离子注入ppt课件

1,第四章 离子注入,2,4.1离子注入设备与工艺 4.2核碰撞和电子碰撞 4.3注入离子在无定形靶中的分布 4.4注入损伤 4.5热退火,3,离子注入技术是20世纪60年代开始发展起来的掺杂工艺,它在很多方面都优于扩散工艺.由于采用了离子注入技术,推动集成电路的发展,从而使集成电路进入了超大规模.,4,扩散是一个化学过程,离子注入是一个物理过程. 所谓离子注入技术，就是将需要作为掺杂剂的元素原子离化，转变为离子，并将其加速到一定能量（50-500keV）后，注入到晶片表面，以改变晶片表面的物理和化学性质。,5,离子注入就象用枪将子弹打入墙中一样子弹从枪中获取是量的动量，射入到墙体内停下离子注入过程中发生相同的情形，替代子弹的是离子，掺杂原子被离化、分离、加速形成离子束流，注入衬底Si片中，进入表面并在表面以下停下。,6,什么是离子注入,是离子被强电场加速后注入靶中，离子受靶原子阻止，停在其中，经退火后，杂质进入替位位置，电离成为具有电活性的杂质，这一过程是一非平衡的物质过程,是一种掺杂工艺。,离子注入的基本过程 将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子 在强电场中加速，获得较高的动能 注入材料表层（靶）以改变这种材料表层的物理或化学性质。,7,4.1离子注入设备与工艺,离子注入系统 离子注入系统： 应具备合适的可调能量范围和 束流强度，能满足多种离子的注入， 有好的注入均匀性以及无污染等性 能。 离子注入系统通常分为三部分： 离子源、加速器和终端台。,8,离子注入机 源：采用气态源、固态源，大部分氟化物PF5,AsF5,BF3,通过加热分解气态源，使其成为带电离子P+，B+，As+,通过加速管，使它们在管内被电场加速到高能状态，注入到Si片中,9,直接注入 离子在光刻窗口直接注入Si衬底。射程大、杂质重时用。 间接注入； 通过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。间接注入沾污少，可以获得精确的表面浓度。 多次注入 通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近；也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中，使杂质分布为设计形状。,9,注入方法,10,离子注入有别于扩散工艺的特点表现在以下几个方面：,1、可以用质量分析系统获得单一能量的高纯杂质原子束，没有沾污。因此，一台注入机可用于多种杂质。此外，注入过程是在真空下即在本身是清洁的气氛中进行的。 2、注入的剂量可在很宽的范围（10111017离子/cm2）内变化,且在此范围内精度可控制到1。与此相反,在扩散系统中,高浓度时杂质浓度的精度最多控制到510,低浓度时比这更差。,11,3、离子注入时，衬底一般是保持在室温或温度不高（400），因此，可用各种掩模（如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶）进行选择掺杂。在制备不能采用扩散工艺的器件时，这为独特的自对准掩模技术的设计提供了很大的自由度。 4、离子束的穿透深度随离子能量的增大而增大，因此，控制同一种或不同种的杂质进行多次注入时的能量和剂量，可以在很大的范围内得到不同的掺杂剂浓度分布截面。用这种方法比较容易获得超陡的和倒置的掺杂截面。,12,5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质浓度可以不受固溶度的限制。 6、离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所引起的热缺陷。 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器件特征尺寸缩小。 8、离子注入是通过硅表面的薄膜入射到硅中，该膜起到了保护作用，防止污染。 9、容易实现化合物半导体材料的掺杂。,13,缺点,会在晶体中引入晶格损伤 产率低 设备复杂，投资大,14,基本概念,靶：被掺杂的材料称为靶 散射离子：一束离子轰击靶时，其中一部分离子在靶表面就被反射了，不能进入的离子称散射离子。 