第五章离子注入_572605374

x j = Rp + ΔRp
2 ln⎜⎜⎝⎛
1
φ ⎟⎞
2π ΔRp N B ⎟⎠
（假设0 ≤ x ≤ Rp时，均有N(x) > NB）
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实际的入射离子分布问题
沟道效应 横向分布 复合靶注入
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沟道效应：在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时，有 部分离子可能会行进很长距离，造成较深的杂质分布。
深度为Rp时的离子浓度为最大值： Cp =
Q
2π ΔRp
离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量：
∫∞
Q = N (x)dx = 0
2π ΔRpCp
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200KeV implants
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一个任意的杂质分布可用一系列的矩来描述：归一化的一次矩是投影射 程，二次矩是标准偏差，三次矩是偏斜度；四次矩是峭度。
静电光栅扫描：适于中低束流机 机械扫描：适于强束流机
剂量控制
法拉第杯：捕获进入的电荷，测
量离子流
注入剂量：
Dose =
1 A
∫
I q
dt
当一个离子的荷电态为m时，
∫ 注入剂量为 Dose =
1
I dt
mA q
两种注入机扫描系统
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离子注入工艺控制参数
杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P++，B++，… 注入能量（单位：Kev）—— 决定杂质分布深度和形状 注入剂量（单位：原子数/cm2）—— 决定杂质浓度 束流（单位：mA或μA）—— 决定扫描时间
注入损伤阈值剂量：
超过某一剂量注入后，形成完全 损伤，晶体的长程有序被破坏。
离子越轻，阈值剂量越高； 温度越高，阈值剂量越高。
常见硅中杂质使硅衬底非晶化的临界 注入剂量与衬底温度的关系
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Cross sectional TEM images of amorphous layer formation with increasing implant dose (300keV Si -> Si)
Dose
=
1 A
∫
I q
dt
t = Dose ⋅ A⋅ q I
当剂量固定时，束流越大，扫描时间越短，机器产能越高 扫描时间太短，会影响注入的均匀性（一般最短扫描时间10s）
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射程的概念
高能离子进入靶材料后，与靶原子核及其电子碰撞，损失 能量，发生散射，最后停止下来。
离子在靶中的行进路线及其停止位置是随机的。
2m
R
出口狭缝：只允许一种（m/q）的离子离开分析仪
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BF3源气体的质谱图
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加速管：加速离子，获得所需能量；高真空（<10-6 Torr）
静电透镜：离子束聚焦
静电加速器：调节离子能量
静电偏转系统：滤除中性粒子
B1+1 + e− → B11
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终端台：控制离子束扫描和剂量
离子束扫描
表面生长200～250ÅSiO2 4、注入杂质的自非晶化效应：
重杂质，高剂量注入
300Kev 1E12cm-2磷离子注入时采用 不同厚度屏蔽氧化层的效果
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注入离子的横向分布
注入离子的横向分布对于自对准源漏注入工艺是一个基
本限制因素。
决定器件的电学沟道长度
注入磷/砷
当透过厚掩膜 （掩膜厚度 >>Rp+ΔRp）大 尺寸窗口进行 注入时，
R'p 2
=
(1−
d R p1
)R p2
+d
双层靶中杂质离子的分布示意图
(1 −
d) Rp1
是离子在M1中未走完的射程百分数，乘以Rp2即为折合到
M2中离子到达峰值还需走的距离
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注入损伤与退火
注入损伤的形成：
高能入射离子与靶原子核发生碰 撞时，使靶原子离开初始晶格位 置，并引发连续碰撞，引起大量 靶原子偏离晶格位置，产生空位 和填隙原子等晶格损伤。
主要在低能区起作用； 离子越重，能量损失越大， 电子阻滞成为主导地位所对 应的离子能量就越大。
常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系
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离子投影射程由下式决定
∫ ∫ Rp ( E0 ) =
Rp dx =
0
0
dE
E0 (dE / dx)
total
∫0
=
dE
E0 Sn + Se
ΔR p
≅
2 3
⎡
R
p
5
质量分析器：选择注入所需的杂质成分（B+）
