第五章 离子注入

1、 有关扩散方面的主要内容有关扩散方面的主要内容 费克第二定律的运用和特殊解费克第二定律的运用和特殊解 特征扩散长度的物理含义特征扩散长度的物理含义 非本征扩散非本征扩散 常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用 常用扩散掺杂方法常用扩散掺杂方法 常用扩散掺杂层的质量测量常用扩散掺杂层的质量测量 Distribution according to error function Dt x CtxC s 2 erfc, Dt x Dt Q txC T 4 exp, 2 Distribution according to Gaussian function 实实 际

2、际 工工 艺艺 中中 二二 步步 扩扩 散散 第一步第一步 为恒定表面浓度的扩散（为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition） （称为预沉积或预扩散）（称为预沉积或预扩散） 控制掺入的杂质总量控制掺入的杂质总量 11 1 2 tD CQ 第二步第二步 为有限源的扩散（为有限源的扩散（Drive-in），往往同时氧化），往往同时氧化 （称为主扩散或再分布）（称为主扩散或再分布） 控制扩散深度和表面浓度控制扩散深度和表面浓度 22 11 1 22 2 2 tD tD C tD Q C 当当 时，最后的杂质浓度分布可近似为时，最后的杂质浓度分布可近似为 22 2 22 11 121 4 ex

3、p 2 , tD x tD tD CttxC 2211 tDtD 22112211 ortDtDtDtD 二步扩散的两种极端情况二步扩散的两种极端情况 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 -2-10123 Gaussfrdelningen f(x) x Figur 4.2 =0.5 =0.5 =0.25 Gaussian distribution Gaussian or normal distribution 2 2 2 exp 2 1 x xf 磁分析器磁分析器 离离 子子 源源 加速管加速管 聚焦聚焦 扫描系统扫描系统 靶靶 r dt q I A Q 1 BF3：B+，B+，BF2+，

4、F+, BF+，BF+ B10 B11 气体源：气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，. 离子源：离子源：As，Ga，Ge，Sb，P，. ESESN dx dE en -dE/dx：能量随距离损失的平均速率：能量随距离损失的平均速率 E：注入离子在其运动路程上任一点：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量处的能量 Sn(E)：核阻止本领：核阻止本领/截面截面 (eVcm2) Se(E)：电子阻止本领：电子阻止本领/截面（截面（eVcm2) N: 靶原子密度靶原子密度 5 1022 cm-3 for Si e e n n dx dE N ES dx dE N ES 1 ,

5、 1 LSS理论理论 能量能量E的函数的函数 能量为能量为E的的 入射粒子在入射粒子在 密度为密度为N的的 靶内走过靶内走过x 距离后损失距离后损失 的能量的能量 摘自摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295 核阻止能力的一阶近似为：核阻止能力的一阶近似为： 例如：磷离子例如：磷离子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅注入硅 Z2 = 14, m2 = 28, 计算可得：计算可得： Sn 550 keV- m2 m质量，质量， Z原子序数原子序数 下标下标1离子，下标离子，下标2靶靶 2 21 1 32 2 3

6、2 1 21 15 cmeV108 . 2 mm m ZZ ZZ ESn 对心碰撞，最大能量转移：对心碰撞，最大能量转移： E )m(m mm E Trans 2 21 21 4 把固体中的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气把固体中的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气 体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平 方根成正比。方根成正比。 非局部电子阻止非局部电子阻止 局部电子阻止局部电子阻止 22/1152/1 cmeV102 . 0,kkECvES ione 不改变入射离子运动方向不改变入射离子运动方向 电

7、荷电荷/动量交换导致入射离子运动量交换导致入射离子运 动方向的改变（动方向的改变（500 keV n n n e 表面处晶格表面处晶格 损伤较小损伤较小射程终点（射程终点（EOR） 处晶格损伤大处晶格损伤大 R：射程（：射程（range） 离子离子 在靶内的总路线长度在靶内的总路线长度 Rp：投影射程：投影射程 （projected range） R 在入射方向上的投影在入射方向上的投影 Rp：标准标准偏差（偏差（Straggling），），投影射程的平均偏差投影射程的平均偏差 R ：横向：横向标准标准偏差（偏差（Traverse straggling）, 垂直于入射方向垂直于入射方向 平面上

8、的标准偏差。平面上的标准偏差。 射程分布射程分布：平均投影射：平均投影射 程程Rp，标准偏差，标准偏差 Rp， 横向标准偏差横向标准偏差 R 非晶靶中注入离子的浓度分布非晶靶中注入离子的浓度分布 Rp R 高斯分布高斯分布 Rp Log（离子浓度）（离子浓度） 离子入射离子入射 z 注入离子的二维分布图注入离子的二维分布图 0 00 1 E en R p ESES dE N dxR p 投影射程投影射程Rp: Rp Rp R Rp Rp R Rp Rp R 2 2 1 exp p p P R Rx CxC 200 keV 注入注入 元素元素 原子质量原子质量 Sb 122 As 74 P 31

