半导体工艺原理―离子注入掺杂工艺(6.11)(贵州大学)

1掺杂之离子注入工艺微电子工艺--定域掺杂工艺2本章重点离子注入工艺机理、注入方法；核、电子阻止，杂质分布函数、特点；注入损伤：原因、种类、主要影响因素；退火：机理、方法；离子注入和热扩散比较3什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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，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）以改变这种材料表层的物理或化学性质4离子注入特点各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量（1011-1018cm-2）和能量（1-400keV）来达到平面上杂质掺杂分布非常均匀（1%variationacrossan8’’wafer）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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，自由度大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横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机）有不安全因素，如高压、有毒气体5离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。6内容核碰撞和电子碰撞注入离子在无定形靶中的分布注入损伤热退火离子注入设备与工艺离子注入用途，和扩散的比较7LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称LSS理论。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(1)核阻止（nuclearstopping）(2)电子阻止（electronicstopping）总能量损失为两者的和1核碰撞和电子碰撞（LSS理论）8核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论阻止本领（stoppingpower）：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和电子阻止所损失的能量(Sn(E),Se(E))。核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。9ESESNdxdEen-dE/dx：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x处的能量Sn(E)：核阻止本领/截面(eVcm2)Se(E)：电子阻止本领/截面（eVcm2)N:靶原子密度～51022cm-3forSieenndxdENESdxdENES1,1LSS理论能量E的函数能量为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10核阻止离子注入与靶原子核碰撞，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。nndxdEES核阻止本领能量为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。11核阻止本领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：例如：磷离子Z1=15,m1=31注入硅Z2=14,m2=28,计算可得：Sn~550keV-mm2m——质量，Z——原子序数下标1——离子，下标2——靶22113223212115cmeV108.2mmmZZZZESn对心碰撞，最大能量转移：E)m(mmmETrans22121412核阻止两球体弹性碰撞rfrqrp212022121222MZZ)(V,E)MM(M4MUM21T0,托马斯•费米屏蔽函数rrf核阻止本领曲线最简屏蔽函数碰撞参数p≤r1+r2离子与靶间势函数考虑电子屏蔽时离子与靶核之间相互作用13电子阻止注入离子与靶中的束缚电子或自由电子碰撞，能量转移到电子上。离子质量远大于电子，离子方向不变，能量稍减，而束缚电子被激发或电离，自由电子发生移动。eedxdEES电子阻滞本领14电子阻止本领•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方根成正比。22/1152/1cmeV102.0,kkECvESione离子速度15非局部电子阻止局部电子阻止不改变入射离子运动方向电荷/动量交换导致入射离子运动方向的改变（核间作用）电子阻止本领16总阻止本领（Totalstoppingpower）核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）电子阻止本领在高能量下起主要作用核阻止和电子阻止相等的能量17表面处晶格损伤较小射程终点（EOR）处晶格损伤大18EORdamageCourtesyAnn-ChatrinLindberg(March2002).19R：射程（range）离子在靶内的总路线长度Rp：投影射程（projectedrange）R在入射方向上的投影Rp：标准偏差（Straggling），投影射程的平均偏差R：横向标准偏差（Traversestraggling）,垂直于入射方向平面上的标准偏差。射程分布：平均投影射程Rp，标准偏差Rp，横向标准偏差R非晶靶中注入离子的浓度分布2注入离子在无定形靶中的分布20射（行）程：R投影射程：RPRRp注入离子散射过程121MbMRRpM1M2;b=1/3入射离子质量靶原子质量210E0][ESESdERESESdxdEenenAs,P,B在硅中核、电子阻止本领与能量关系计算值能量损失与射程R22射程粗略估计低能区中能区高能区核阻止本领和电子阻止本领曲线23射程粗略估计不同靶和不同注入离子，其Ec值不同。硅靶注入轻离子硼，Ec约为15keV，重离子磷，Ec大约为150keV。