注入离子：进入靶内的离子称注入离子,15,4.1 核碰撞和电子碰撞,离子注入不仅要考虑注入离子与靶内自由电子和束缚电子的相互作用，而且与靶内原子核的相互作用也必须考虑。 1963年，林华德、沙夫、希奥特，首先确立了注入离子在靶内的能量损失分为两个过程：核碰撞和电子碰撞，总能量的损失为它们的总和。,16,4.1 核碰撞和电子碰撞（LSS理论）,LSS理论对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究,射程分布（LSS）理论 带有一定能量的入射离子在靶材内同靶原子核和电子相碰撞，进行能量交换，最后静止。 1963年，林华德、沙夫、希奥特，首先确立了LSS理论，认为注入离子在靶内的能量损失分为两个独立的过程： a. 核碰撞阻止； b. 电子碰撞阻止。 总能量损失为两者之和,17,核碰撞：指注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。由于入射离子与靶原子的质量一般为同一数量级，因此每次碰撞后，注入离子发生大角度的散射，并失去一定的能量，如果靶原子获得的能量大于束缚能，就会离开晶格位置，进入晶格间隙，留下空位，形成缺陷.,电子碰撞：指注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬间形成电子空穴对。由于两者的质量相差很大，每次碰撞注入离子能量损失小，散射角度小，运动方向基本不变。,18,阻止本领（stopping power）：材料中注入离子的能量损失大小。单位路程上注入离子由于核阻止（Sn(E)）和电子阻止(Se(E) )所损失的能量 。 核阻止本领Sn(E) ：来自靶原子核的阻止。 电子阻止本领Se(E) ：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。,-dE/dx：能量损失梯度 E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量 Sn(E)：核阻止本领 Se(E)：电子阻止本领 N: 靶原子密度 51022 cm-3 for Si,能量为E的入射粒子在密度为N的靶内走过x距离后损失的能量,19,1.核阻止本领 核阻止：注入离子与靶内原子核碰撞能量的损失 能量为E的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。 能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。,低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加，而在某个中等能量达到最大值，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，所以核阻止变小。,20,评价 核阻止过程可以看作是一 个入射离子硬球与靶核硬球之 间的弹性碰撞。但实际的离子 注入系统，情况比两硬球碰撞 复杂得多： 三维空间,有效势场 电子屏蔽作用 Sn(E) 的计算比较复杂， 无法得到解析解，通过数值计 算可以得到曲线形式的结果。,21,2.电子阻止,在LSS 理论中，把固体中的电子看作为自由 电子气，那么电子阻滞就类似于黏滞气体的 阻力，即：电子对离子的影响很像一个粒子 在流体中的移动。 在注入离子的常用能量范围内，电子阻滞能 力的大小与入射离子的速度成正比：,电子阻滞本领,离子速度,式中，k 是一个与入射离子的原子序数及质量、靶材料的原子 序数及质量有关的比例系数。在粗略近似下，对非晶靶来说，k为常数,22,3. 射程估算 a. 离子注入能量可分为三个区域： 低能区 核阻滞能力占主导地位，电子阻滞可被忽略； 中能区 在这个比较宽的区域，核阻滞和电子阻滞能力同等重要， 必须同时考虑； 高能区 电子阻滞能力占,主导地位，核阻滞可被忽略。 超出实际应用范围；,b. Sn(E) 和 Se(E) 的能量变 化曲线都有最大值。分别在低 能区和高能区； c. 两条曲线交点存在一个,临界能量E2，也称为Ec。不同 靶和注入离子，Ec值不同。