4第四章 离子注入

可以对化合物半导体进行掺杂
控制杂质浓度和深度
离子注入机 掺杂离子 束扫描 掩蔽层
Beam scan
低能 低剂量 快速扫描
Ion implanter
高能 大剂量 慢速扫描
xj
Mask
Mask
Mask
xj
Silicon substrate Silicon substrate
a)
低掺杂浓度 (n–, p–) 和浅结深 (xj)
b)
高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结深 (xj)
目 录
4.1 核碰撞和电子碰撞（核、电子阻止本领、射程估计） 4.2 注入离子在无定形靶中的分布（纵向分布、横向效
应、沟道效应和浅结的形成）
4.3 注入损伤（级联碰撞、简单晶格损伤、非晶形成） 4.4 退火（硅的退火特性、硼、磷退火特性，退火中的扩散效应、
那么注入离子与靶原子之间的势函数与距离的平方成反比。此时，注入 o 离子与靶原子核碰撞的能量损失率 S n 为一个常数。
图4.2 能量损失率与离子能量的关系
不同靶材、不同注入离子的Ec 不同，对于硅靶：B注入时 Ec=15ev,P注入Ec=150ev。 注入能量E>>Ec，主要以电子 在LSS理论中，把固体中的电子看为自由电子气。电 子的阻止就类似于黏滞气体的阻力，在注入离子常用 能量范围内，电子的阻止本领： E CV k E 1 2 S




1．硅材料的热退火特性
结构简单的缺陷（空位、间隙原子），热处理时具有较 高的迁移率，它们相互靠近时，就可能复合而使缺陷消 失；对于非晶区域，由单晶区向非晶区通过固相外延再 生长而使整个非晶区得到恢复。 退火的温度、时间和方式依据损伤程度、损伤区域的大 小而定；选择退火条件，需考虑基片电参数的恢复程度， 还应考虑基片许可的热处理温度。 低剂量损伤，在低温下退火即可消除；高剂量损失形成 的非晶区域，需要较高的退火温度(550-600℃开始重结 晶），并且随着温度的升高，位错环的密度增大 （<800℃）。

离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底
中的掺杂技术。掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决 定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定。

离子注入特点


掺杂的均匀性好、污染小
温度低：小于400℃ 可以精确控制杂质分布（数量和深度） 可以注入各种各样的元素、无固溶度的限制 横向扩展比扩散要小得多。
2
NB
x j R p DR p
2 ln
Ns 1 2 DR p N B
4.2.2
横向效应

横向系数: B >Sb,约0.5，比热扩散小(0.75-0.85)
4.2.3

沟道效应
入射离子的阻挡作用与晶体取向有关, 可能沿某些方向由原子列包围成直通道－－沟道，离 子进入沟道时，沿沟道前进阻力小，射程要大得多。
快速退火）
注入杂质原子能量损失
携能杂 质离子
硅晶格
Si Si Si X-射线 Si Si Si Si Si Si Si
电子碰撞
Si Si
原子碰撞
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si
被移动的硅原子
Si
4.1
核碰撞和电子碰撞
设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 领可定义为: （4.1） dE
2
M 1 M 2 2
实际上注入离子与靶原子之间还存在着相互作用力。若忽略外围电子的屏 蔽作用，这两个粒子之间的作用力实际上就是库仑力：
q 2 Z1 Z 2 F r r2
（4.5）
（4.6）
而注入离子与靶原子之间的势函数形式为 （4.7） Z1和Z2分别为两个粒子的原子序数，r为距离(只考虑库仑作用时，对运动 缓慢而质量较重的注入离子来说，所得结果与实验不太符合)。 当考虑电子屏蔽作用时，注入离子与靶原子之间 的的势函数表示为：
优点： 1）可在较低的温度下，将各种杂质掺入到不同的半导体中； 2）能精确控制掺入基片内杂质的浓度分布和注入深度； 3）可以实现大面积均匀掺杂，而且重复性好； 4）掺入杂质纯度高； 5）获得主浓度扩散层不受故浓度限制； 6）由于注入粒子的直射性，杂质的横向扩散小； 7）可以臵备理想的杂质分布； 8）可以通过半导体表面上一定厚度的SiO2膜进行注入而实行 掺杂； 9）工艺条件容易控制。 缺点： 1）高能离子注入改变晶格结构； 2）设备贵。
e e
阻止损失能量，核阻止损失的
R 能量可忽略,则射程： k1 E
12
E Ec 则入射离子主要以 其中V为注入离子的速度，Ke与注入离子的原子序数、核阻止形式损失能量，射程： 质量、靶材料的原子序数以及质量有着微弱的关系。 R k 2 E0 在无定形靶中近似为一常数。
(一).射程的概念
一.损伤形式
1、孤立的点缺陷或缺陷群， 2、局部非晶层，一般与低剂量的重原子注入有关， 3、非晶层，局部非晶层的相互重叠， 解决：退火、激活
离子束 修复硅晶格结构 并激活杂质－硅键
a) 注入过程中损伤的硅晶格
b) 退火后的硅晶格
二.移位原子数的估算
4.3.2
非晶层的形成
4.3.3
损伤区的分布
wk.baidu.com

