第4章 离子注入1

1、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 functionDtxCtxCs2erfc,DtxDtQtxCT4exp,2Distribution accordingto Gaussian function2实实际际工工艺艺中中二二步步扩扩散散第一步第一步 为恒定

2、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1112tDCQ 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221112222tDtDCtDQC东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院第四章第四章 离子注入离子注入v核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v注入损伤注入损伤v热退火热退火东华理工大学机电学

3、院东华理工大学机电学院什么是离子注入什么是离子注入离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质改变这种材料表层的物理或化学性质 离子注入的基本过程离子注入的基本过程v将某种元素原子或携带该元将某种元素原子或携带该元素的分子经离化变成带电离素的分子经离化变成带电离子子v在强电场中加速，获得较高在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层的动能后，射入材料表层（靶）（靶）v以改变这种材料表层的物理以改变这种材料表层的物理或化学性质或化学性质东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院离子注入离子注

4、入v 将将带电带电的且的且具有能量具有能量的粒子注入衬底硅的过程，的粒子注入衬底硅的过程，注入能量注入能量介于介于1KeV到到1MeV之间，之间，注入深度注入深度平均可达平均可达10nm10um。离子剂量变动范围离子剂量变动范围，从用于阈值电压调整的，从用于阈值电压调整的1012/cm2到形到形成绝缘埋层的成绝缘埋层的1018/cm2。v 相对于扩散，它能更相对于扩散，它能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。低的工艺温度。v 离子注入已成为离子注入已成为VLSI制程上最主要的掺杂技术。一般制程上最主要的掺杂技术。一般CMOS制程，大约需要制程，大约需

5、要612个或更多的离子注入步骤。个或更多的离子注入步骤。东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院离子注入系统的原理示意图离子注入系统的原理示意图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rdtqIAQ1BF3：B+，B+，BF2+，F+, BF+，BF+B10B11东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院v离子源离子源是产生离子的部件。将被注入物质是产生离子的部件。将被注入物质的气体注入离子源，在其中被电离形成正的气体注入离子源，在其中被电离形成正离子，经吸极吸出，由离子，经吸极吸出，由初聚焦系统初聚焦系统，聚成，聚成离子束，射向离子束，射向磁分析器磁分析器。 吸极是

6、一种直接引出离子束的方法，即用一负吸极是一种直接引出离子束的方法，即用一负电压（几伏到几十千伏）把正离子吸出来。电压（几伏到几十千伏）把正离子吸出来。 产生离子的方法有很多，目前常用的利用气体产生离子的方法有很多，目前常用的利用气体放电产生等离子体。放电产生等离子体。离子注入系统原理离子注入系统原理-离子源离子源东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院v从从离子源离子源吸出的离子束中，包括多种离子。吸出的离子束中，包括多种离子。如对如对BCl3气体源，一般包括气体源，一般包括H+、B+、Cl+、O+、C+等。等。v 在在磁分析器磁分析器中，利用不同荷质比的离子在中，利用不同荷质比的离子在磁场中

7、的运动轨迹不同，可以将离子分离，磁场中的运动轨迹不同，可以将离子分离，并选出所需要的一种杂质离子。并选出所需要的一种杂质离子。v 被选离子通过可变狭缝，进入被选离子通过可变狭缝，进入加速管加速管。离子注入系统原理离子注入系统原理-磁分析器磁分析器东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院v 被掺杂的材料称为被掺杂的材料称为靶靶。由加速管出来的离子先由。由加速管出来的离子先由静电聚焦透镜进行聚焦，再进行静电聚焦透镜进行聚焦，再进行x、y两个方向的两个方向的扫描扫描，然后通过，然后通过偏转系统偏转系统注入到靶上。注入到靶上。 扫描目的：把离子均匀注入到靶上。扫描目的：把离子均匀注入到靶上。 偏转目的

8、：使束流传输过程中产生的中性离子不能到偏转目的：使束流传输过程中产生的中性离子不能到达靶上。达靶上。v注入机内的压力维持低于注入机内的压力维持低于104Pa以下，以使气体以下，以使气体分子散射降至最低。分子散射降至最低。离子注入系统原理离子注入系统原理东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院离子注入特点离子注入特点可通过精确控制掺杂剂量（可通过精确控制掺杂剂量（1011-1018 cm-2）和能量（）和能量（1-400 keV）来）来达到各种杂质浓度分布与注入浓度达到各种杂质浓度分布与注入浓度平面上杂质掺杂分布非常均匀（平面上杂质掺杂分布非常均匀（1% variation across an

