第四章离子注入

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射程R的粗略估算 ①注入离子初始能量E0>>Ene: Se(E)为主,则 R≈k1E01/2 k1=2/ke ②注入离子初始能量E0 << Ene: Sn(E)为主,且假设 Sn(E)= Sn0,则 R≈k2E0
4.2 注入离子分布
1.总射程R 定义:注入离子在靶内走过的路径之和。 R与E的关系:根据能量的总损失率, dE dE dE ,有 = + = [S (E ) + S (E )]
4.1 核碰撞和电子碰撞
4.1.1 核阻挡本领Sn(E) Sn(E)=(dE/dx)n (dE/dx)n --核阻挡能量 损失率.
4.1 核碰撞和电子碰撞
①注入离子与靶原子的相互作用 库仑力 F(r)=q2Z1Z2/r2 势能 V(r)=q2Z1Z2/r Z1 、Z2 --核电荷数(原子序数);r—距离。 ②考虑电子的屏蔽作用 势能 V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a) f(r/a)--屏蔽函数;a--屏蔽参数; 最简单(一级近似):f(r/a)=a/r,则Sn=Sn0=常数 (图4.2); 更精确:托马斯-费米屏蔽函数(图4.3)。
第四章 离子注入
靶:被掺杂的材料,有晶体靶:Si片;无定形靶: SiO2、Si3N4、光刻胶等。 无定形靶:可精确控制注入深度。 离子注入设备 ①离子源;②质量分析器;③加速器;④偏束板;⑤ 扫描器;⑥靶室
离子注入设备
离子注入系统的原理示意
离子注入设备
1.离子源 作用:产生注入用的离子。 原理:杂质原子高能电子轰击(电子放电)注入离子 类型:高频,电子振荡,溅射 2.磁分析器(质量分析器) 作用:将所需离子分选出来。 原理:带电离子在磁场中受洛伦磁力作用,运动轨迹 发生弯曲。
离子注入系统的原理示意图
4.1 核碰撞和电子碰撞
典型的注入能量E0:5 - 500keV 注入离子分布-LSS模型:能量损失模型; (Lindhard,Scharff,Schiot三人创立) ①核碰撞(阻挡) 注入离子与靶原子核碰撞,将能量传给靶核,离子 发生偏转,靶核产生位移。 ②电子碰撞(阻挡) 注入离子与靶内的自由电子和束缚电子碰撞,产生 电子-空穴对。注入离子运动方向基本不变。
4.1 核碰撞和碰撞
4.1.2 电子阻挡本领 LSS模型:认为电子是自由电子气,类似黏滞气体。 Se(E)=(dE/dx)e=CV=ke(E)1/2 (dE/dx)e --电子阻挡能量损失率; V - 注入离子速度;C - 常数; ke- 与Z1、Z2、M1、M2有关的常数: {对非晶Si:ke≈1x103(eV)1/2μm-1; 对非晶AsGa:ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1;}
4.3 注入损伤
4.3.1 级联碰撞 1 .损伤的形成 Ed:靶原子离开其平衡位置所需的最低能量。 ET:靶原子与注入离子碰撞后获得的能量。 若 ET<Ed:加剧靶原子的热振动,但不位移; 若 ET>Ed:靶原子位移,留下空位; 若 ET»Ed:位移原子(反冲原子)再与靶原子碰 撞,产生级联碰 撞。 4.3.2 晶格损伤
4.4 热退火
热退火机理: a.无定形层(非晶层):通过固相外延,使位移原子重 构而有序化。无定形是晶体的亚稳态,这种固相外延 可在较低温度下发生。 b.非无定形层:高温下,原子振动能增大,因而移动能 力增强,可使复杂的损伤分解为简单的缺陷,如空 位、间隙原子等。这些简单的缺陷能以较高的迁移率 移动,相互靠近时,就可能复合而使缺陷消失。 退火工艺条件:温度;时间;方式(常规、快速)。
4.1 核碰撞和碰撞
4.1.3 射程粗略估计 LSS模型:引入简化的无量纲的能量参数ε和射程参 数ρ,即 ρ = (RNM1M24πa2)/(M1+M2)2 ε = E0aM2/[Z1Z2q2(M1+M2)] N- 单位体积的原子数; 以dε/dρ– ε1/2 作图,得图4.5
注入离子能量 ①低能区:核阻挡占主要,电子阻挡可忽略; ②中能区:核阻挡占与电子阻挡相当; ③高能区:电子阻挡占主要,核阻挡可忽略。
第ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ章 离子注入
1954年,Bell Lab. ,Shockley 提出; 应用:COMS工艺的阱,源、漏,调整VT的沟道掺 杂,防止寄生沟道的沟道隔断,特别是浅结。 定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 特点: ①注入温度低:对Si,室温;对GaAs,<400℃。避免了 高温扩散的热缺陷;光刻胶,铝等都可作为掩蔽膜。 ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在 ±1%(高浓度扩散5%-10%);能精确控制浓度分 布及结深,特别适合制作高浓度浅结器件。
4.4 热退火
4.4.1 硅材料的热退火特性
退火机理: ①复杂的损伤分解为简单缺陷:空位、间隙原子; ②简单缺陷可因复合而消失; ③损伤由单晶区向非单晶区通过固相外延再生长得到恢复。 二次缺陷:简单缺陷重新组合,形成新的缺陷。 注入剂量与退火温度成正比。 载流子激活所需温度:低于寿命和迁移率恢复所需温度。
4.4 热退火
4.4.2 硼的退火特性 4.4.3 磷的退火特性 4.4.4 热退火过程的扩散效应 (以上请自学)
4.4 热退火
4.4.5 快速退火(RTA,rapid thermal annealing)
常规热退火的缺点 ①激活率an低; ②二次缺陷; ③导致明显的杂质再分布; ④硅片变形。 RTA机理:利用高功率密度的物质作用于晶片表面,使注入层 在短时间内达到高温,以到消除损伤的目的。
4.4.5 快速退火
特点: 退火时间短(10-11-102秒); 注入杂质激活率高; 对注入杂质分布影响小; 衬底材料的电学参数基本不受影响; 种类 a.脉冲激光 退火机理:固-液相外延模型。 优点:功率密度高;激活率高。
4.4.5 快速退火
b.连续波激光 退火机理:固-固相外延模型。 优点:杂质分布不受影响。 缺点:能量转换率低(1%) c.电子束 退火机理:固-液外延模型。 优点:能量转换率高(50%)。
4.4 热退火
离子注入所形成的损伤有: ①散射中心:使迁移率下降; ②缺陷中心:非平衡少子的寿命减少,漏电流增加; ③杂质不在晶格上:起不到施主或受主的作用。 退火目的:消除注入损伤,使注入离子与位移Si原子 恢复正常的替位位置--激活。 退火方法:热退火(传统退火);快速退火。 激活率an: 退火后的载流子数p占注入剂量NS的分数,即 an= p/ NS
4.2 注入离子分布
4.2.1 注入离子纵向分布--高斯分布 (注入离子在靶内不断损失能量,最后停止在某处; 注入离子在靶内的碰撞是一随机过程;注入离子按一定 的统计规律分布。) 求解注入离子的射程和离散微分方程,距靶表面为x(cm) 处的浓度分布为 ⎡ 1 x − RP 2 ⎤ ,高斯函数 N( x ) = N exp − ( )
4.4.5 快速退火
d. 宽带非相干光源 光源:卤素灯,电弧灯。 优点:无干涉效应;生产效率高;设备简单。
第五次作业
9.已知硅n型外延层的掺杂浓度为1.5X1016cm-3。现用硼 离子注入形成基区,其能量为60keV。若注入剂量为 1X1015cm-2,试求注入的峰值浓度、结深、及注入离子 的平均浓度(假定为对称的高斯分布)。 10.已知硅n型外延层的掺杂浓度为1.5X1016cm-3。现通 过注入B+来制作集电结,要求掺杂的峰值浓度达到 2X1019cm-3,结深0.4μm。试估算入射离子所需要的能 量和剂量。
例2:As离子,E0=80keV,Rp=50nm,平均S(E)=1.2keV/nm 1个As共产生约4000个位移Si Vdam =π(2.5nm)2(50nm)=1X10-18cm-3 损伤密度=4000/Vdam=4X1021cm-3 (占相应体积中所有原子的8%)
4.3 注入损伤
4.3.3 非晶层的形成 随注入剂量的增加,原先相互隔离的损伤区发生重 叠,最终形成长程无序的非晶层。 临界剂量-形成非晶层所需的最小注入离子剂量; 临界剂量与注入离子质量成反比。 靶温-靶温越高,损伤越轻。
