注入ppt課件14電子阻止本領(lǐng)把固體中的電子看成自由電子氣，電子的阻止就類(lèi)似于粘滯氣體的阻力（一階近似）。電子阻止本領(lǐng)和注入離子的能量的平方根成正比。非局部電子阻止局部電子阻止不改變?nèi)肷潆x子運(yùn)動(dòng)方向ppt課件15電荷/動(dòng)量交換導(dǎo)致入射離子運(yùn)動(dòng)方向的改變（<核間作用）第五章

離子注入總阻止本領(lǐng)（Total

stopping

power）核阻止本領(lǐng)在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）核阻止和電子阻止相等的能量第五章

離子注入16電子阻止本領(lǐng)在高能量下p起pt課件主要作用離子

E2B 17

keVP 150keVAs,

Sb

>500

keVnnne第五章

離子注入17ppt課件表面處晶格損傷較小射程終點(diǎn)（EOR）處晶格損傷大第五章

離子注入R：射程（range）

離子在靶內(nèi)的總路線長(zhǎng)度

Rp：投影射程（projected

range）

R在入射方向上的投影ΔRp：標(biāo)準(zhǔn)偏差（Straggling），投影射程的平均偏差

ΔR⊥：橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差（Traverse

straggling）,垂直于入射方向平面上的標(biāo)準(zhǔn)偏差。射程分布：平均投影射程Rp，標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔRp，橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔR⊥非晶靶中注入離子的濃度分布第五章

離子注入ppt課件

19ΔRpΔR⊥高斯分布RpLog（離子濃度）離子入射z注入離子的二維分布圖第五章

離子注入投影射程Rp:RpΔRpΔR⊥RpΔRpΔR⊥RpΔRpΔR⊥第五章

離子注入21ppt課件注入離子的濃度分布在忽略橫向離散效應(yīng)和一級(jí)近似下，注入離子在靶內(nèi)的縱向濃度分布可近似取高斯函數(shù)形式200keV

注入元素原子質(zhì)量Sb122As74P31B11Cp第五章

離子注入由ppt課件23，可以得到：∴Q：為離子注入劑量（Dose）,單位為ions/cm2，可以從測(cè)量積分束流得到第五章

離子注入Q可以精確控制例如：當(dāng)A＝20×20

cm2，I＝0.1

μA時(shí)，而對(duì)于一般NMOS的VT調(diào)節(jié)的劑量為：B＋

1-5×1012

cm-2注入時(shí)間為~30分鐘對(duì)比一下：如果采用預(yù)淀積擴(kuò)散（1000

°C），表面濃度為固溶度1020

cm-3時(shí)，D～10-14

cm2/s每秒劑量達(dá)1013/cm2A為注入面積，I為硅片背面搜集到的束流（FaradyCup），t為積分時(shí)間，q為離子所帶的電荷。I＝0.01μA～mA第五章

離子注入ppt課件24常用注入離子在不同注入能量下的特性平均投影射程Rp標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔRp第五章

離子注入25ppt已知注入離子的能量和劑量，估算注入離子在靶中的濃度和結(jié)深ppt課件26第五章

離子注入【解】1)從查圖或查表得

Rp=4289?=0.43μmΔRp=855

?=0.086

μm峰值濃度Cp=0.4Q/ΔRp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019

cm-3襯底濃度CB＝2×1016

cm-3∴xj=0.734

μm2)注入的總離子數(shù)Q＝摻雜劑量×硅片面積＝5×1014×[π(15/2)2]=8.8×1016

離子數(shù)I＝qQ/t＝[(1.6×10－19C)(8.8×1016)]/60

sec=0.23

mA第五章

離子注入ppt課件27注入離子的真實(shí)分布真實(shí)分布非常復(fù)雜，不服從嚴(yán)格的高斯分布當(dāng)輕離子硼（B）注入到硅中，會(huì)有較多的硼離子受到大角度的散射（背散射），會(huì)引起在峰值位置與表面一側(cè)有第五章離子注入28較多的離子堆積；重離子散ppt射課件得更深。橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)指的是注入離子在垂直于入射方向平面內(nèi)的分布情況ΔR⊥

