离子注入

离子注入的沟道效应
离子注入的通道效应
离子注入的沟道效应
解决沟道效应的方法 1.倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入方向，典型值为7°； 2.先重轰击晶格表面，形成无定型层； 3.表面长二氧化硅、氮化硅、氧化铝无定型薄层。 即使晶体某个晶向平行于离子注入方向,但注入离子进入晶 体前,在无定形的介质膜中多次碰撞后已经偏离了入射方向,偏 离了晶向。 在无定形靶运动的离子由于碰撞方向不断改变，因而也会有 部分离子进入沟道，但在沟道运动过程中又有可能脱离沟道， 故对注入离子峰值附近的分布并不会产生实质性的影响。
非晶层 退火方 的形成 式不同
简单晶格损伤
注入轻离子 在初始阶段，能量损失主 要是由电子阻止引起的，不产 生移位原子。注入离子能量损 失到到一定程度后，核阻止将 起主要作用，晶格损伤主要产 生于此。 注入重离子 对于重离子，主要是通过 核碰撞损失能量。
级联碰撞
级联碰撞 移位原子也称为反冲原子,与入射离子碰撞而发生移位 的原子,称为第一级反冲原子。与第一级反冲原子碰撞而移 位的原子,称为第二级反冲原子„,这种不断碰撞的现象称 单位体积内的移位原子数目 为“级联碰撞”。 接近半导体的原子密度时， 此区域称为非晶区域。 注入离子在硅衬底中产生的3类损伤 局部的非晶区域相 简单 退火方 1.在原来硅晶体中产生孤立的点缺陷或缺陷群； 晶格 互重叠形成非晶层 式相同 2.在晶体中形成局部的非晶区域； 损伤 3.由于注入离子的损伤的积累形成非晶层。
注入的离子纯度高 可以精确控制掺杂原子数目 温度低,小于400℃,掩蔽材料不需耐高温 离子注入深度随离子能量的增加而增加，掺杂深度 可控 非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制 低温注入，避免高温扩散所引起的热缺陷 横向扩散效应比热扩散小得多 离子通过硅表面的薄膜注入，薄膜起到保护膜的作 用，防止污染。 化合物半导体在高温处理时可能发生变化，采用离 子注入可以对化合物半导体进行掺杂
级联碰撞
移位原子
因碰撞而离开晶格位置的原子称为移位原子。 能量淀积过程 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。一般来说，能量淀积可 以通过弹性碰撞和非弹性碰撞两种形式进行。弹性碰撞 能量是守恒的，非弹性碰撞将一部分动能转化为其他形 式的能。
当注入离子的能量较高时，非弹性碰撞淀积过程起 主要作用；离子的能量较低时，弹性碰撞占主要地位。 在集成电路制造中，弹性碰撞占主要地位。
dx
n e
注入离子在靶内运动的总路程：
R
o Eo Eo dE dE S n (E) Se (E) o S n (E) Se (E)
E0为注入离子的起始能量。
核阻止本领
选用托马斯-费米函数时，核阻止与粒子能量的关系如下图：
图中，低能量时核阻止本领随注入离子能量增加线性 增加；在高能量时，因快速运动的离子没有足够的时间与 靶原子进行有效的能量交换，所以核阻止本领变小。
注入损伤
离子注入技术的最大优点，就是可以精确地控制掺杂 杂质的数量及深度。但在离子注入过程中，衬底的晶体结 构受到损伤是不可避免的。
在碰撞过程中，靶原子可能离开晶格位置进入间隙， 成为间隙原子并留下一空位，形成间隙-空位缺陷对。间隙 原子只要具有足够的能量，在运动过程中将继续与其他靶 原子碰撞，使得在入射离子运动轨迹的周围产生大量的缺 陷，晶格受到损伤。
实际上，高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。 这是因为高斯分布是在随机注入条件下得到的粗略结果，那 些碰撞次数小于平均值的离子，可能停留在比Rp更远处；而 碰撞次数大于平均值的离子可能停留在表面与Rp之间。 实际注入时还有更多影响因素。


轻离子入射时，受到大角度的散射， 分布在峰值位置与表面一侧的离子数 量大于峰值位置的另一侧，例如B离子 注入硅靶中,B与Si原子相撞,被反向散 射的B离子数量增多。 重离子入射时，将引起在比峰值位置 更远一侧有更多的离子分布，如As离 子注入硅靶中。
