第四章 离子注入

其中ΔY扣ΔZ分别为在Y方向和Z方向上的标准偏差。 ΔY= ΔZ=ΔR┴，ΔR┴为横向离散。
通过一狭窄掩膜窗口注入的离子，掩膜窗口的宽度为2a， 原点选在窗口的中心，y和z方向如图所示。
在掩膜边缘(即-a和+a处)的浓 度是窗口中心处浓度的50％。 而距离大于+a和小于-a各处的浓 度按余误差下降。
核碰撞：是注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。
因注入离子与靶原子的质量一 般 为同一数量级，每次碰撞之后，注入 离子都可能发生大角度的散射，并失 去一定的能量。 靶原子核也因碰撞而获得能量， 如果获得的能量大于原子束缚能，就 会离开原来所在晶格进入间隙，并留 下一个空位，形成缺陷。
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碰撞， 这种碰撞能瞬时地形成电子-空穴对。
离子束沿x方向入射，注入离子的空间分布函数f(x,y,z)：
2 2 2 x R 1 z 1 y p f x, y, z exp 3/ 2 2 2 2 2 Y Z 2 Rp YZ R p
dE S n E dx n dE S e E dx e
根据LSS理论，单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子损失能量为

dE S n E S e E dx
0 E0 dE dE S n E S e E 0 S n E S e E
注入离子在靶内运动的总路程 R
E0
4.1.1、核阻止本领
把注入离子和靶原子看成是两个不带电 的硬球，半径分别为R1和R2。 碰撞前：R1， M1， Vl，E0
R2， M2
碰撞后：R1， M1， Ul，E1 ，1
R2， M2， U2，E2 ， 2
两球之间的碰撞距离用碰撞参数p表示， 只有在p≤(R1+R2)时才能发生碰撞和能量 的转移。
1 x R 2 p n x N max exp 2 R p
n(x)：距离靶表面为x处的离子浓度(离子数/cm3) Nmax：峰值浓度, Nmax n(Rp ) Rp：平均投影射程，离子注入深度的平均值 ΔRp为Rp标准偏差
则离子浓度可表示为
2 x R Ns 1 p n x exp 2 R p 2 R p
一级近似得到的高斯分布，在峰值附近与实际分布符合较好，距峰值 较远时有一定偏离。
与注入离子与靶原子的相对质量有关
B：峰值靠近表面一侧的离子数量高 于另一侧（轻，大角度射）
目的是控制表面浓度和扩散深度
杂质最终分布形式： D预t预<<D主t主，主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函数分布。
上节课内容小结
影响杂质分布的其他因素: Si中的点缺陷（替位、空位、间隙） 杂质浓度（掺杂浓度高时） 氧化增强扩散：氧化区下，扩散增强，B，P， 机理：间隙Si原子与替位B相互作用，杂质B以替位-间隙交 替的方式运动，扩散速度快 发射区推进效应：发射区正下方硼的扩散深度加深 机理：磷空位对分解，增加空位的浓度， 扩散加快 产生过剩的间隙Si原子，
考虑电子屏蔽作用，注入离子与靶原子之间的势函数用下面形式表示：
q 2 Z1Z 2 r V r f r a
其中f(r/a)为电子屏蔽函数。
核阻止本领与离子能量的关系
如果屏蔽函数为：
r a f a r
此时注入离子与靶原子核碰撞的能量损失率 为常数，用S0n表示。
As：x > Rp一侧有较多的离子分布 （重，散射角小） 尽管如此，实践中通常仍利用理想 高斯分布来快速估算注入离子在非晶 靶以及单晶靶材料中的分布。
B，P，As在无定型硅和热氧化SiO2中的投影射程和能量的关系
在能量一定的情况下，轻 离子比重离子的射程要深。
4.2.2、横向分布
横向效应：注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。
离子注入的发展历史
1952年，美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善半导体 的特性。 1954年前后，Shockley提出来用离子注入技术能够制造半导体器件，并 且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。 1955年，英国的W. D. Cussins发现硼离子轰击锗晶片时，可在n型材料 上形成p型层。 1960年，对离子射程的计算和测量、辐射损伤效应以及沟道效应等方 面的重要研究己基本完成，离子注入技术开始在半导体器件生产中得 到广泛应用。
②有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先沉积一层杂质，这 层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充。 杂质分布形式：高斯分布 随着扩散时间增大， 表面杂质浓度降低， 结深增大， pn结处的杂质浓度梯度变缓。