（μm）第五章離子注入橫向效應(yīng)影響MOS晶體ppt課件

管的有效溝道長(zhǎng)度。

2935keVAs注入120keVAs注入第五章離子注入30ppt課件注入掩蔽層——掩蔽層應(yīng)該多厚？如果要求掩膜層能完全阻擋離子xm為恰好能夠完全阻擋離子的掩膜厚度pR

*為離子在掩蔽層中的平均射程，ΔR

*為離子在掩蔽層中p的射程標(biāo)準(zhǔn)偏差第五章

離子注入31解出所需的掩膜層厚度：穿過(guò)掩膜層的劑量：余誤差函數(shù)第五章

離子注入32ppt課件離子注入退火后的雜質(zhì)分布Dt

?

D0t0＋Dt一個(gè)高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值濃度發(fā)生改變。第五章

離子注入33ppt課件離子注入的溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)（Channeling

effect）當(dāng)離子沿晶軸方向注入時(shí)，大部分離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)，幾乎不會(huì)受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠(yuǎn)。第五章

離子注入34ppt課件110111100第五章

離子注入35ppt課傾件斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無(wú)序方向濃度分布由于溝道效應(yīng)的存在，在晶體中注入將偏離LSS理論在非晶體中的高斯分布，濃度分布中出現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的“尾巴”產(chǎn)生非晶化的劑量沿<100>的溝道效應(yīng)第五章

離子注入36ppt課件表面非晶層對(duì)于溝道效應(yīng)的作用Boron

implantinto

SiO2Boron

implantinto

Si第五章

離子注入ppt課件減少溝道效應(yīng)的措施對(duì)大的離子，沿溝道軸向(110)偏離7－10o用Si，Ge，F(xiàn)，Ar等離子注入使表面預(yù)非晶化，ppt課件38形成非晶層（Pre-amorphization）增加注入劑量（晶格損失增加，非晶層形成，溝道離子減少）表面用SiO2層掩膜第五章

離子注入典型離子注入?yún)?shù)離子：P，As，Sb，B，In，O

劑量：1011~1018

cm-2能量：1–

400

keV可重復(fù)性和均勻性:

±1%溫度：室溫流量：1012-1014

cm-2s-1ppt課件39第五章

離子注入什么是注入損傷晶格損傷：高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列碰撞，可能使靶原子發(fā)生位移，被位移原子還可能把能量依次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的空位－間隙原子對(duì)及其它類(lèi)型晶格無(wú)序的分布。這種因?yàn)殡x子注入所引起的簡(jiǎn)單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱(chēng)為晶格損傷。(Si)Si→SiI

+

SiV第五章

離子注入ppt課件40EOR

damage第五章

離子注入Courtesy

Anppnt課-件Chatrin

Lindberg(March

20401

2).損傷的產(chǎn)生ppt課件42移位原子：因碰撞而離開(kāi)晶格位置的原子。移位閾能Ed：使一個(gè)處于平衡位置的原子發(fā)生移位，所需的最小能量.

(對(duì)于硅原子,Ed≈15eV)注入離子通過(guò)碰撞把能量傳給靶原子核及其電子的過(guò)程，稱(chēng)為能量傳遞過(guò)程第五章

離子注入移位原子的估算入射離子在碰撞過(guò)程中傳遞給靶原子的能量Ed<

E<2Ed時(shí)，只能使一個(gè)原子移位。只有當(dāng)能

量>

2Ed時(shí)，才能增加移位原子的數(shù)目。估算一個(gè)以起始能量E0入射的離子，在碰撞過(guò)程中可以使靶內(nèi)原子移位的數(shù)目N(E)為第五章