解决办法:以大于临界角注入；制备非晶层；破坏硅的晶 体结构。
4.2.4
浅结的形成
随集成度的提高，为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器 件的短沟道效应，需减小CMOS的源、漏结的结深。而且CMOS器 件还要求高的表面掺杂浓度、低接触电阻以及小的结漏电流。 浅结工艺是目前集成电路发展中最为关注的工艺之一。 浅结制造困难较多，①如硼注入形成浅P＋结，②降低注入 能量形成浅结，但低能注入时的沟道效应明显，离子束稳定性， 尤其需大束流注入的源、漏区和发射区，问题更严重。由空间 电荷效应造成（带电离子相互排斥造成的。离子的能量低、飞 行时间长、导致离子束发散），可利用宽束流和缩短路径加以 解决。见教材P102－P103。 预先非晶化是一种实现P+结的比较理想方法。在注硼前， 以重离子高剂量注入形成表面非晶层，以减小沟道效应；也可 注入不激活物质如Si+、Ce+、Sb＋形成非晶层。注入Si+结深下 降20％。注入Ce+ 结深下降40％，具有更小的缺陷和漏电流。
1.平均投影射程Rp，标准偏差DR通过查表 根据靶材（Si，SiO2，Ge），杂质离子(B，P，As)能量 （keV）
2.单位面积注入电荷：Qss ＝It/A，I：注入束流，t:时 间，A：扫描面积（园片尺寸） 3.单位面积注入离子数(剂量)： Ns ＝ Qss/q =(I t) /(q A) Ns 4.最大离子浓度：NMAX= 2 DR
第四章 离子注入
教师： 潘国峰 E-mail:pgf@hebut.edu.cn
河北工业大学微电子研究所
离子注入技术始于20世纪60年代。离子注入技术大大推动 了半导体器件和集成电路的发展, 使集成电路的生产进入超大 规模时代。 1952年,美国贝尔实验室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提出采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.Cmsins发现硼离子轰击锗晶片时，可在N型 材料上形成P型层。到了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已基本完成。离子 注入技术开始在半导体器件生产上得到广泛应用。 1968年，报道了采用离子注入技术制造的、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年后对离子注入现像有了更深入的了解,并且采用离子注 入技术制造具有不少独特优点的砷化镓高速集成电路。 目前，离子注入技术已成为超大规模集成电路制造中不可 缺少的掺杂工艺。