分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的速度方向
离子运动路径：
mv 2 = q ⋅ v × B r
离子运动速率：
v = 2 E = 2qVext
m
m
r = mv = 1 qB B
2
m q
Vext
质量m+δm的离子产生的位移量：
D = R δm [1 − cosϕ + L sinϕ ]
计算杂质最大浓度：
Cp =
Q 2π ΔRp
求解第4步
写出杂质浓度分布公式：
C(x)
=
Cp
exp(−
(x − Rp 2ΔRp2
)2
)
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根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
假设衬底为反型杂质，且浓度为CB，计算PN结结深
C(x)
=
Cp
exp(−
(x − Rp 2ΔRp2
)2
)
由 C(x j ) = CB 可得到结深计算公式：
入射离子在非晶靶中的分布服从高斯分布（一级近似），其浓度峰值在 离子的垂直投影射程处
实际的离子分布要考虑沟道效应和横向离散效应
需要进行退火工艺来消除离子注入工艺带来的晶格损伤，并激活杂质
（导电性）。
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课后作业
教材第121/122页： 第1题：已知Rp = 1000Å，ΔRp = 380Å 第4题 第6题
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硼的退火效应
低温下，载流子浓度受点缺
陷密度控制
退火温度上升，点缺陷消
除，自由载流子浓度提高
500～600℃时，点缺陷扩散
率提高，聚集成团，形成扩 展缺陷
高温下，扩展缺陷被消除，
激活的载流子浓度接近注入 浓度。
几种等时退火条件下，硅中注入硼离 子的激活百分比
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非晶层的退火过程：固相外延（solid phase epitaxy）
1、可在较低温度下，将各种杂质掺入到半导体材料中。
2、能精确控制掺入基片内杂质的注入深度与浓度。
3、能实现大面积均匀掺杂，且工艺的重复性好，成品率高。
4、掺入杂质的纯度高，引入沾污少。
5、由于注入离子的直射性，杂质的横向分布较少。
6、可采用多种掩膜材料进行注入：二氧化硅、多晶硅、光刻胶、金属等。
离子注入工艺的三要素：离子产生、加速和控制
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瞬时退火效应：高温退火时出现的异常扩散
注入损伤造成高浓度自填隙原子和空位等缺陷，因此使杂质原子 的扩散异常增强，从而使退火后杂质的再分布现象严重。
未退火 700ºC 800ºC 900ºC 1000ºC 1100ºC
70Kev 硼 1E15/cm2
不同温度下退火的硼原子浓度分布图
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离子注入机的遮挡效应：
⎢ ⎢⎣
MiMt Mi + Mt
⎤ ⎥ ⎥⎦
Rp与入射离子质量和能量有关； ΔRp与入射离子与靶原子质量比有关
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入射离子的分布
对于无定形靶，离子浓度沿深度方向分布的一阶近似关系：
C(x) =
Q 2π ΔRp
exp(−
(x − Rp )2 2ΔRp2
)
高斯分布
式中，Q是注入离子剂量（/cm2）
级，因此单位长度上的碰撞可使离子损失较多能量（Sn）， 且可能发生大角度散射。有时还引发连续碰撞。

入射离子能量损失：
dE dx
=
Sn( E )+ Se( E )
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电子阻滞的特点
Se (E) = ke E
Ke为与离子和靶物质有关的常 数； 在高能范围起主要作用。
核阻滞的特点
当能量较低时，E ↑，Sn ↑ ； 当能量较高时， E ↑，Sn ↓； Sn在某能量处有最大值。
以下层晶格结构为样板重新生长晶体，此时，靶的本体原子与 注入杂质同时进入新生长的晶格结构中。
非晶层的SPE过程可在600℃下完成，此时可使非晶层中 的杂质被激活。
非晶层SPE再生长的问题是残余缺陷（扩展缺陷），需要 进行高温退火来减轻（不能完全消除），同时高温退火也 可使非晶层外的注入杂质激活。
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根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
已知杂质种类（P，B，As），离子注入能量（Kev），靶材
（Si，SiO2，Si3N4等）
求解第1步
查LSS表可得到 Rp和ΔRp
已知离子注入时的注入束流I，靶面积A，注入时间t
求解第2步
计算离子注入剂量： Q = I ⋅ t A⋅q
求解第3步
从不同方向看硅晶体的图像. 左上：110轴沟道;
右上：111 面沟道 ;
左下：100轴沟道;
右下：倾斜并旋转硅片模拟“无规则”方向 .
沟道效应示意图
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剂量越 大，注 入杂质 分布受 沟道效 应的影 响越不 明显
注入到<100>硅片中硼离子分布的计算机模拟。注 入条件：倾斜和旋转角度为零，注入能量为35KeV.
为避免高温退火带来的杂质扩散，一般先进行一个低温退 火来消除点缺陷。