9、8 wafer）表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度或深结高浓度注入元素可以非常纯，杂质单一性注入元素可以非常纯，杂质单一性可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由度大度大离子注入属于低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高离子注入属于低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的热扩散温过程引起的热扩散横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小v会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改

10、进会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进v设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机）设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机）v有不安全因素，如高压、有毒气体有不安全因素，如高压、有毒气体东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院离子注入应用离子注入应用v隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断v调整阈值电压用的沟道掺杂调整阈值电压用的沟道掺杂vCMOS阱的形成阱的形成v浅结的制备浅结的制备 在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为一种主流技术。一种主流技术。东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院4

11、.1 核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v高能离子进入靶后，不高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点路，最后在靶中某一点停止下来停止下来东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞注入离子如何在体内静止？注入离子如何在体内静止？LSS理论理论对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究对在非晶靶中注

12、入离子的射程分布的研究v 1963年，年，Lindhard, Scharff and Schiott首先确立了注首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论。理论。v 该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程此独立的过程 (1) 核阻止（核阻止（nuclear stopping） (2) 电子阻止电子阻止 （electronic stopping）v 总能量损失为两者的和总能量损失为两者的和东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v 注入离子在靶内能量损失方式注入离子

13、在靶内能量损失方式 核碰撞核碰撞 (注入离子与靶内原子核间的碰撞）注入离子与靶内原子核间的碰撞）质量为同一数量级，故碰撞后质量为同一数量级，故碰撞后注入离子注入离子会发生大角会发生大角度的度的散射散射，失去一定的能量。，失去一定的能量。靶原子靶原子也因碰撞而获也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离开原来所在晶格位置，开原来所在晶格位置，进入晶格间隙进入晶格间隙，并留下一个，并留下一个空位，形成缺陷。空位，形成缺陷。东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v 注入离子在靶内能量损失方式注入离子在靶内能量

14、损失方式 电子碰撞电子碰撞(注入离子与靶原子周围电子云的碰撞）注入离子与靶原子周围电子云的碰撞）能瞬时形成电子能瞬时形成电子-空穴对空穴对两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，散射角度也小，虽然经过多次散射，散射角度也小，虽然经过多次散射，注入离子运动方注入离子运动方向基本不变向基本不变。电子电子则被激发至更高的能级则被激发至更高的能级（激发）（激发）或或脱离原子脱离原子（电离）。（电离）。东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院v 核阻止本领说明注入离子在靶内能量损失的具体核阻止本领说明注入离子在靶内能量损失的具体情况，情况，一个注入离子

15、一个注入离子在其运动路程上任一点在其运动路程上任一点x处的处的能量为能量为E，则核阻止本领，则核阻止本领/截面截面 (eVcm2)定义为：定义为：v 电子阻止本领电子阻止本领/截面（截面（eVcm2)定义为：定义为：核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞nndxdEES)(eedxdEES)(东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v 在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为：子所损失的能量则为：v 注入离子在靶内运动的总路程注入离子在靶内运动的总路程)()(ESESdxdEen)()()()(ESESdE

16、ESESdERenEooenoEo东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院核阻止本领核阻止本领注入离子与靶内原子核之间两体碰撞注入离子与靶内原子核之间两体碰撞两粒子之间的相互作用力是电荷作用两粒子之间的相互作用力是电荷作用摘自摘自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-m mm2m质量，质量， Z原子序数原子序数下标下标1离子，

17、下标离子，下标2靶靶 22113223212115cmeV108 . 2mmmZZZZESn对心碰撞，最大能量转移：对心碰撞，最大能量转移： E)m(mmmETrans221214 东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院v 低能量时，核阻止本领随能量的增加而线性增加，低能量时，核阻止本领随能量的增加而线性增加，Sn(E)会在某一中等能量时达到最大值。会在某一中等能量时达到最大值。v 高能量时，由于高速粒子没有足够的时间和靶原高能量时，由于高速粒子没有足够的时间和靶原子进行有效的能量交换，所以子进行有效的能量交换，所以Sn(E)变小。变小。核阻止本领核阻止本领东华理工大学机电学院东华理工大学机