注入离子在无定形靶中的分布
纵向பைடு நூலகம்布
注入离子在靶内的射程和离散的 微分方程由LSS建立。在一级近似下 用高斯函数表示为：
1 x Rp 2 n( x) N max exp[ ( ) ] 2 R p
n(x)—距离靶表面为x处的离子浓度； Nmax—峰值浓度； Rp—平均投影射程；
△Rp—Rp的标准偏差。
离子注入
四、离子注入的缺点
产生的晶格损伤不易消除
很难进行很深或很浅的结的注入 高剂量注入时产率低 设备价格昂贵（约200万美金）
离子注入
五、离子注入的应用
可以用于n/p型硅的制作 隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断 调整阈值电压用的沟道掺杂 CMOS阱的形成 浅结的制备
核碰撞和电子碰撞
Electronic collision Si Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
两者质量相差大，碰撞后注入 注入离子在靶内的分布理 离子的能量损失很小，散射角 论，简称LSS理论。LSS理论认 Silicon crystal lattice 度也小，即每次碰撞都不会显 为，注入离子在靶内的能量损 Si Si Si 著地改变注入离子的动量，又 失方式有两种： X-rays 由于散射方向是随机的，虽然 电子碰撞 Si Si Si 经过多次散射，注入离子运动 注入离子与靶内自由电子 Atomic collision 方向基本不变。 质量为同一数量级，故碰撞后注 以及束缚电子间的碰撞。 Si Si 入离子会发生大角度的散射，失 Displaced Si atom 去一定的能量。靶原子也因碰撞 Si Si Si Si 核碰撞 而获得能量，如果获得的能量大 注入离子与靶内原子核间 于原子束缚能，就会离开原来所 的碰撞。 在晶格位置，进入晶格间隙，并 留下一个空位，形成缺陷。
电子阻止本领
将电子看为自由电子气，电子的阻止类似于粘滞气体的 阻力。
电子阻止本领同注入离子的速度成正比，即与注入离子 能量的平方根成正比：
S e ( E ) CV k e ( E )1 / 2
式中，V为注入离子速度，系数Ke与注入离子和靶的原子 序数、质量有微弱关系，粗略估计下，可近似为常数。
Two important parameters: Dose concentration Energy depth
Typical implant voltages: 50~200 KeV, the trend is to lower voltages.
Typical implant dose: 1011~1016 cm2.
注入离子在无定形靶中的分布
横向效应
横向效应是指注入离子在垂 直入射方向的平面内的分布情况。 横向效应与注入离子有关， 与入射离子的能量有关。 离子注入的横向效应比热扩 散要小很多。
离子注入的沟道效应
沟道效应的定义 当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离 子将沿沟道运动，受到的核阻止和电子阻止作用很小，注入 离子的能量损失率就很低，故注入深度较大，此称为沟道效 应。 产生沟道效应的原因 当离子注入的方向=沟道方向时,离子因为没有碰到晶格 而长驱直入，故注入深度较大。 沟道效应产生的影响 在不应该存在杂质的深度发现杂质。
纵向分布
Δ Rp是表征注入离子分布分散情况的 一个量，称为标准偏差，即为投影射 程对平均值Rp偏离的均方根：
2 M 1M 2 Rp Rp 3 M1 M 2
通过靶表面单位面积注入的离子总 数（剂量）NS为：
Ns

1 x Rp 2 n( x) N max exp[ ( ) ] 2 R p
级联碰撞
移位阀能
使一个处于晶格位置的原子发生移位所需要的最小能 量称为移位阀能，用Ed表示。 注入离子与靶内原子碰撞的3种可能 1.碰撞过程中传递的能量小于Ed,被碰原子在平衡位置振动, 将获得的能量以振动能形式传递给近邻原子,表现为宏观热 能； 2.碰撞过程中传递的能量在Ed和2Ed间,被碰原子成为移位原 子，并留下一个空位,但它不可能使与它碰撞原子移位； 3.被碰原子本身移位后,还具有很高的能量，在它运动过程 中，还可以使与它碰撞的原子发生移位。