上节课内容小结
两步扩散：采用两种扩散结合的方式。
预扩散：较低温度，恒定表面源扩散，提供扩散杂质源 主扩散：较高温度，有限表面源扩散，
为了避免沟道效应，可使晶体的主轴方向偏离注入方向， 使之呈现无定形状态，会发生大量碰撞。 偏离的典型值为7°。
部分沟道效应，在两次碰撞之间有沟道效应存在。
4.2.4、浅结的形成
对于轻杂质，形成浅结非常困难。 降低注入离子能量：注入离子能量几个keV
但是在低能情况下，沟道效应变得非常明显。增大偏离角度。
1
2
其中V为注入离子的速度，系数ke与注入离子的原子序数和质量、靶材料 的原子序数和质量有着微弱的关系。 在粗略近似下，对于无定形硅靶来说， ke为一常数。
4.1.3、射程的粗略估计
根据LSS理论，得到核阻止本领和电子阻止本领曲线，其中和是无量纲的 能量和射程参数。 注入离子的能量可分为三个区域： 低能区：核阻止本领占主要地位， 电子阻止可以被忽略。 中能区：核阻止本领和电子阻止本 领同等重要，必须同时考虑。 高能区：电子阻止本领占主要地位， 核阻止本领可以忽略。但这个区域 的能量值，一般超出了工艺的实际 应用范围。属于核物理的研究课题。
由于两者的质量相差非常大(104)， 每次碰撞中，注入离子的能量损失很小， 而且散射角度也非常小，也就是说每次 碰撞都不会改变注入离子的动量，虽然 经过多次散射，注入离子运动方向基本 不变。
核阻止本领和电子阻止本领
一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则 核阻止本领就定义为 电子阻止本领定义为
1968年，采用离子注入技术制造出具有突变型杂质分布的变容二极管 以及铝栅自对准MOS晶体管。
1972年以后对离子注入现象有了更深入的了解，目前离子注入技术已 经成为甚大规模集成电路制造中最主要的掺杂工艺。
本章主要内容
4.1、核碰撞和电子碰撞 4.2、注入离子在无定形靶中的分布
4.3、注入损伤
一级近似： 核阻止本领S0n和入射离子能量E无关。 电子阻止本领和注入离子的速度（能量的平方根）成正比。 临界能量： 如图所示，在E=Ec处核阻止与电子阻止本领相等。 射程估算：
如果注入离子能量比Ec大很多，则离子在 靶内主要以电子阻止形式损失能量，可按 下式估算射程 1 R k1 E 2 如果注入离子的能量E<<E c，离子在靶内 主要以核阻止形式损失能量，则得射程R的 表达式为 R k2 E
核阻止本领与电子阻止本领比较
4. 2、注入离子在无定形靶中的分布
注入离子在靶内分布是与注入方向有关系，一般来说，离子束的注入
方向与垂直靶表面方向的夹角比较小，假设离子束的注入方向是垂直靶表
面的。 任何一个注入离子，在靶内所受到的碰撞是一个随机过程。即使是能
量相等的同种离子，在靶内发生每次碰撞的偏转角和损失能量、相邻两次
上节课内容小结
二维扩散：横向扩散
一般情况下，横向扩散的距离约为纵向扩散距离的75％-85％
直接影响ULSI的集成度
扩散工艺：固态源、液态源、气态源
快速气相掺杂：RTP，形成超浅结
气体浸没激光掺杂：浅结，突变结
与离子注入一样形成浅结，却无注入损伤且无需退火
第四章 离子注入
离子注入技术是用一定能量的杂质离子束轰击要掺杂 的材料（称为靶，可以是晶体，也可以是非晶体），一部 分杂质离子会进入靶内，实现掺杂的目的。 离子注入是集成电路制造中常用的一种掺杂工艺，尤 其是浅结主要是靠离子注入技术实现掺杂。
注入离子二维分布示意图
注入离子分布在Rp的两边，具体分布情 况由Rp决定，Rp与Rp的近似关系为
R p 2 M 1M 2 Rp 3 M M 2 1
0
注入剂量: N s nx dx 2 N maxRp 则有
N max nR p Ns 0.4 N s R p 2 R p
在p=0时，两球将发生正面碰撞，此时传输的能量最大，用TM表示： 1 4M 1M 2 2 TM M 2U 2 E0 2 2 M1 M 2
不考虑电子屏蔽作用时，注入离子与靶原子之间的势函数为库仑势：
q 2 Z1Z 2 V r r
其中Z1和Z2分别为两个粒子的原子序数，r为距离。
As, P, B 在硅中的核阻止本领和电子阻止本领 与能量的关系的计算值
4.1.2、电子阻止本领
在LSS理论中，把固体中的电子看为自由电子气，电子阻止类似于 黏滞气体的阻力。 在注入离子的常用能量范围内，电子阻止本领Se(E)同注入离子的速 度成正比，即和注入离子能量的平方根成正比：
S e E CV ke E
碰撞之间的行程、离子在靶内所运动的路程总长度、以及总长度在入射方 向上的投影射程(注入深度)都是不相同的。 如果注入的离子数量很少，它们在靶内分布是很分散的，但是，如果 注入大量的离子，那么这些离子在靶内将按一定统计规律分布。
4.2.1、纵向分布
一级近似下，无定形靶内的纵向浓度分布可用高斯函数表示：
如果采用用托马斯-费米屏蔽函数，核阻止 本领与离子能量的关系Sn(E)如图所示。 低能量时核阻止本领随离子能量呈线性增 加，在某个能量达到最大值