离子注入

硅中常用杂质的临界角
上：（111）
下：（100）
3. 离子与衬底原子的相互作用
注入离子与衬底原子的相互作用，决定了注入离子的 分布、衬底的损伤。 注入离子与靶原子的相互作用，主要有离子与电子的相 互作用，称为电子阻止和离子与核的相互作用，称为核阻 止。核阻止主要表现为库仑散射。
电子阻止在每单位长度上的能量损失可表示为能量梯度， 其中 ke 是与离子和靶物质有关的比例常数：
模型处理库仑散射。
符合动量守恒、 能量守恒和角 动量守恒。 在质心坐标系中有：
库仑散射的能量损失
动量守恒
P0 Pi P
t
角动量守恒 L 0 L i L t
能量守恒
L 0 P0 b Pt
2
P0
2

Pi
2

i
2
2m i 2m 注入离子的能量损失为：
ΔE E 0 (1
2m
t
sin
全电扫描和混合扫描系统示意
全电 扫描
混合 扫描
离子束的偏转
离子在注入到硅片前，一般需要作二次偏转，目的是：
1.去除中性原子
在离子束的传输过程中，由于离子与残余气体分子的 碰撞等原因，离子俘获电子成中性原子，以原来的高速 度与离子一起运动。因为中性原子不带电，如果通过法 拉第电荷测量系统注入硅片，将会使实际注入剂量超出 设定剂量。所以为了保证注入剂量的正确，必须从注入 束中去除中性原子。方法是在X扫描板上加上固定的直流 偏压，带电的离子束将向负电板方向偏转。一般将根据 扫描板与法拉第筒的距离偏转角5-7°。使中性束完全不 能进入法拉第电荷测量系统。
i
1.一次矩是归一化剂量； 2.二次矩是剂量和RP2 的乘积； 3.三次矩表示了分布的非对称性，用偏斜度 表示， = m3/ RP3 ， <0 表示x <RP侧的浓度增加。 B+ 注 入要用Pearson Ⅳ型分布描述。
分布的高次矩
4. 四次矩与高斯峰值的畸
变有关，畸变用峭度 表示： = m4/ RP4 高斯分布的峭度为3， 峭度越大，高斯曲线顶 部越平。 、 可用蒙特卡罗模 拟得到，也可测量实际 分布曲线拟合得出。
a 高斯分布
b 负偏斜度 c 大陡度
5. 注入损伤
离子注入衬底单晶与衬底原子作级联碰撞，产生大 量的位移原子，注入时产生的空位、填隙原子等缺陷称 为一次缺陷。在剂量达到一定数值后，衬底单晶非晶化， 形成无定型结构。使衬底完全非晶化的注入剂量称为阈 值剂量。不同衬底和不同的注入离子，在不同的能量、 剂量率和不同温度下有不同的非晶剂量。轻原子的大、 重原子的小；能量低大，能量高小；衬底温度低大，衬 底温度高小。当衬底温度高于固相外延温度时，可以一 直保持单晶。
微电子工艺原理与技术
李 金 华
第二篇
单项工艺1
华山风光
第四章
离子注入
主要内容
1. 什么是离子注入？ 2. 离子注入机的结构原理； 3. 注入离子与衬底原子的相互作用； 4. 垂直投影射程及标准偏差；
5. 注入损伤及退火恢复；
6. 离子注入浅结的形成； 7. SOI埋成的离子注入合成； 8. 问题和关注点-沾污和均匀性； 9. 理论模拟。
对质量为m的离子，偏转半径为R，当质量为m+m的离 子，进入磁分析器后，离子束将产生的位移距离为：
D R δm 2 m (1 cos φ L R sin φ )
当D大于束的宽度 加上出口狭缝的宽 度，就称两种质量 离子能分。通常采 用 =90磁铁，R 在1m左右。R大、 M小时分辨率高。
离子注入工艺的特点
1.低温工艺 2.注入剂量可精确控制 3.注入深度可控
4.不受固溶度限制
5.半导体掺杂注入需要退火以激 活杂质和消除损伤
6.材料改性注入可不退火引入亚稳态获得特殊性能
7.无公害技术 8.可完成各种复合掺杂
离子注入的应用
1.P阱或N阱注入 ~10E12/cm2 2.阈值调整注入 ~10E11/cm2 3.场注入 ~10E12/cm2 4.源漏注入 ~10E15/cm2 5.隔离注入 ~10E15/cm2 6.基区注入 ~10E12/cm2 7.发射、收集区注入 ~10E15/cm2 8.智能剥离氢注入 ~10E16/cm2 9.材料改性注入 ~10E16/cm2 10. SOI埋层注入 ~10E17-10E18/cm2
高能P阱注入机
2keV - 900keV
国产多功能离子改性注入机
无分析器
气体
金属 辅助 溅射 四种离子源
全方位离子注入
离子源的种类
1.潘宁源 在阴极-阳极间起弧电离源气分子，获得等 离子体，适合小束流气体离子注入 2.热灯丝源（Freeman源） 靠灯丝发射电子激发等离子 体，适合无氧气体离子的中小束流注入 3.溅射源 对Ar离子溅射出的金属离子起弧电离，获得 等离子体，适合小束流高熔点金属离子注入 4.蒸发源 对金属蒸汽起弧电离形成等离子体，适合低 熔点金属离子注入
沟道效应及避免方法
2. 防止沟道效应
对单晶材料的轴沟道和面沟道，由于散射截面小， 注入离子可以获得很深的穿透深度，称为沟道效应。为 了尽可能避免沟道效应，离子束在注入硅片时必须偏离 沟道方向约7°。通常，这种偏转是用倾斜硅片来实现。
离子束