2．硼的退火特性
Ⅰ区单调上升：点缺陷、陷井 缺陷消除、自由载流子增加。 Ⅱ区出现反退火特性：代位硼 减少，淀积在位错上。 Ⅲ区单调上升剂量越大，所需 退火温度越高。
3．磷的退火特性
杂质浓度达1015以上时出现无定 形硅，退火温度600℃～800℃
4.扩散效应
5.快速退火
离子注入优缺点
沿 <110> 轴的硅晶格视图
Used with permission from Edgard Torres Designs
离子入射角与沟道
<100>
<110>
<111>
Used with permission from Edgard Torres Designs
离子注入到无定形靶中的高斯分布情况
S n E dx n dE S e E dx e
同样，电子阻止本领定义为:
（4.2）
在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为:
dE S n E S e E dx
（4.3） 如果知道了Sn(E)和Se(E)，就可以直接对上式积分，求出注入离子在靶内 运动的总路程:
浅结
多晶硅栅
180 nm
54 nm 砷注入层
20 Å 栅氧化层厚度
§4.3、注入损伤与退火
4.3.1
级联碰撞
因碰撞而离开晶格位臵的原子称为移位原子。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。当注入离子能量较高 时，以非弹性碰撞为主，能量较低时，主要为弹性碰撞，在集成电路制造 中，离子注入主要为弹性碰撞。 使处于晶格位臵的原子发生移位所需最小能量称为移位阈能（Ed）。注 入离子与靶内原子碰撞，存在三种形式：①传递能量<Ed，没有移位原子； ②Ed<传递能量<2Ed，被碰撞原子本身可以离开晶格，并留下一个空位。③ 被碰撞原子移位后能量还很高，不断与其它原子碰撞。硅的Ed＝14ev-15ev， 一般会小于该能量范围。 移位原子（反冲原子）与入射离子碰撞产生移位的原子，移位原子又 会和相邻原子碰撞，形成级联碰撞。造成大量靶原子的移位，形成大量空 位和间歇原子，形成损伤。 级联碰撞密度不大时，产生孤立、分开的点缺陷；密度大时，加重 损伤程度，甚至造成非晶层。
杂质离子的射程和投影射程
入射离 子束
硅衬底 对单个离 子停止点
Rp
DRp杂
质分布
注入能量对应射程图
1.0 注入到 硅中 Projected Range, Rp (mm)
B 0.1
P
As
Sb
0.01
10
100
注入能量 (keV)
1,000
4.2 注入离子的分布
4.2.1 注入离子的纵向分布
* 注入离子的分布计算
q V r
2
q 2 Z1 Z 2 V r r
（4.8） f(r/a)是电子屏蔽函数，a为屏蔽参数（其大小与 玻尔半径同数量级）。
Z1 Z 2 r f r a
一般地说，当r由零变∞时，f(r/a)应该由1变到零。其最简单形式：
r a f a r
（4.9）
*注入离子分布

1 x R 2 p N(x)=Nmax exp DR 2 p

N(x):距表面x处的浓度, DRp:查表所得的标准偏差 Nmax:峰值浓度(x=Rp处) Rp:平均投影射程

*离子注入结深计算
N (x j ) 1 xR NS p exp 2 DR p 2 DR p
轻离子，电子碰撞为主，位移少，晶格损伤小，损伤体 积计算见P105
重离子，原子碰撞为主，位移多，晶格损伤大,损 伤体积计算见P105 4.22式
4.4

热退火
退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、氩 等高纯气体的保护下，经过适当时间的热处理， 作用：①部分或全部消除硅片中的损伤，少数载流子 的寿命及迁移率也会不同程度的得到恢复；②电激活 掺入的杂质。 根 据 注 入 的 杂 质 数 量 不 同 ， 退 火 温 度 一 般 在 450 － 950℃之间。 讲授内容：硅的热退火特性、硼的退火特性、磷的退 火特性、扩散效应、快速退火等5部分。
R
E0 dE dE E0 S ( E ) S ( E ) 0 S E S E n e n e 0
（4.4）
E0为注入离子的起始能量。
4.1.1 核阻止本领
在碰撞参数p=0时，两球将发生正面碰撞，此时传输的能量（最大）用TM表 4M 1 M 2 1 2 示： TM M 2U 2 E0