離子注入ppt課件43損傷區(qū)的分布質(zhì)量較靶原子輕的離子傳給靶原子

能量較小，被散射角度較大，只能

產(chǎn)生數(shù)量較少的位移靶原子，因此，注入離子運(yùn)動(dòng)方向的變化大，產(chǎn)生

的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較

大。呈鋸齒狀。重離子每次碰撞傳輸給靶的能量較

大，散射角小，獲得大能量的位移

原子還可使許多原子移位。注入離

子的能量損失以核碰撞為主。同時(shí)，

射程較短，在小體積內(nèi)有較大損傷。重離子注入所造成的損傷區(qū)域小，損傷密度大。ppt課件44第五章

離子注入非晶化（Amorphization）注入離子引起的晶格損傷有可能使晶體結(jié)構(gòu)完全破壞變?yōu)闊o(wú)序的非晶區(qū)。與注入劑量的關(guān)系注入劑量越大，晶格損傷越嚴(yán)重。臨界劑量：使晶格完全

無(wú)序的劑量。臨界劑量和注入離子的質(zhì)量有關(guān)第五章

離子注入ppt課件損傷退火 （Damage

Annealing）被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位置，對(duì)載流子的輸運(yùn)沒(méi)有貢獻(xiàn)；而且也造成大量損傷。注入后的半導(dǎo)體材料：雜質(zhì)處于間隙

n<<ND；p<<NA晶格損傷，遷移率下降；少子壽命下降

熱退火后：n↑

→

n=ND

(p=NA)μ↑

→

μbulk第五章

離子注入46τ

↑

→

τ0ppt課件損傷退火的目的去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復(fù)其原有完美晶體結(jié)構(gòu)讓雜質(zhì)進(jìn)入電活性（electrically

active） 位置－替位位置?；謴?fù)電子和空穴遷移率注意：退火過(guò)程中應(yīng)避免大幅度的雜質(zhì)再分布第五章

離子注入47ppt課件損傷恢復(fù)機(jī)制（Damage

Recovery

Mechanism）Annihilation:

recombinationSiI

+SiV

→

(Si)SiFrenkel

I-V

pairs第五章

離子注入Monte

Carlo模擬的I-V

復(fù)合結(jié)果：短時(shí)間內(nèi)（10-2秒）800

°C下，體內(nèi)的V

在表面復(fù)合迅速完成，產(chǎn)生剩余的I

，其表面復(fù)合相對(duì)較緩慢。在400°C以上，這些I可接合入{311}面形成棒/帶狀缺陷，并可以穩(wěn)定較長(zhǎng)時(shí)間。ppt課件

48

該{311}缺陷帶在較高溫度下（800～1000

°C）即可退火修復(fù)，但是釋放出大量填隙原子I。

損傷小于臨界值，這些{311}缺陷可以完全分解，回復(fù)完美晶體。

損傷高于臨界值，則{311}缺陷可能變成穩(wěn)定的位錯(cuò)環(huán)，TED漏電流大第五章

離子注入49該位錯(cuò)環(huán)位于EOR，并難以去ppt除課件。a)

退火一定溫度下，通常在Ar、N2或真空條件下退火溫度取決于注入劑量及非晶層的消除。修復(fù)晶格：退火溫度600

oC以上，時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)小時(shí)雜質(zhì)激活：退火溫度650－900

oC，時(shí)間10－30分鐘ppt課件50a)方法簡(jiǎn)單不能全部消除缺陷*對(duì)高劑量注入激活率不夠高雜質(zhì)再分布第五章

離子注入b）快速熱退火，Rapid

Thermal

Processing（RTP）。高功率激光束輻照。電子束。高強(qiáng)度的光照。其它輻射RTP主要優(yōu)點(diǎn)是摻雜的再分布大大降低，對(duì)制備淺結(jié)器件特別有利第五章

離子注入ppt課件51第五章

離子注入ppt課件52離子注入在集成電路中的應(yīng)用一、CMOS制造ppt課件