离子注入(PDF课件)

1. 杂质纯度高 杂质纯度高且在真空环境中进行， 且在真空环境中进行，污染降至最低； 污染降至最低； 2. 晶片的掺杂完全处于受控状态， 晶片的掺杂完全处于受控状态，并精确控制 并精确控制掺入基片内杂质 掺入基片内杂质 的浓度分布和注入深度 浓度分布和注入深度； ；适宜于高浓度、浅结掺杂 适宜于高浓度、浅结掺杂或者 或者低浓 低浓 度、具有特殊浓度分布的掺杂 (特别是突变型分布 特别是突变型分布) ； ； 3. 杂质浓度不受固溶度的限制 杂质浓度不受固溶度的限制；灵活多样，适应性强。 ；灵活多样，适应性强。 4.低温工艺 4. 低温工艺( (硅靶为室温或低于400 400℃ ℃)，可避免高温扩散引起的 热缺陷。 5.可实现 5. 可实现选择性掺杂 选择性掺杂，掩蔽膜的选择范围更宽( 氮化硅、光刻 胶、铝膜、 金膜等)；也可通过SiO 胶、铝膜、金膜等 SiO2 膜实现 膜实现覆盖注入 覆盖注入，并 ，并保护硅 保护硅 片表面。 6. 由于注入离子的直射性， 由于注入离子的直射性，杂质的横向扩散较小 杂质的横向扩散较小（约 （约0.5） ）。 。
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分析： 分析：重离子与轻离子
右图为
dE | 与 E的关系曲线 dR n
dE | dR
P Ase
n
Asn
1173 477
三、 注入深度 射程：指从离子进入靶起到停止点所走的路径的总路径。
从能量的观点来看，就是离子能量由进入靶时的E 从能量的观点来看，就是离子能量由进入靶时的 E0减小 到接近于 0时的过程。 用R可来表示： R l 1 l 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 在低能 在低能范围内 范围内 ,当E 0 <Ene 时， 时， 靶核的阻止作用占主要优势 靶核的阻止作用占主要优势， ， 电子阻止作用可忽略。 电子阻止作用可忽略。 在高能 高能范围内 范围内,,当 当E0 >Ene 时， 0 >E 电子的阻止作用占主要优势 , 核阻止作用可忽略。
k e NE源自电子阻挡本领和电子阻止能量损失率均与能量 电子阻挡本领和电子阻止能量损失率均 与能量E有关 有关。 。
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在 在低能 低能范围内 范围内,以核阻止为主 为主；在 ；在高能 高能的范围内 的范围内, 以电子阻止 为主。 为主。在 在中等能量范围内， 中等能量范围内，核阻止 核阻止和 和电子阻止都必须考虑 都必须考虑。 。
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实际上，核阻挡本领与核阻止能量损失率均与能量 实际上，核阻挡本领与核阻止能量损失率均与能量E 有如下关系。 有如下关系。
库仑引力和电子 的屏蔽函数 的屏蔽函数
电子阻挡机构
入射离子 入射离子与 与电子相碰后，由于离子质量比电子的质量 电子相碰后，由于离子质量比电子的质量 大几个数量级，故在一次碰撞后离子能量损失较少， 大几个数量级，故在一次碰撞后离子能量损失较少， 散射角也很小，可认为其运动方向不变 散射角也很小，可认为其运动方向不变。 。
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电子阻止能量损失率：
dE dR
e
k e
E
(keV/ m)
式中kee是与入射离子和靶材料有关的比例系数，可表示为：
1 ×10 3 (eV) 1/2 m -1 (对于 Si ) k e 3 ×10 3 (eV) 1/2 m -1 ( 对于 GaAs )
可见， 可见，在低能范围内， 在低能范围内，核阻挡本领与核阻止能量损失 率较高； 率较高；随 随E增加， E增加，核阻挡本领与核阻止能量损失率 逐渐减小。 逐渐减小。
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利用电子气模型,认为 利用电子气模型 认为离子 离子进入 进入靶内 靶内受到来自电子的阻 受到来自电子的阻 力与子弹 力与 子弹通过 通过气体 气体受到来自气体分子的阻力相似，则 受到来自气体分子的阻力相似，则 电子能量损失率应与其速度(粒子能量的方根 粒子能量的方根)成正比。
— —— — 称为 称为核阻止能量损失率 核阻止能量损失率。 。
根据能量守恒定律和库仑引力的屏蔽作用得到 得到 核阻挡本领为： 核阻挡本领为：
S n S0 2 .8 10
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假设入射离子的原子序数为 Z1 ，质量为M M1，能量为 能量为E； ； 1， 固体靶的原子密度为N N、原子序数为 原子序数为Z Z2、质量为M2； 入射离子进入靶内经过一个微小的位移段dR， ，该入射离 子和NdR个靶核碰撞而失去的能量为 个靶核碰撞而失去的能量为-dE|n dE|n，则 ，则平均每个 平均每个 靶原子对入射离子的核阻挡作用称为阻挡本领 S(E)：
1 dE Se ( E ) N dR
e
解析计算结果
托马斯--费密屏 费密屏 蔽函数 蔽函数
数值模拟结果
— — 称为电子阻挡本领，