4.3 注入损伤
损伤密度 例1:B离子,E0=80keV,Rp=250nm; 已知:Si晶格间距为0.25nm;初始S(E)=35eV/nm;则 ET=35X0.25=8.75eV<Ed=15eV,Si不位移; 当E=40keV, Rp1=130nm , S(E)=60eV/nm,则 ET=60X0.25=15eV=Ed,Si位移; 设:每个晶面都有1个Si位移,则在B离子停止前,位移Si为 120nm/0.25nm=480 设:Si位移2.5nm,则损伤体积为 Vdam =π(2.5nm)2(120nm)=2.4X10-18cm-3 损伤密度=480/Vdam=2X1020cm-3 (占相应体积中所有原子的0.4%)
dR dR
n
dR
e
n
e
−1 E0 dE R = ∫ dR = − ∫ = ∫ [S n (E ) + S e (E )] dE E0 dE / dR 0 0
式中,E0—注入离子的初始能量。
4.2 注入离子分布
2.投影射程XP: 总射程R在离子入射方向 (垂直靶片)的投影长度 ,即离子注入的有效深度。 3.平均投影射程RP: 投影射程XP的平均值,具 有统计分布规律-几率分 布函数。
max
⎢ ⎣ 2
∆RP
⎥ ⎦
Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值浓度(在RP处),NS—注入剂量
4.2 注入离子分布
4.2.2 横向效应 ①横向效应与注入 能量成正比; ②是结深的30% -50%; ③窗口边缘的离子 浓度是中心处的50%;
4.2 注入离子分布
4.2.3 沟道效应(ion channeling) 非晶靶:对注入离子的 阻挡是各向同性; 单晶靶:对注入离子的 阻挡是各向异性; 沟道:在单晶靶的主晶 轴方向呈现一系列平行 的通道,称为沟道。
4.1 核碰撞和电子碰撞
临界能量(交叉能量)Ene( Ec): Sn(E)=Se(E)处的能量。 ①Ene随注入离子原子量 的增加而增大。 ②轻离子,B: Ene≈15keV, 重离子,P: Ene≈150keV。
4.1 核碰撞和电子碰撞
一级近似的Sn0与Se(E)的比较
4.1 核碰撞和电子碰撞
第四章 离子注入
③无污染:注入离子纯度高,能量单一;背景真空度高 (高真空<10-4Pa,超高真空<10-7Pa)。 ④横向扩散小:有利于器件特征尺寸的缩小。 ⑤不受固溶度限制:原则上各种元素均可掺杂。 ⑥注入深度随离子能量的增加而增加:通过控制能量和 剂量,可得到各种形式的分布。特别适合浅结及突变 型分布。 (诸多优点,使离子注入成为IC工艺的主要掺杂技术) 缺点: ①损伤(缺陷)较多:必须退火。 ②成本高
4.2 注入离子分布
沟道效应:离子沿沟道前进,核阻挡作用小,因而射 程比非晶靶远的多。 好处:结较深;晶格损伤小。 不利:难于获得可重复的浓度分布,使用价值小。 减小沟道效应的途径 ①注入方向偏离晶体的主轴方向,典型值7℃; ②提高温度;③增大剂量; ④淀积非晶表面层(SiO2); ⑤在表面制造损伤层。
离子注入设备
3.加速器 作用:使离子获得所需的能量。 原理:利用强电场,使离子获得更大的速度。 4.偏束板 作用:使中性原子束因直线前进不能达到靶室。 原理:用一静电偏转板使离子束偏转5º--8º作用再进 入靶室。
离子注入设备
⑤扫描器 作用:使离子在整个靶片上均匀注入。 方式:①靶片静止,离子束在X,Y方向作电扫描。② 粒子束在Y方向作电扫描,靶片在X方向作机械运 动。③粒子束静止,靶片在X,Y方向作机械运动。 ⑥靶室(工作室):高温靶(800℃),低温靶(液氮 温度),冷却靶(小于120 ℃)。
4.2 注入离子分布
4.标准偏差(投影偏差)△RP—反映了RP的分散程度 (分散宽度)。
∆RP = ( X P − RP )2
5. R, RP, △RP间的近似关系 , M1—注入离子质量, M2—靶原子质量
M2 R ≈ 1+ RP 3M1
∆RP 2 M 1 M 2 = RP 3 M1 + M 2
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