西电集成电路制造技术第四章 离子注入.ppt

第四章离子注入,主讲：毛维mwxidian西安电子科技大学微电子学院,概述,目的：掺杂（1954年，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的过程。,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GaAs：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Rk2E0k2近似为常数。,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，则，式中，E0注入离子的初始能量。,4.2注入离子在无定形靶中的分布,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。,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）。5.R,RP,RP间的近似关系M1注入离子质量，M2靶原子质量,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，高斯函数Nmax=0.4NS/RP峰值浓度（在RP处）(后面具体推导)NS注入剂量（通过靶表面单位面积注入的离子数）,4.2注入离子分布,在实验中，入射离子的剂量(即垂直入射在靶表面单位面积上的离子数)是人为控制的，它是一个己知量。设Ns为沿x方向的剂量，则,令：,则：dx=RPdX,由图可见，浓度分布具有以下几个特点：在平均投影射程xRp处有一最高浓度,在平均投影射程Rp两边，注入离子浓度对称下降，x-Rp越大，下降越快。在x-RpRP处N(x)/Nmax=e-1/2=0.6065,pn结的位置：,常用离子在硅中的注入能量(KeV)与射程()等数据的关系,4.2注入离子分布,4.2.2横向效应横向效应与注入能量成正比；是结深的30-50；窗口边缘的离子浓度是中心处的50；沿x方向垂直入射各向同性非晶靶内，注入离子空间分布函数为：,4.2注入离子分布,4.2.3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。,硅晶体的原子构型,沿轴的硅晶格视图,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。,4.3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。4.3.2晶格损伤,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=350.25=8.75eVEd=15eV，Si不位移；当E=40keV(此时Rp1=130nm),S（E）=60eV/nm，则ET=600.25=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设：Si位移2.5nm,则损伤体积为Vdam=（2.5nm)2(120nm)=2.410-18cm-3损伤密度=480/Vdam=21020cm-3(占相应体积中所有原子的0.4%）,4.3注入损伤,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)=110-18cm-3损伤密度=4000/Vdam=41021cm-3(占相应体积中所有原子的8%）,4.3注入损伤,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。,4.4热退火,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，pn结漏电流增加；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电激活。退火方法：热退火（传统退火）；快速退火。,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。在热处理温度下，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）。,4.4热退火,4.4.1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(能量较低)：(高能量的)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。,热退火原理示意,晶格原子,杂质原子,晶格原子,杂质原子,晶格原子,杂质原子,晶格原子,杂质原子,晶格原子,杂质原子,晶格原子,杂质原子,晶格原子,杂质原子,晶格原子,杂质原子,退火前后比较,4.4热退火,4.4热退火,4.4.2硼的退火特性区：随温度增加，复合几率增加，点缺陷消失，替位B增加，载流子增加；区：点缺陷重新组合，B被结合到缺陷团，随温度增加，替位B下降，载流子下降；区：产生Si自身空位，间隙B进入空位成替位B。,4.4.3磷的退火特性,虚线：损伤区是非无定形；实线：损伤区是无定形-非晶层；,4.4.4热退火过程的扩散效应,4.4热退火,4.4.5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，以达到到消除损伤的目的。,4.4.5快速退火,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。种类a.脉冲激光退火