,23,4.2 注入离子在无定形靶中的分布,非晶靶中注入离子的浓度分布,R：射程（range） 离子在靶内的总路线长度 Rp：（平均）投影射程（projected range） R在入射方向上的投影,Rp：纵向标准偏差（Straggling） 投影射程的平均偏差 R：横向标准偏差（Traverse straggling） 垂直于 入射方向平面上的标准偏差,任何一个注入离子，在靶内所受到的碰撞是一个随机过程。如果注入的离子 数量很少，它们在靶内分布是很分散的，但如果注入大量的离子，那么它们在靶内将按一定统计规律分布。,24,纵向分布 离子注入的实际浓度分布用高斯函数表示 在一级近似情况下，高斯分布只在 峰值附近与实际分布符合较好,单位面积注入的离子总数,标准偏差与RP近似关系,注入离子的二维分布,25,在 x = RP 的两侧，注入离子浓度对称地下降，且下降速度越来越快： 峰值附近与实际分布符合较 好，当离峰值位置较远时，有较 大偏离。,注入离子的二维分布,26,注入离子的真实分布,真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布 硼比硅原子质量轻得多，硼离子注入就会有较多的大角度散射。被反向散射的硼离子数量也会增多，因而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，不服从严格的高斯分布。 砷等重离子和硼轻离子的分布正好相反。,27,+,横向效应,横向效应指的是注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况。 掩膜边缘的杂质浓度是中心浓度的50%。,一束半径很小的离子束，沿垂直于靶表面的 x方向入射到非晶靶内，注入离子的空间浓度分布为：,28,横向效应不但与注入离子的种类有关，也与入射离子的能量有关。,29,横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。 （扫描电镜照片）,35 keV As注入,120 keV As注入,30,离子注入的沟道效应 非晶靶：原子排列杂乱无章，入射粒子的碰撞过程是随机的， 受到的阻滞为各向同性，入射离子从不同方向射入靶中将得到相同 的射程。 单晶靶：原子的排列是有规则和周期性的，靶原子对入射离子 的阻滞作用取决于晶体的取向，是各向异性的，入射离子从不同方 向射入靶中将得到不同的射程。 沟道效应：当对晶体靶进行离子注入 时，如果离子注入的方向与晶体的某个晶 向平行，注入深度就有可能比较深，大于 在非晶靶中的深度，产生沟道效应。 沿晶向金刚石结构模型,31,出现沟道效应，则很难控制注入离子的浓度分布，会使分布产生一个很长的拖尾。,32,离子束从轴偏斜7入射,沟道效应与离子注入方向的关系,入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟道效应，只有当入射离子的入射角小于某一角度时才会发生，这个角称为临界角,33,110,111,100,倾斜旋转硅片后的无序方向,沟道效应与单晶靶取向的关系 硅的方向沟道开口约1.8 ， 方向沟道开口 约11.22 ， 方向沟道开口介于两者之间。因此，沟道效应 依、 、 顺序减弱。,34,实践表明，沟道效应与多种因素有关，包括：,单晶靶的取向 离子的注入方向 离子的注入能量 注入时的靶温 注入剂量,35,a. 在晶体上覆盖一层非晶体的表面层：常用非晶覆盖材料是一 层薄氧化层。使离子束方向随机化，离子以不同角度进入晶片； b. 将晶片晶向偏转：大部分注入系统将硅片倾斜7，并从平边 扭转22； c. 在晶片表面制作一个损伤层：在晶片表面注入大量硅或锗可 以损伤晶片表面，在晶片表面产生一个随机层。,将沟道效应降低到最小：,36,浅结的形成 随着集成度提高，微电子器件的特征尺寸越来越小，浅结工艺 成为目前人们最关心的工艺之一。 以用硼形成浅的p+结为例，浅结形成有三个方面的困难： a. 硼质量较轻，注入的投影射程深 解决方法：采用BF2作为注入物质，进入靶内的分子在碰撞过程 中分解，释出原子硼。但因F存在造成问题，目前使用渐少。 b. 沟道效应 降低离子能量是形成浅结的重要方法。但在低能情况下，沟道 效应很明显，可能使结深增加一倍，且离子束稳定性降低。 解决方法：预先非晶化。如在注硼之前，先以重离子（如Si+、 Ge+）高剂量注入，在硅上形成非晶表面层。这种方法可使沟道效应 减到最小（如采用Si+，结深下降40%）。,37,c. 