18、电学院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/ 1cmeV102 . 0,eeionekEkCvES不改变入射离子运动方向不改变入射离子运动方向电荷电荷/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东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院表面处晶格表面处晶格损伤较小损伤较小射程终点（射

19、程终点（EOR）处晶格损伤大处晶格损伤大东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院4.2 注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v 一个离子在停止前所经过的总路程，称为一个离子在停止前所经过的总路程，称为射程射程Rv R在入射轴方向上的投影称为在入射轴方向上的投影称为投影射程投影射程Xp(projected range)v R在垂直入射方向的投影称为在垂直入射方向的投影称为射程横向分量射程横向分量Xt(traverse range)v平均投影射程平均投影射程Rp：所有入射：所有入射离子投影射程平均值离子投影射程平均值v标准偏差：标准偏差：v横向标准偏差：横向标准偏差：212ppPR

20、xR212RxRt东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院)(21exp)(2maxppRRxNxn注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v 对于无定形靶（对于无定形靶（SiO2、Si3N4、光刻胶等），注入离子的、光刻胶等），注入离子的纵向分布可用高斯函数表示：纵向分布可用高斯函数表示：200 keV 注入注入Cp东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院 pSRNdxxNNmax2Ns：为离子注入剂量（：为离子注入剂量（Dose）, 单位为单位为 ions/cm2，可以从测量积分束流得到可以从测量积分束流得到22exp2)(pppSRRxRNxN由由 ， 可以得到：可以得到：假

21、定总注入离子量为假定总注入离子量为NspSpSRNRNN4 . 02max东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院Ns可以精确控制可以精确控制dtqIANs1A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 m mA时，时，satoms/cm1056. 129AqItNS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 1-51012 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：

22、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/cm2I0.01 m mAmADtCQs2东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院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东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院已知注入离子的能量和剂量，已知注入离子的能量和剂量，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的硅的硅靶中。靶

23、中。注入注入 剂量剂量NS=510 14/cm2（衬底浓度（衬底浓度21016 /cm3） 注入离子的投影射程注入离子的投影射程Rp=0.43 m mm 投影射程标准偏差投影射程标准偏差 Rp0.086 m0.086 mm 1) 试估算峰值浓度、结深试估算峰值浓度、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。东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院【解】【解】1) 峰值浓度峰值浓度 Nmax=0.4Ns/ R Rp p=0.451014/(0.08610-4)=2.341019 cm-3 衬底浓度衬底浓度nB21016 cm-3 xj=0.734 m mm 2

24、) 注入的总离子数注入的总离子数 Q掺杂剂量硅片面积掺杂剂量硅片面积 51014 (15/2)2=8.81016 离子数离子数 IqQ/t (1.61019C)(8.81016)/60 sec=0.23 mA 2max21expppjBjRRxNnxn东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院注入离子的真实分布注入离子的真实分布v 真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布v 当轻离子硼（当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与

25、表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。较多的离子堆积；重离子散射得更深。东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院横向效应指的是注入横向效应指的是注入离子在垂直于入射方离子在垂直于入射方向平面内的分布情况向平面内的分布情况横向效应影响横向效应影响MOS晶体晶体管的有效沟道长度。管的有效沟道长度。221exp2)(),(RyRxNyxN R （m m）横向效应横向效应东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v横向分布（横向分布（高斯分布）高斯分布） 入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布 横向渗透远小于

26、热扩散横向渗透远小于热扩散东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院35 keV As注入注入120 keV As注入注入东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院注入掩蔽层注入掩蔽层掩蔽层应该多厚？掩蔽层应该多厚？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BmmNRRxNxnPP2*2*max2exp)(*东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院*max*ln2PPBPPmRmRNNRR

27、x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*2erfc221exp2pPmSxpPpSPRRxNdxRRxRNNm余误差函数余误差函数东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院典型离子注入参数典型离子注入参数离子：离子：P，As，Sb，B，In，O剂量：剂量：10111018 cm-2能量：能量：1 400 keV 可重复性和均匀性可重复性和均匀性: 1%温度：室温温度：室温流量：流量：1012-1014 cm-2s-1东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院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