注入离子的初使能量比Ec大很多，在靶内主要电子阻止损失能量，核阻止可忽略：R≈k1E01/2EEc，电子阻止可忽略，入射离子主要以核阻止形式损失能量：R≈k2E0核阻止本领和电子阻止本领的比较24高斯分布函数注入离子在靶内受到的碰撞是随机的，所以杂质分布也是按几率分布的。离子进入非晶层（穿入距离）的分布接近高斯分布。ΔRp：投影射程的标准偏差ΔR⊥：横向离散250001EenRpESESdENdxRp投影射程Rp:RpRpRRpRpRRpRpR26纵向分布离子注入的实际分布在峰值附近和高斯分布符合较好pppTpTppppTRMMMMRRNQRQNRnRRxRQxn2121maxmax23222)(21exp2)(27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当轻离子硼（B）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较多的离子堆积；重离子散射得更深。28纵向分布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。29横向分布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由LSS理论计算得到的硼、磷和砷入射到无定形硅靶中ΔR┴与入射能量的关系如图所示30横向分布2222222321exp)2(1),,(pppRRxZzYyZYRzyxf3135keVAs注入120keVAs注入横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。32离子注入的沟道效应沟道效应（Channelingeffect）当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远。33110111100倾斜旋转硅片后的无序方向34沟道效应衬底为单晶材料，离子束准确的沿着晶格方向注入，其纵向分布峰值与高斯分布不同。一部分离子穿过较大距离。这就是沟道（渗透）效应。35注入离子剂量理论上可以由离子电流大小来量度:（ion/cm2）其中：I为电流；t为时间；A为注入面积。实际上高能离子入射到衬底时，一小部分与表面晶核原子弹性散射，而从衬底表面反射回来，未进入衬底，这叫背散射现象.AItQT181025.636浓度分布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“尾巴”产生非晶化的剂量沿100的沟道效应37表面非晶层对于沟道效应的作用BoronimplantintoSiO2BoronimplantintoSi38减少沟道效应的措施对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离7－10o用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层（Pre-amorphization）增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）表面用SiO2层掩膜39典型离子注入参数离子：P，As，Sb，B，In，O剂量：1011~1018cm-2能量：1–400keV可重复性和均匀性:±1%温度：室温流量：1012-1014cm-2s-140晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞，可能使靶原子发生位移，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的空位－间隙原子对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缺陷统称为晶格损伤。3注入损伤(Si)SiSiI+SiV41高能离子在靶内与晶格多次碰撞，从而导致靶的晶格损伤。碰撞有弹性碰撞和非弹性碰撞。注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程，称为能量淀积过程。42损伤的产生移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量.(对于硅原子,Ed15eV)碰撞中，当转移能量EEd移位阈能时，靶原子位移；若移位原子能量2Ed时，移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，这种现象称级联碰撞。43移位原子的估算入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量EdE2Ed时，只能使一个原子移位。只有当能量2Ed时，才能增加移位原子的数目。估算一个以起始能量E0入射的离子，在碰撞过程中可以使靶内原子移位的数目N(E)为dEEEN2)(044损伤特点损伤有三种：简单损伤；非晶区；非晶层。损伤主要与注入离子质量、能量、剂量、剂量率有关；与靶温有关。损伤峰值非常接近投影射程的75%损伤造成半导体电学特性衰退：载流子迁移率下降；少子寿命变短；pn结反向漏电。45注入损伤形成非晶层的临界剂量与温度的关系靶温一个B，E0≈80KeV，Rp≈250nm，480个Si移位，损伤原子约0.4％一个As，E0≈80KeV，Rp≈250nm，4000个Si移位，损伤原子约8％46损伤区的分布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，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，损伤密度大。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，只能产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，产生的损伤密度小，不重叠，但区域较大。呈锯齿状。47非晶化（Amorphization）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序的非晶区。与注入剂量的关系注入剂量越大，晶格损伤越严重。临界剂量：使晶格完全无序的剂量。临界剂量和注入离子的质量