表示靶中平均每个电子对入射离子阻挡作用的强弱。 表示靶中平均每个电子 对入射离子阻挡作用的强弱。 dE 称为电子阻止能量损失率 电子阻止能量损失率。 。 e — — 称为 dR
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硅靶 靶 原子
dE/dR~E关系曲线 dE/dR~E 关系曲线
As
n
E
入射离子
E E0
ll1 ll6
ll2 l3 ll7 ll5 l4 4
dE
dR
dE dR
P
n
dE dR
B
n
e
随Z Z1周期性单调增加 周期性单调增加(B在P、As之上)。 。
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重离子以 重离子以核阻止为主， 核阻止为主，轻离子 轻离子以 以电子阻止 电子阻止为主。 为主。
硅靶 靶原子 入射离子
ll1 l2
射程分布：
单个离子在靶中的射程是随机过 程，其分布是杂乱无章的。 程，其分布是杂乱无章的。 当大量离子注入到靶内以后，射 当大量离子注入到靶内以后，射 程表现出一定的分布规律。 程表现出一定的分布规律。
为了表示这种统计性质，引入 几率分布函数 g(E,x g(E,xp) )，
离子注入行程示意图
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(投影) R在靶片法线方向上的投 在靶片法线方向上的投 )射程：离子所经历的总路程R 影长度。它 反映了离子注入靶中的有效深度( 影长度。它 (用 xp表示)。 对低能重离子，进入靶内以 对低能重离子 ，进入靶内以核阻止作用为主 核阻止作用为主，核碰撞时的 ，核碰撞时的 散射角较大，所以离子所经路径为曲折路径（图1 散射角较大，所以离子所经路径为曲折路径（图 1）。 对高能轻离子，在最初的一段时间内 对高能轻离子，在最初的一段时间内, ,以电子的阻止作用为 电子的阻止作用为 主，离子的轨迹接近于 主，离子的轨迹接近于一条直线；随着能量的不断损失， 一条直线；随着能量的不断损失， 核阻止作用又显著起来，运动轨迹又变成了折线 核阻止作用又显著起来，运动轨迹又变成了折线（图 （图2 2）。
二、能量损失机构种类 二、能量损失机构 种类 核阻挡机构
核阻挡机构与电子阻挡机构
1 dE S n ( E ) N dR
n
— — 称为 称为核阻挡本领 核阻挡本领， ，
表示平均每个靶原子核 表示平均 每个靶原子核对入射离子阻挡作用的强弱。 对入射离子阻挡作用的强弱。
dE dR
n
由于靶原子的 原子核与入射离子的质量一般属于同一数 量级，每次碰撞之后，入射离子的运动方向将产生较大 量级，每次碰撞之后，入射离子的运动方向将 产生较大 角度的散射，并失去一定的能量； 同时，靶原子核 同时， 靶原子核因碰撞而获得能量，如果获得的能量大 因碰撞而获得能量，如果获得的能量大 于原子束缚能，就会离开原来所在位置，进入晶格间 隙，并留下一个空位，形成缺陷。
g( E , x p )dx p 1 g(E,xp) 必须满足条件： 0

硅 硅靶 靶 原子 入射离子
l33 l7 l5 l44
根据g(E,xp) 得到射程分布的4 4个特征量：
1 平均投影射程 RP— —— — 反映离子注入的平均深度； 2 标准偏差 标准偏差△ △ RP — — 反映射程的 反映射程的分散程度； 分散程度； 3 偏斜度γ γ1 — — 反映分布的对称性； 对称性； 4 峭度β β2 — — 反映分布的 反映分布的顶部尖蜂特征。 顶部尖蜂特征 。
5.2 离子注入的能量损失机构
一、能量损失机构 一、能量损失机构模型 1. 假设从离子注入机出来的高 假设从离子注入机出来的高
能离子投射到靶表面后，其中 绝大部分都会进入靶内。 绝大部分 都会进入靶内。 2. 进去的离子不断受到靶原子 进去的离子不断受到靶原子 的阻挡作用 阻挡作用， ，逐步损失能量， 逐步损失能量， 最终能量耗尽，停止在靶内某 处。 处。 3. 靶原子的 靶原子的原子核和核外电子 原子核和核外电子 因质量不同，它们对入射离子 因质量不同，它们 对入射离子 的阻挡作用也不同。 的阻挡作用也不同 。
MOS 型IC 1.源漏的自对准掺杂 2.场注入 3.调整MOS管的阈值电压 4. CMOS阱的形成 5.形成浅结或电阻
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第5章
低温掺杂技术
— — 离子注入
2010 · 春
西安理工大学电子工程系 王彩琳
双极型 IC 1. 形成基区 2. 形成发射区 3. 埋层 4. 肖特基二极管 5. 电阻((扩散)
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硅 硅靶
入射杂质 离子
靶 靶原子 原子
杂质进入靶中的情况
说明：1. 1.离子注入需要注入机， 离子注入需要注入机，设备昂贵。 设备昂贵。
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2.高能离子注入会 高能离子注入会引入晶格损伤 引入晶格损伤,, 通过 通过退火 退火来消除 来消除。 。 5
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半导体工艺原理
内 容 简 介
离子注入掺杂 是将 是将掺杂剂通过离子注入机的 通过离子注入机的离