28、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，浅结、浅掺杂，精确控制掺杂，浅结、浅掺杂，纯度高，低温，多种掩模，纯度高，低温，多种掩模，非晶靶。能量损失为两个彼非晶靶。能量损失为两个彼此独立的过程此独立的过程(1) 核阻止与核阻止与(2) 电子阻止之和。能量为电子阻止之和。能量为E的入的入射粒子在密度为射粒子在密度为N的靶内走的靶内走过过x距离后损失的能量。距离后损失的能量。掩膜层能完全阻挡离子的条件：掩膜层能完全阻挡离子的条件：Bmnxn* 2max21expppRRxNxnpSRNN4 . 0max东华理工大学机电

29、学院东华理工大学机电学院v 以上讨论的是以上讨论的是无定形靶无定形靶的情形。的情形。 无定形材料中原子排列无序，靶对入射离子的阻止作无定形材料中原子排列无序，靶对入射离子的阻止作用是用是各向同性各向同性的的 一定能量的离子沿不同方向射入靶中将会得到相同的一定能量的离子沿不同方向射入靶中将会得到相同的平均射程。平均射程。v实际的硅片实际的硅片单晶单晶 在单晶靶中，原子是按一定规律周期地重复排列，而在单晶靶中，原子是按一定规律周期地重复排列，而且晶格具有一定的对称性。且晶格具有一定的对称性。 靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而与晶靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而与晶体取向有关。体

30、取向有关。离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应v定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿时，一些离子将沿沟道沟道运动。沟道离子唯一的能量损运动。沟道离子唯一的能量损失机制是电子阻止，因此注入离子的能量损失率就很失机制是电子阻止，因此注入离子的能量损失率就很低，故注入深度较大。低，故注入深度较大。v离子方向离子方向=沟道方向时沟道方向时离子因为没有碰到晶格而长驱直入离子因为没有碰到晶格而长驱直入v效果：在不应该存在杂质的深度发现杂质效果：在不应该存在杂质的深

31、度发现杂质多出了一个峰！多出了一个峰！东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应倾斜旋转硅片后的无序方向倾斜旋转硅片后的无序方向东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院射程分布与注入方向的关系射程分布与注入方向的关系浓度分布浓度分布 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离LSS理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的“尾巴尾巴”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东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院怎么解决？怎么解决？B质量比质量比As

32、轻，当以约轻，当以约7 角度进行离子注入硅衬底时，角度进行离子注入硅衬底时， B的尾区更大。因为：的尾区更大。因为：沟道效应：当沟道效应：当离子沿晶轴方向注入离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道时，大部分离子将沿沟道运动，几乎不会受到原子核的运动，几乎不会受到原子核的散射散射，方向基本不变，可以走，方向基本不变，可以走得很远（很深）。得很远（很深）。倾斜角度注入倾斜角度注入表层非晶化：预非晶化，大剂量注入，表层非晶化：预非晶化，大剂量注入，非晶非晶SiO2膜膜1）B碰撞后传递给硅的能量小，难以形成非晶层碰撞后传递给硅的能量小，难以形成非晶层2）B的散射大，容易进入沟道。的散射大，容易进入沟

33、道。非晶非晶东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院减少沟道效应的措施减少沟道效应的措施v 对大的离子，沿沟道轴向对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离偏离710ov用用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层（形成非晶层（Pre-amorphization）v增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）沟道离子减少）v表面用表面用SiO2层掩膜层掩膜东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院怎么解决？怎么解决？东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院浅结的形成浅结的形成v为了抑制为了抑制MOS晶体管的穿通

34、电流和减小器件的短晶体管的穿通电流和减小器件的短沟效应，要求减小沟效应，要求减小CMOS的源的源/漏结的结深。漏结的结深。v形成硼的浅结较困难，目前采用的方法：形成硼的浅结较困难，目前采用的方法： 硼质量较轻，投影射程深，故采用硼质量较轻，投影射程深，故采用BF2分子注入法分子注入法F的电活性、的电活性、B的扩散系数高的扩散系数高B被偏转进入主晶轴的几率大被偏转进入主晶轴的几率大 降低注入离子的能量形成浅结降低注入离子的能量形成浅结低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差。低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差。 预先非晶化预先非晶化注注B之前，先用重离子高剂量注入，使硅表面变为非晶的表