n( x)dx
2 N max R p Ns
n x Rp N max
2 Rp

0.4 N s Rp
总剂量决定了峰值的浓度
注入离子在无定形靶中的分布
纵向理论分布
n( x ) 1 x Rp 2 exp[ ( ) ] 2 R p 2 R p Ns
注入离子在无定形靶中的分布
纵向分布
Rp和R之间的关系一般可表示为： bM 2 R 1 Rp M1 式中，b是E和R的缓慢变化函数， M1和M2分别是注入离子和靶原子 的质量。 在核阻止占优势的能量范围内， 当M1>M2时，经验规律为：
M2 R 1 Rp 3M 1
注入离子在无定形靶中的分布
浅结的形成
预先非晶化
预先非晶化是实现P+结的比较理想方法。如在注B 之前，先用重离子高剂量注入，使硅表面变为非晶的 表面层。这种方法可以使沟道效应减小到最小，与重 损伤注入层相比，完全非晶化层在退火后有更好的晶 体质量； 预先非晶化的p-n结的漏电流和最终的结深是与退 火后剩余缺陷数量以及结的位置有关。预先非晶化之 后再通过固相外延再结晶，会在非晶区与结晶区的界 面形成高密度的位错环，若界面缺陷区在结的附近， 那么漏电流和杂质的扩散都会增加。
核阻止本领和电子 阻止本领比较
低能区 中能区 高能区
核阻止本领和电子 阻止本领比较
一级近似下，核阻止本领与入射离子的能量无关。
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着一定的关系， 一般来说，粒子束的注入方向与靶垂直方向的夹角比较小。
注入离子在靶内受到的碰撞是随机过程。如果注入的 离子数量很小，它们在靶内的分布是分散的，但是大量注 入离子在靶内的分布是按一定统计规律分布。
第四章 离子注入
本章主要内容
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
一、离子注入简介
离子注入发展于20世纪60年代，是一种代替高温扩散向 半导体中引进掺杂剂的方法。离子注入已成为VLSI制程上最 主要的掺杂技术。一般CMOS制程，大约需要6~12个或更多的 离子注入步骤。 离子注入是将掺杂剂通过离子注入机的离化、加速和质 量分析，成为一束由所需杂质离子组成的高能离子流而投入 半导体晶片（俗称为靶）内部，并通过逐点扫描完成对晶片 的注入。 离子注入中，被掺杂的材料称为靶，轰击靶的离子在靶 表面被反射，不能进入靶内的为散射离子；进入靶内的离子 为注入离子。
离子注入的沟道效应
解决沟道效应的方法
浅结的形成
形成浅结的困难是多方面的，目前采用的方法主要有：
采用分子注入法 硼质量较轻，投影射程深，故采用BF2分子注入法，进 入靶内因碰撞而发生分解，释放原子硼。但此方法因氟的 电活性形成缺陷群, B的扩散系数高以及硼被偏转入主晶轴 方向的几率大等缺点，现采用此法正逐步减少。 降低注入离子的能量 此方法的缺点是，低能下沟道效应比较明显，且离子的 稳定向较差，原因为带电离子的相互排斥（空间电荷效应）。 可以通过降低束流密度或缩短路径长度来降低空间电荷效应。
离子注入
二、离子注入的特点
离子经加速，到达半导体表面； 离子经过碰撞损失能量，停留在不同深度的位置， 此位置与离子能量有关； 离子走过的距离，即透入深度，称为射程。射程的 大小与离子动能以及半导体的结构特性有关 ； 杂质分布对于晶体相对离子束方向的取向表现出强 烈的依赖性。
离子注入
三、离子注入的优点
Energetic dopant ion
核碰撞和电子碰撞
核阻止本领：可以理解为能量为E的一个注入离子，在单位 密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。
dE Sn (E) dx n 电子阻止本领： S e ( E ) dE dx e
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 ( E ) S ( E )]