半导体工艺原理—离子注入掺杂工艺(6.11)(贵州大学)

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射程粗略估计

核阻止本领和电子阻止本领的比较
不同靶和不同 注入离子，其Ec值不 同。硅靶注入轻离子硼， Ec约为15keV，重离 子磷，Ec大约为150keV。 注入离子的初使能量比Ec大很多，在靶内主 要电子阻止损失能量，核阻止可忽略： R≈k1E01/2 E<<Ec ，电子阻止可忽略，入射离子主要以 核阻止形式损失能量：R≈k2E0
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3 注入损伤
晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞，可能使靶 原子发生位移，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产 生一系列的空位－间隙原子对及其它类型晶格无序的分布。这种因为 离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。
(Si)SiSiI + SiV
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对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离7－10o 用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非 晶层（Pre-amorphization）



增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离 子减少）

表面用SiO2层掩膜
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典型离子注入参数
离子：P，As，Sb，B，In，O 剂量：1011~1018 cm-2 能量：1– 400 keV 可重复性和均匀性: ±1% 温度：室温 流量：1012-1014 cm-2s-1
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离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核
及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是 随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。
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内容

核碰撞和电子碰撞 注入离子在无定形靶中的分布 注入损伤
热退火
离子注入设备与工艺
离子注入用途，和扩散的比较
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QT 2 N maxR p
注入离子的真实分布

真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布 当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大 角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有 较多的离子堆积；重离子散射得更深。
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纵向分布

硼比硅原子质量轻得多， 硼离子注入就会有较多的 大角度散射。被反向散射 的硼离子数量也会增多， 因而分布在峰值位置与表
能量为E的 入射粒子在 密度为N的 靶内走过x 距离后损失 的能量
能量E的函数
Se(E)：电子阻止本领/截面（eVcm2)
N: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
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核阻止 离子注入与靶原子核
碰撞，离子能量转移到原子 核上，结果将使离子改变运 动方向，而靶原子核可能离 开原位，成为间隙原子核，
Rp Rp R Rp Rp R
Rp Rp R
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纵向分布

离子注入的实际分布在峰值附近和高斯分布符合 2 较好
x Rp QT 1 n( x ) exp R p 2 2 R p QT n( R p ) N max 2 R p 2 M 1M 2 R p Rp 3 M1 M 2
非晶靶中注入离子的浓度分布
Rp：标准偏差（Straggling），投影射程的平均偏差 R：横向标准偏差（Traverse straggling）, 垂直于入射方向 平面上的标准偏差。
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射（行）程：R 投影射程 ：RP
R bM 2 1 Rp M1
M1>M2; b=1/3
入射离 子质量
两球体弹性碰撞
离子与靶 间势函数
2 1 4M M q Z1Z2 r 1 2 p 0, TM M 2 U 2 E , V ( r ) f 2 0 2 2 (M1 M 2 ) r

电子阻止

注入离子与靶中的束缚电子或
自由电子碰撞，能量转移到电 子上。离子质量远大于电子， 离子方向不变，能量稍减，而 束缚电子被激发或电离，自由
dE S n E dx n
核阻止本领 能量为E的注入离 子在单位密度靶 内运动单位长度 时，损失给靶原 子核的能量。
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或只是能量增加。
核阻止本领
注入离子与靶内原子核之间两体碰撞 两粒子之间的相互作用力是电荷作用

对心碰撞，最大能量转移：
ETrans 4 m1m2 E 2 (m 1 m2 )
微电子工艺
--定域掺杂工艺
掺杂之离子注入工艺
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本章重点

离子注入工艺机理、注入方法； 核、电子阻止，杂质分布函数、特点； 注入损伤：原因、种类、主要影响因素； 退火：机理、方法； 离子注入和热扩散比较
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什么是离子注入
离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层， 以改变这种材料表层的物理或化学性质
离子 速度
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电子阻止本领
非 局 部 电 子 阻 止
局 部 电 子 阻 止 不改变入射离子运动方向
电荷/动量交换导致入射离子运 动方向的改变（<核间作用）
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总阻止本领（Total stopping power）
核阻止和电 子阻止相等 的能量

核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端） 16 电子阻止本领在高能量下起主要作用
射程终点（EOR） 处晶格损伤大
表面处晶格 损伤较小
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EOR damage
18 Courtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002).
2 注入离子在无定形靶中的分布
R：射程（range） 离子 在靶内的总路线长度 Rp：投影射程 （projected range） R 在入射方向上的投影 射程分布：平均投影射 程Rp，标准偏差Rp， 横向标准偏差R
离子注入的基本过程

将某种元素的原子或携 带该元素的分子经离化 变成带电的离子 在强电场中加速，获得 较高的动能后，射入材 料表层（靶） 以改变这种材料表层的 物理或化学性质
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离子注入特点





各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量（10111018 cm-2）和能量（1-400 keV）来达到 平面上杂质掺杂分布非常均匀（1% variation across an 8’’ wafer） 表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度 注入元素可以非常纯，杂质单一性 可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自 由度大 低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起 的热扩散 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小 会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进 设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机） 有不安全因素，如高压、有毒气体
高能离子在靶内与晶格多次碰撞，从而导致靶的晶格损伤。 碰撞有弹性碰撞和非弹性碰撞。 注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程， 称为能量淀积过程。
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损伤的产生

移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。 移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的 最小能量. (对于硅原子, Ed15eV)
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LSS理论
dE N S n E S e E dx
1 dE 1 dE S n E , S e E N dx n N dx e
-dE/dx：能量随距离损失的平均速率 E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量 Sn(E)：核阻止本领/截面 (eVcm2)
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沿<100>的沟道效应
产生非晶化的剂量 浓度分布 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离LSS理论在非
晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的“尾巴”
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表面非晶层对于沟道效应的作用
Boron implant into SiO2
Boron implant into Si
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减少沟道效应的措施
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高斯分布函数

注入离子在靶内 受到的碰撞是随 机的，所以杂质 分布也是按几率 分布的。离子进 入非晶层（穿入 距离）的分布接 近高斯分布。
Δ Rp：投影射程的标准偏差 Δ R⊥：横向离散
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投影射程Rp:
1 R p dx N 0
Rp
E0
dE S n E S e E 0
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沟道效应
衬底为单晶材料，离子束 准确的沿着晶格方向注入， 其纵向分布峰值与高斯分 布不同。一部分离子穿过 较大距离。这就是沟道 （渗透）效应。
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注入离子剂量
理论上可以由离子电流大小来量度:
6.25 10 It QT A （ ion/cm2）
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其中：I为电流；t为时间；A为注入面积。 实际上高能离子入射到衬底时，一小部分与表面 晶核原子弹性散射，而从衬底表面反射回来，未进 入衬底，这叫背散射现象.

碰撞中，当转移能量E>Ed移位阈能时，靶原子位移；若移位
原子能量>2Ed时，移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再


总能量损失为两者的和
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核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论
阻止本领（stopping power）：材料中注入离 子的能量 损失大小
单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损 失的能量 (Sn(E), Se(E) )。 核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰 撞理论。

电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子 的阻止。
1 核碰撞和电子碰撞（LSS理论）
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究

1963年，Lindhard, Scharff and Schiott首先确立了注 入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论。 该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独 立的过程 (1) 核阻止（nuclear stopping） (2) 电子阻止 （electronic stopping）