35、面层。之前，先用重离子高剂量注入，使硅表面变为非晶的表面层。东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院注入后发生了什么注入后发生了什么v晶格损伤和无定型层晶格损伤和无定型层 靶原子在碰撞过程中，获得能量，离开晶格位置，进靶原子在碰撞过程中，获得能量，离开晶格位置，进入间隙，形成入间隙，形成间隙空位缺陷对间隙空位缺陷对； 脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可使得脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可使得被碰靶原子脱离晶格位置。被碰靶原子脱离晶格位置。 缺陷的存在使得半导体中载流子的迁移率下降，少子缺陷的存在使得半导体中载流子的迁移率下降，少子寿命缩短，影响器件性能。寿命缩短，影响器件性能

36、。v杂质未激活杂质未激活 在注入的离子中，只有少量的离子处在电激活的晶格在注入的离子中，只有少量的离子处在电激活的晶格位置。位置。东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院晶格损伤：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撞碰撞，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次传给，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的其它原子，结果产生一系列的空位间隙原子对空位间隙原子对及其它类型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单或复杂的晶格无序的分布。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。

37、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东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院注入损伤的产生注入损伤的产生v移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。v移位阈能移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量生移位，所需的最小能量. (对于硅原子对于硅原子, Ed 15eV) EEd 无位移原子无位移原子 EdE2Ed 级联碰撞级联碰撞v注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程，称为能量传递过程电子的过程，称为能量传递过程东华理工大学

38、机电学院东华理工大学机电学院损伤区的分布损伤区的分布重离子每次碰撞传输给靶的能量较重离子每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，获得大能量的位移大，散射角小，获得大能量的位移原子还可使许多原子移位。注入离原子还可使许多原子移位。注入离子的能量损失以核碰撞为主。同时，子的能量损失以核碰撞为主。同时，射程较短，在小体积内有较大损伤。射程较短，在小体积内有较大损伤。重离子注入所造成的损伤区域小，重离子注入所造成的损伤区域小，损伤密度大。损伤密度大。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，产生

39、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。东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院非晶层的形成非晶层的形成q 注入离子引起的晶格损伤有可注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完全破坏变为无能使晶体结构完全破坏变为无序的非晶区。序的非晶区。q 与注入剂量的关系与注入剂量的关系 注入剂量越大，晶格损伤越注入剂量越大，晶格损伤越严重。严重。 临界剂量：使晶格完全无序临界剂量：使晶格完全无序的剂量。的剂量。 临界剂量和注入离子的质量临界剂量和注入离子的质量有关有关东华理

40、工大学机电学院东华理工大学机电学院注入后需要做什么注入后需要做什么q 被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对载流子的被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。输运没有贡献；而且也造成大量损伤。q 注入后的半导体材料：注入后的半导体材料： 杂质处于间隙杂质处于间隙 nND；pNA 晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降 热退火后：热退火后：n n=ND (p=NA) m m m mbulk 0退火：退火：又叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活又叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以

41、称为退火泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院损伤退火的目的损伤退火的目的q 恢复晶格恢复晶格去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构原有完美晶体结构q 激活杂质激活杂质让杂质进入电活性（让杂质进入电活性（electrically active） 位位置替位位置。置替位位置。q 电性能还原电性能还原恢复载流子迁移率和少子寿命恢复载流子迁移率和少子寿命注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院注入后需要做什么注入后需要做什么v 退火

42、：退火： 退火方式：退火方式：炉退火炉退火快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等石墨加热器、红外设备等)东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院注入后需要做什么注入后需要做什么v 退火：退火： 原理原理高温下，原子振动能高温下，原子振动能，移动能力，移动能力，可使，可使复杂损伤复杂损伤分解分解为简单缺陷（如空位、间隙原子等），简单缺为简单缺陷（如空位、间隙原子等），简单缺陷以较高的迁移率移动，陷以较高的迁移率移动，复合复合后缺陷消失。后缺陷消失。高温