9、 B 11 Cp ppC RdxxCQ 2 Q：为离子注入剂量（：为离子注入剂量（Dose）, 单位为单位为 ions/cm2，可以，可以 从测量积分束流得到从测量积分束流得到 2 2 exp 2 )( p p p R Rx R Q xC p p P R Q R Q C 4 . 0 2 由由 ， 可以得到：可以得到： Q可以精确控制可以精确控制 dt q I A Q 1 A为注入面积，为注入面积，I为硅片背面搜集到的束为硅片背面搜集到的束 流（流（Farady Cup），），t为积分时间，为积分时间，q为为 离子所带的电荷。离子所带的电荷。 例如：当例如：当A2020 cm2，I0.1 A时，

10、时， satoms/cm1056. 1 29 Aq I t Q 而对于一般而对于一般NMOS的的VT调节的剂量为：调节的剂量为：B 1-5 1012 cm-2 注入时间为注入时间为30分钟分钟 对比一下：如果采用预淀积扩散（对比一下：如果采用预淀积扩散（1000 C），表面浓度），表面浓度 为固溶度为固溶度1020 cm-3时，时， D10-14 cm2/s 每秒剂量达每秒剂量达1013/cm2 I0.01 AmA Dt C Q s 2 常用注入离子在不同注入能量下的特性常用注入离子在不同注入能量下的特性 平均投影射程平均投影射程Rp 标准偏差标准偏差 Rp 已知注入离子的能量和剂量，已知注入

11、离子的能量和剂量， 估算注入离子在靶中的估算注入离子在靶中的 浓度和结深浓度和结深 问题：问题：140 keV的的B+离子注入到直径为离子注入到直径为150 mm的硅靶中。的硅靶中。 注入注入 剂量剂量Q=510 14/cm2（衬底浓度（衬底浓度21016 /cm3） 1) 试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、 峰峰 值浓度、结深值浓度、结深 2) 如注入时间为如注入时间为1分钟，估算所需束流。分钟，估算所需束流。 【解】【解】1) 从查图或查表从查图或查表 得得 Rp=4289 =0.43 m Rp855 855 0.086 0.086 m

12、 峰值浓度峰值浓度 Cp=0.4Q/ R Rp p=0.451014/(0.08610-4)=2.341019 cm-3 衬底浓度衬底浓度CB21016 cm-3 xj=0.734 m 2) 注入的总离子数注入的总离子数 Q掺杂剂量掺杂剂量硅片面积硅片面积 51014 (15/2)2=8.81016 离子数离子数 IqQ/t (1.610 19C)(8.8 1016)/60 sec=0.23 mA 2 2 1 exp p pj pBj R Rx CCxC 横向效应横向效应 横向效应指的是注入横向效应指的是注入 离子在离子在垂直于入射方垂直于入射方 向平面向平面内的分布情况内的分布情况 横向效应

13、影响横向效应影响MOS晶体晶体 管的有效沟道长度。管的有效沟道长度。 2 2 1 exp 2 )( ),( R y R xC yxC R （m） 35 keV As注入注入 120 keV As注入注入 B m Pm C R Rx CxC P P 2 * 2 * * 2 exp)(* 如果要求掩膜层能完全阻挡离子如果要求掩膜层能完全阻挡离子 xm为恰好能够完全阻挡离子的为恰好能够完全阻挡离子的 掩膜厚度掩膜厚度 Rp*为离子在掩蔽层中的平均为离子在掩蔽层中的平均 射程，射程， Rp*为离子在掩蔽层中为离子在掩蔽层中 的射程标准偏差的射程标准偏差 * * * ln2 PP B P PPm RmR

14、 C C RRx 解出所需的掩膜层厚度：解出所需的掩膜层厚度： 穿过掩膜层的剂量：穿过掩膜层的剂量： * * 2 * * * 2 erfc 22 1 exp 2 p Pm x p P p P R RxQ dx R Rx R Q Q m 余误差函数余误差函数 离子注入退火后的杂质分布离子注入退火后的杂质分布 Dt x Dt Q txC 4 exp 2 , 2 2 2 exp 2 p p p R Rx R Q xC 00 2 2 )( tD R p DtR Rx DtR Q txC P P P 22 exp 22 , 2 2 2 Dt D0t0Dt 一个高斯分布在退火后一个高斯分布在退火后 仍然是