（100）Si
沟道效应示意
沟道效应及避免方法
沟道临界角，即理论上会产生沟道效应的最大角度：
E qV 1 2 mv ,
2
v
2qV m
经过磁场强度为B、方向与离子运动方向垂直的分析腔， 受到洛仑兹力qvB，该力使离子作圆周运动。有：
mv r
2
qvB, r
mv qB

1 B
2m q
V ,B
1 r
2V
m q
可见，偏转半径r与B成反比，与m成正比。对固定的离 子注入机，分析器半径r和吸出电压固定，调节B的大小 （励磁电流）即可分析出不同荷质比的离子。
5. MEVVA源（金属蒸汽真空弧离子源）新型的强流金属 离子源，适合材料改性的无分析注入
Varian 注入机离子源
大束流离子源（160XP）
中束流离子源（CF-3000）
Eaton注入机 离子源
大束流离子源（8-10mA）
中束流离子源（NV-6200）
蒸发离子源的结构
磁分析器原理
设吸出电压为V，对电荷q的正离子，能量为qV(eV)。
离子束的加速和扫描
对先加速后分析系统，由于待分析离子的能量高，要 求分析器有很大的半径。通常采用先分析后加速结构。加 速系统使离子获得需要的注入能量。 为了获得均匀的掺杂，常把注入束聚焦，并扫描，中、 小束流离子注入机X和Y方向都采用电扫描，大束流注入 机则采用混合扫描。大束流材料改性离子注入机采用无分 析系统，吸出离子束不聚焦，面积很大（直径在150mm200mm），没有扫描和偏转系统，采用靶台转动来提高 均匀性。对全方位离子注入机，样品的周围全部由等离子 体包围，适当转动样品使注入均匀性提高。
BF3气源磁分析质谱
磁分析器的分辨率
注意： 同一荷质比的离子有相同的偏转半径，磁分析 器无法作出区分。要求源气有很高的纯度，尽量避免相 同荷质比离子出现。如：N2+ 和Si+，N+ 和Si++ ，H2+ 和He++等。 影响分辨率的还有： 1.吸出前源内离子的能量分散 对几keV的吸出电压， 10eV左右的分散度可以忽略。 2.分析腔的出口宽度 分析腔的出口宽度实际上改变 了出射离子的半径，从而改变了荷质比。
Se
dE dx
e
ke E
ke
Z i Z t (M i M t ) MiMt3Biblioteka 3/2Zi Zt
2/3
2/3
Zi和Zt分别是注入离子和靶原子的核电荷数。
库仑散射
注入离子与靶原子核的相互作用，主要表现为库仑散射， b 为碰撞参数定义为不发生散射时两原子核接近的最小 距离。 利用靶离子加外电子
1.什么是离子注入？
离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面， 这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从 固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这 些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固 体材料以后，离子束与材料中的原子或分子将发生一 系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能 量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构 和性能发生变化，这一现象就叫做离子注入。 离子 注入可分为半导体离子注入（掺杂）、材料改性注入 （金属离子注入）和新材料合成注入。
先加速后分析注入机结构示意
离子注入系统的原理示意图
国产中束流离子注入机
Vll Sta 810XEr 中束流注入机
20-80KeV 400-500W/h
Vll Sta 80HP 300mm 大束流注入机
1-80KeV FOR 90nm IC process
VIISta 900XP 高能注入机
各种杂质注入Si的电子阻止和核阻止
4.平均投影射程及标准偏差
当Se 和Sn已知，得到投影射程和标准偏差如下：
RP

RP
0
dx

0 E0
dE de/dx


0 E0
dE Sn Se
ΔR
P
M iM t RP 3 Mi Mt 2
实际上关于电子阻止和核阻止的经典模型有LSS （Linhard，Scharff，Schictt）理论给出，相关的投影 射程和标准偏差也用数值计算给出。该理论结果与实际 测量值十分吻合。通常可用查表得到。
cos θosθ cos sin θ
)
可见，注入离子单次散射的能量损失与入射能量 成正比，与散射角（离子质量和碰撞参数）有关。