43、下，高温下，非晶区域损伤恢复非晶区域损伤恢复发生在损伤区与结晶区发生在损伤区与结晶区的交界面，即由单晶区向非晶区通过的交界面，即由单晶区向非晶区通过固相外延或液固相外延或液相外延相外延而使整个非晶区得到恢复。而使整个非晶区得到恢复。东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院硼的退火特性硼的退火特性v低剂量（低剂量（81012/cm2） 电激活比例随温度上升而增加电激活比例随温度上升而增加v 高剂量（高剂量（1014/cm2和和1015/cm2） 退火温度可以分为三个区域退火温度可以分为三个区域500以下，电激活比例又随温度上升而增加以下，电激活比例又随温度上升而增加500600范围内，出现逆退火

44、特性范围内，出现逆退火特性晶格损伤解离而释放出大量的间隙晶格损伤解离而释放出大量的间隙Si原子，这些间隙原子，这些间隙Si原原子与替位子与替位B原子接近时，可以相互换位，使得原子接近时，可以相互换位，使得B原子进入原子进入晶格间隙，激活率下降。晶格间隙，激活率下降。600以上，电激活比例又随温度上升而增加以上，电激活比例又随温度上升而增加58电激活比例东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院v 虚线表示的是注入损伤区还没有变成非晶区的退火特虚线表示的是注入损伤区还没有变成非晶区的退火特性（剂量从性（剂量从31012/cm2增加到增加到31014/cm2） 电激活比例随温度上升而增加。电激活比例

45、随温度上升而增加。 剂量升高时，退火温度相应升高，才能消除更为复剂量升高时，退火温度相应升高，才能消除更为复杂的无规则损伤。杂的无规则损伤。v 实线表示的是非晶区的退火特性（剂量大于实线表示的是非晶区的退火特性（剂量大于1015/cm2），），退火温度降低为退火温度降低为600 左右左右 非晶层的退火机理是与非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程固相外延再生长过程相联系相联系 在再生长过程中，在再生长过程中，族原子实际上与硅原子难以区族原子实际上与硅原子难以区分，它们在再结晶的过程当中，作为替位原子被结分，它们在再结晶的过程当中，作为替位原子被结合在晶格位置上。合在晶格位置上。所以在相对很低的

46、温度下，杂质所以在相对很低的温度下，杂质可被完全激活。可被完全激活。磷的退火特性磷的退火特性60电激活比例东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院热退火过程中的热退火过程中的扩散效应扩散效应v 热退火的温度与热扩散的温度相比，要低得多。热退火的温度与热扩散的温度相比，要低得多。但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度下，下，杂质扩散也是非常显著的杂质扩散也是非常显著的。 这是因为离子注入所造成的晶格损伤，使硅内的空位密这是因为离子注入所造成的晶格损伤，使硅内的空位密度比热平衡时晶体中的空位密度要大得多。度比热平衡时晶体中的空位密度要大得多。 离子注入

47、也是晶体内存在大量的间隙原子和多种缺陷，离子注入也是晶体内存在大量的间隙原子和多种缺陷，这些都会使得扩散系数增加，扩散效应增强。这些都会使得扩散系数增加，扩散效应增强。v 热退火中的扩散称为热退火中的扩散称为增强扩散增强扩散。东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院 DtxDtQtxC4exp2,2 22exp2pppRRxRQxCDtRRxDtRQtxCPPP22exp22,222Dt D0t0Dt一个高斯分布在退火后一个高斯分布在退火后仍然是高斯分布，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。0022)(tDRp 离子注入退火后的杂质分布离子注入退火后的杂

48、质分布东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院热退火过程中的扩散效应热退火过程中的扩散效应v 注入杂质经退火后在靶内的分布仍然是高注入杂质经退火后在靶内的分布仍然是高斯分布斯分布 标准偏差需要修正标准偏差需要修正 扩散系数明显增加扩散系数明显增加东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院热退火过程中的扩散效应热退火过程中的扩散效应v高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏，偏离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数衰减的拖尾衰减的拖尾东华理工大学机电学院东华理工大学机电学院快速热退火（快速热退火（RTA）v传统热退火的