退火时的异常扩散 实验发现退火后的实际杂质分布比通常预测的要深，原因是离子 注入时形成的高浓度缺陷增强了杂质的扩散，这种现象称为瞬时增强 扩散 / 瞬间退火效应。,解决方法：可以在退火前先在 500 650 之间进行一次补充 处理来消除这些缺陷。,38,4.3 注入损伤,一、注入损伤 离子注入的最大优点是可以精确控制掺杂杂质的数量及深度。但 是，在离子注入的过程中，衬底的晶格结构受到损伤是不可避免的。 带有一定能量的离子进入靶内，经一系列与原子核和电子的碰撞 损失能量最后驻留下来。其中，只有 与原子核的碰撞才能转移足够能量使 靶原子离开晶格而造成注入损伤晶 格无序（lattice disordor）。 因碰撞而离开晶格位置的原子称 为移位原子反冲原子。使一个处于 晶格位置的原子发生移位，所需最小 能量称为移位阈能（Ed）。,39,实际上，注入离子与靶原子电子之间弹性和非弹性碰撞同时 存在，碰撞的结果有三种： a. 碰撞过程传递的能量小于Ed 不可能产生移位原子。被撞 原子在平衡位置振动，表现为宏观的热能； b. 碰撞过程中靶原子获得的能量大于Ed而小于2Ed 被撞原子 离开晶格成为移位原子并留下一个空位。但该移位原子所具有的能 量不可能使继续与它碰撞的原子移位； c. 被撞原子本身移位之后还具有很高的能量 在其后的运动 过程中还可使与它碰撞的其它原子移位。 与入射离子碰撞而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，以下依次类推。 这种不断碰撞的现象称为级联碰撞。,40,注入离子在晶体中产生的损伤主要有以下几种： a. 在原本为完美晶体的靶中产生孤立的点缺陷或缺陷群（即注 入离子每次传递给靶原子的能量约等于移位阈能）； b. 在晶体中形成局部的非晶区域。单位体积内移位原子数接近 晶体原子密度时，此区域即成非晶区域。一般与轻离子或低剂量的 重离子注入有关； c. 由于注入离子引起损伤的积累而形成非晶层，即随着注入剂 量的增加，局部非晶区域相互重叠形成非晶层。 第一和第二类损伤称为简单晶格损伤，第三类称为非晶层形成。 划分的原因与退火机制有关。,41,简单晶格损伤 同靶原子硅相比，如果注入的是轻离子（如硼）或小剂量的重离子 （如磷、砷、氩等），在靶中只产生简单的晶格损伤。 对于轻离子注入，大部分晶格无序发生在离子驻留的最终位置附近， 要形成非晶层，需要非常大的剂量。而对于重离子注入，能量损失主要 是由于与原子核的碰撞，因此出现大量损伤是可以预料的。,轻离子引起的树状注入损伤,重离子注入引起的简单晶格损伤,42,非晶的形成 注入离子引起的晶格损伤可能是 简单的点缺陷，也可能是复杂的损伤 复合体，损伤严重时可形成非晶区甚 至非晶层。损伤情况与多种因素有关： 注入离子的能量、质量、注入剂量、 靶温以及晶向等。 离子注入时，在其他条件相同的 情况下，靶温越高损伤情况越轻，因 为在离子注入的同时存在一个自退火过程。,非晶层临界剂量与温度的关系,43,4.4 热退火,离子注入造成的晶格损伤，对材料的电学性质（载流子迁移率、 少子寿命等）将产生重要影响，需在后面工艺中消除；同时，另一部 分注入离子处于晶格间隙，并不占据替位位置，起不到施主或受主作 用，需要进行激活，使其移动到晶格点阵位置。 如果将注有离子的晶片在适当时间与温度下进行热处理，则晶片 内的损伤可能得到大部分消除， 材料参数得到恢复，同时一定 比例的杂质被电激活，这样的 处理过程称为退火。 退火工艺的合理选择对器 件性能至关重要，不同的注入 离子、注入剂量和注入温度所 要求的退火工艺也不同。,44,45,在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩散进入替位，有电活性；并使晶体损伤区域“外延生长”为晶体，恢复或部分恢复硅的迁移率，少子寿命。 退火效果与温度，时间有关。一般温度越高、时间越长退火效果越好。 退火后出现靶的杂质再分布。,具体做法,46,硅材料的热退火特性 消除晶格损伤的原因 由于硅片处于较高的温度，原子振动能增大，因而移动能力加强，可使复杂的损伤分解为点缺陷或者其他形式的简单缺陷（空位、间隙原子）。这些结构简单的缺陷，在热处理温度下能以较高的迁移率移动，当它们 互相靠近时，就可能复合使缺陷消失。,方法：一定温度下，通常在Ar、N2或真空条件下退火温度取决于注入剂量及非