半导体工艺与制造技术习题答案(第四章 离子注入)

第四章 离子注入与快速热处理

1.下图为一个典型的离子注入系统。

（1）给出1-6数字标识部分的名称，简述其作用。

（2）阐述部件2的工作原理。

答：（1）1：离子源，用于产生注入用的离子；

2：分析磁块，用于将分选所需的离子；

3：加速器，使离子获得所需能量；

4：中性束闸与中性束阱，使中性原子束因直线前进不能达到靶室； 5：X & Y 扫描板，使离子在整个靶片上均匀注入；

6：法拉第杯，收集束流测量注入剂量。

（2）由离子源引出的离子流含有各种成分，其中大多数是电离的，离子束进入一个低压腔体内，该腔体内的磁场方向垂直于离子束的速度方向，利用磁场对荷质比不同的离子产生的偏转作用大小不同，偏转半径由公式：

决定。最后在特定半径位置采用一个狭缝，可以将所需的离子分离出来。

2.离子在靶内运动时，损失能量可分为核阻滞和电子阻滞，解释什么是核阻滞、电子阻滞？两种阻滞本领与注入离子能量具体有何关系？

答：核阻滞即核碰撞，是注入离子与靶原子核之间的相互碰撞。因两者质量是同一数量级，一次碰撞可以损失很多能量，且可能发生大角度散射，使靶原子核离开原来的晶格位置，留下空位，形成缺陷。

电子阻滞即电子碰撞，是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的相互碰撞。因离子质量比电子质量大很多，每次碰撞损失的能量很少，且都是小角度散射，且方向随机，故经多次散射，离子运动方向基本不变。

在一级近似下，核阻滞本领与能量无关；电子阻滞本领与能量的平方根成正比。 1 2 3 4 5

6

3.什么是离子注入横向效应？同等能量注入时，As和B哪种横向效应更大？为什么？

答：离子注入的横向效应是指，注入过程中，除了垂直方向外，离子还向横向掩膜下部分进行移动，导致实际注入区域大于掩膜窗口的效应。

B的横向效应更大，因为在能量一定的情况下，轻离子比重离子的射程要深且标准差更大。

4.热退火用于消除离子注入造成的损伤，温度要低于杂质热扩散的温度，然而，杂质纵向分布仍会出现高斯展宽与拖尾现象，解释其原因。

答：离子注入后会对晶格造成简单晶格损伤和非晶层形成；损伤晶体空位密度要大于非损伤晶体，且存在大量间隙原子核其他缺陷，使扩散系数增大，扩散效应增强；故虽然热退火温度低于热扩散温度，但杂质的扩散也是非常明显的，出现高斯展宽与拖尾现象。

5.什么是离子注入中常发生的沟道效应（Channeling）和临界角？怎样避免沟道效应？

答：沟道效应，即当离子入射方向平行于主晶轴时，将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。由于沟道效应，使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾；对于轻原子注入到重原子靶内是，拖尾效应尤其明显。

临界角是用来衡量注入是否会发生沟道效应的一个阈值量，当离子的速度矢量与主要晶轴方向的夹角比临界角大得多的时候，则很少发生沟道效应。临界角可用下式表示：

6.什么是固相外延（SPE）及固相外延中存在的问题？

答：固相外延是指半导体单晶上的非晶层在低于该材料的熔点或共晶点温度下外延再结晶的过程。热退火的过程就是一个固相外延的过程。

高剂量注入会导致稳定的位错环，非晶区在经过热退火固相外延后，位错环的最大浓度会位于非晶和晶体硅的界面处，这样的界面缺陷称为射程末端缺陷。若位错环位于PN结耗尽区附近，会产生大的漏电流，位错环与金属杂质结合时更严重。因此，选择的退火过程应当能够产生足够的杂质扩散，使位错环处于高掺杂区，同时又被阻挡在器件工作时的耗尽区之外。

7.离子注入在半导体工艺中有哪些常见应用？

答：阱注入、VT调整注入，轻掺杂漏极（LDD），源漏离子注入，形成SOI结构。

8.简述RTP设备的工作原理，相对于传统高温炉管它有什么优势？

答：RTP设备是利用加热灯管通过热辐射的方式选择性加热硅片，使得硅片在极短的时间内达到目标温度并稳定维持一段时间。相对于传统高温炉管，RTP设备热处理时间短，热预算小，冷壁工艺减少硅片污染。

9.简述RTP在集成电路制造中的常见应用。

答：RTP常用于退火后损失修复、杂质的快速热激活、介质的快速热加工、硅化物和接触的形成等。

10.采用无定形掩膜的情况下进行注入，若掩膜/衬底界面的杂质浓度减少至峰值

浓度的1/10000，掩蔽膜的厚度应为多少？用注入杂质分布的射程和标准偏差写出表达式。

答：

因此

11.相较扩散掺杂，离子注入有哪些优缺点？

答：优点：掺杂均匀性好，工艺温度低，可精确控制杂质含量，可注入元素种类多，横向扩散比纵向扩散小得多，注入的离子能穿过薄膜，无固溶度极限。

缺点：入射离子对半导体晶格有损伤，很浅很深的注入分布难以实现，对高剂量注入产率有限，离子注入设备昂贵。

12.简述硼和磷的退火特性。

答：（1）对于高剂量的退火，可把退火温度分为三个区域：

在区域Ⅰ中，随退火温度上升，点缺陷的移动能力增强，因此间隙硼和硅原子与空位的复合几率增加，使点缺陷消失，替位硼的浓度上升，电激活比例增加，自由载流子密度增大；当退火温度在的范围内，点缺陷通过重新组合或结团，降低其能量。因为硼原子非常小，和缺陷团有很强的作用，很容易迁移或被结合到缺陷团中，处于非激活位置因而出现随温度升高而替位硼的浓度下降的现象，也就是自由载流子浓度随温度上升而下降的现象（逆退火特性）。

在区域Ⅲ中，硼的替位浓度以接近于5eV的激活能随温度上升而增加，这个激活能与升温时Si自身空位的产生和移动的能量一致。产生的空位向间隙硼处运动，因而间隙硼就可以进入空位而处于替位位置，硼的电激活比例也随温度上升而增加。

图 1 硼退图2 磷退火特性

火特性

（2）磷退火特性如图所示

图中虚线所表示的是损伤区还没有变为非晶层时的退火性质，实线则表示非晶层的退火特性。对于和时所形成的非晶层，退火温度在左右，低于剂量为左右没有形成非晶层的退火温度，这是因为两种情况的退火机理不同。

非晶层的退火效应是与固相外延再生长过程相联系的，在再生长过程中，V族原子实际上与硅原子是难以区分的，被注入V族原子P在再结晶过程中与硅原子一样，同时被结合到晶格位置上。