15、高斯分布，其标仍然是高斯分布，其标 准偏差和峰值浓度发生准偏差和峰值浓度发生 改变。改变。 110 111 100 倾斜旋转硅片后的无序方向倾斜旋转硅片后的无序方向 产生非晶化的剂量产生非晶化的剂量 沿沿的沟道效应的沟道效应 表面非晶层对于沟道效应的作用表面非晶层对于沟道效应的作用 Boron implant into SiO2 Boron implant into Si 晶格损伤：晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰碰 撞撞，可能使靶原子发生，可能使靶原子发生位移位移，被位移原子还可能把能量依，被位移原子还可能把能量依 次传给其它原子，结果产生

16、一系列的次传给其它原子，结果产生一系列的空位间隙原子对空位间隙原子对及及 其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简 单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。 什么是注入损伤什么是注入损伤 (Si)SiSiI + SiV EOR damage Courtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002). d E E EN 2 )( 0 质量较靶原子轻的离子传给靶原子质量较靶原子轻的离子传给靶原子 能量较小，被散射角度较大，只能能量较小，被散射角度较大，只能 产生数量较少的位移靶原子，因此，产

17、生数量较少的位移靶原子，因此， 注入离子运动方向的变化大，产生注入离子运动方向的变化大，产生 的损伤密度小，不重叠，但区域较的损伤密度小，不重叠，但区域较 大。呈锯齿状。大。呈锯齿状。 Annihilation: recombination SiI + SiV (Si)Si Monte Carlo模拟的模拟的 I-V 复合结复合结 果：短时间内（果：短时间内（10-2秒）秒）800 C 下，体内的下，体内的 V 在表面复合迅速在表面复合迅速 完成，产生剩余的完成，产生剩余的 I ，其表面，其表面 复合相对较缓慢。在复合相对较缓慢。在400 C以以 上，这些上，这些 I 可接合入可接合入311面

18、形面形 成棒成棒/带状缺陷，并可以稳定较带状缺陷，并可以稳定较 长时间。长时间。 Frenkel I-V pairs 该该311缺陷带在较高温度下（缺陷带在较高温度下（8001000 C）即可退）即可退 火修复，但是释放出大量填隙原子火修复，但是释放出大量填隙原子I。 损伤小于临界值，这些损伤小于临界值，这些311缺陷可以完全分解，回复缺陷可以完全分解，回复 完美晶体。完美晶体。 损伤高于临界值，则损伤高于临界值，则311缺陷可能变成稳定的位错环，缺陷可能变成稳定的位错环， 该位错环位于该位错环位于EOR，并难以去除。，并难以去除。 TED 漏电流大漏电流大 退火退火 一定温度下，通常在一定温

19、度下，通常在Ar、N2或真空条件下或真空条件下 退火温度取决于注入剂量及非晶层的消除。退火温度取决于注入剂量及非晶层的消除。 修复晶格：退火温度修复晶格：退火温度600 oC以上，时间最长可达数小时以上，时间最长可达数小时 杂质激活：退火温度杂质激活：退火温度650900 oC，时间，时间1030分钟分钟 * 方法简单方法简单 * 不能全部消除缺陷不能全部消除缺陷 * 对高剂量注入激活率不够高对高剂量注入激活率不够高 * 杂质再分布杂质再分布 。高功率激光束辐照。高功率激光束辐照 。电子束。电子束 。高强度的光照。高强度的光照 。其它辐射。其它辐射 RTP主要优点是掺杂的再分布大大降低，主要优

20、点是掺杂的再分布大大降低， 对制备浅结器件特别有利对制备浅结器件特别有利 b）快速热退火，）快速热退火， Rapid Thermal Processing（RTP） 离子注入在集成电路中的应用离子注入在集成电路中的应用 一、一、CMOS制造制造9-10 different I/I identified ! 二、双极型制造（二、双极型制造（Bipolar fabrication） 。高能注入形成埋层。高能注入形成埋层 。LOCOS下方的下方的p-n结隔离结隔离 。形成基区注入。形成基区注入 。砷注入多晶硅发射区。砷注入多晶硅发射区 。多晶电阻。多晶电阻 三、其它应用三、其它应用 硅衬底背面损伤形成吸杂区硅衬底背面损伤形成吸杂区 Backside Damage Layer Formation for Gettering 形成形成SOI结构结构 Silicon-On-Insulator Using Oxygen or Hydrogen Implantation 本节课主要内容本节课主要内容 LSS理论？阻止能力的含义？理论？阻止能力的含义？ 离子注入的杂质分布？退火后？离子注入的杂质分布？退火后？ 离子注入的主要特点？离子注入的主要特点？ 掩蔽膜的厚度？掩蔽膜的厚度？ 精确控制掺杂