离子注入PPT课件

-,1,本章主要内容,离子注入特点离子注入设备原理离子注入机理离子注入分布离子注入损失注入退火离子注入与热扩散对比,-,2,4.1离子注入特点,定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。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。特点:注入温度低:对Si，室温；对GaAs,Ene：Se(E)为主，则Rk1E01/2k1=2/ke对非晶Si：ke1x103(eV)1/2m-1；对非晶AsGa：ke3x103(eV)1/2m-1；注入离子初始能量E0Ene：Sn(E)为主，且假设Sn(E)=Sn0，则Rk2E0,4.3离子注入机理-核碰撞与电子碰撞,-,17,4.4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，,式中，E0注入离子的初始能量。,-,18,2.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（离子注入深度的平均值），具有统计分布规律几率分布函数。,4.4注入离子分布,-,19,4.标准偏差（投影偏差）RP反映了RP的分散程度（分散宽度）5.R、RP及RP间的近似关系,M1注入离子质量，M2靶原子质量,4.4注入离子分布,-,20,4.4.1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-高斯函数Nmax=0.4NS/RP峰值浓度（在RP处），NS注入剂量,4.4注入离子分布,-,21,4.4注入离子分布,-,22,4.4.2横向效应横向效应与注入能量成正比是结深的3050；窗口边缘的离子浓度是中心处的50；,4.4注入离子分布,-,23,4.4.3沟道效应(ionchanneling)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。,4.4注入离子分布,-,24,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注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值-70；淀积非晶表面层（SiO2)；在表面制造损伤层；提高靶温；增大剂量。,4.4注入离子分布,-,25,4.5注入损伤,离子注入的碰撞：弹性碰撞和非弹性碰撞注入能量较高：与电子的非弹性碰撞为主；注入能量较低：与靶原子核的弹性碰撞为主。4.3.1级联碰撞Ed:靶原子离开其平衡位置所需的最低能量。ET:碰撞后靶原子获得的能量。若ETEd：靶原子位移，留下空位；若ETEd：位移原子（反冲原子）再与靶原子碰撞，产生级联碰撞。,-,26,4.3.2晶格损伤轻注入离子：如，起始以电子碰撞为主；重注入离子：如，起始以核碰撞为主。,4.5注入损伤,-,27,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=8.75eVEd=15eV，Si不位移；当能量衰减为E=40keV（进入约130nm）,S（E）=60eV/nm，则ET=60X0.25=15eV=Ed，Si位移，且位移2.5nm/次；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（个）设：Si位移2.5nm,则损伤体积为Vdam=（2.5nm)2(120nm)=2.4X10-18cm3损伤密度=480/Vdam=2X1020cm-3(占相应体积中所有原子的0.4%）,4.5注入损伤,-,28,例2：As离子，E0=80keV，Rp=50nm，平均S（E）=1.2keV/nm1个As共产生约4000个位移SiVdam=（2.5nm)2(50nm)=1X10-18cm3损伤密度=4000/Vdam=4X1021cm-3(占相应体积中所有原子的8%）,4.5注入损伤,-,29,4.5.3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。,4.5注入损伤,-,30,4.6注入退火,离子注入所形成的损伤有：散射中心：使迁移率下降；缺陷中心：非平衡少子的寿命减少，漏电流增加；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。,-,31,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。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）。,4.6注入退火,-,32,4.6.1硅材料的热退火特性退火机理：复杂的损伤分解为简单缺陷：空位、间隙原子；简单缺陷可因复合而消失；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(杂质激活能小于Si扩散的激活能）。,4.6注入退火,-,33,4.6.2硼的退火特性4.6.3磷的退火特性4.6.4热退火过程的扩散效应（以上请自学）,4.6注入退火,-,34,4.6.5快速退火(RTA，rapidthermalannealing)常规热退火的缺点激活率an低；二次缺陷；导致明显的杂质再分布；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。特点：退火时间短（1011102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；,4.6注入退火,-,35,4.6.5快速退火,种类a.脉冲激光：固液相外延退火机理。优点：功率密度高；激活率高。b.连续波激光：固固相外延退火机理。优点：杂质分布不受影响。缺点：能量转换率低（1）c.电子束：固液外延退火机理。优点：能量转换率高（50）。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。,-,36,RTA与炉（热）退火,RTP退火,炉