第三章+离子注入与快速热处理

第三章离子注入与快速热处理[e-mail]136111079003.1离子注入主要内容3.1.1离子注入系统及工艺3.1.2离子注入系统主要参数3.1.3离子注入常见问题3.1.4离子注入常见工艺应用3.1.1离子注入系统及工艺离子注入提供了一种非常精确地向硅中掺杂入特定杂质原子剂量或数量的方法。电离的杂质原子经静电场加速打到晶圆片表面，通过测量离子电流可严格控制剂量。扩散控制条件：时间与温度离子注入控制条件：电流与电压剂量注入深度离子注入的特点优点：•掺杂的均匀性好•低温工艺•可以精确控制杂质含量•可以注入各种各样的元素•横向扩散比纵向扩散要小得多•注入的离子能穿过薄膜•无固溶度极限缺点：•入射离子对半导体晶格有损伤•很浅和很深的注入分布难以实现•对高剂量注入，产率受限•离子注入设备昂贵典型的离子注入系统离子源、分析磁块和分析光阑（质量分析器）、加速器、中性束闸和中性束阱、扫描系统、法拉第杯离子源作用：产生注入用的离子原理：高能电子轰击（电子放电）杂质原子形成注入离子类型：高频，电子振荡，溅射将含有注入物质的气体送入系统，硅工艺常用的气体有BF3，AsH3和PH3，而GaAs工艺中常用的气体有SiH4和H2。如果所需注入的杂质种类不能由气体形式提供，可将含该物质的固体材料加热，将其产生的蒸汽作为杂质源。气体流入一个放电腔室，热灯丝发射的电子与气体分子碰撞，当能量足够大时，气体分子被离化。例如：BF3分解为数量不同的B、B+、BF2+、F+及各种其他物质。在源室的出口外侧加有比灯丝负很多的电位，用于提取正离子，并使用一个狭缝来得到通常几毫米宽、1~2cm长的离子束。质量分析器作用：将所需离子分选出来原理：带电离子在磁场中受洛伦磁力作用，运动轨迹发生弯曲由离子源引出的离子流含有各种成分，其中大多数是电离的，在BF3的例子中，我们需要仅仅拣选出B+，这样的过程通常由一个分析磁铁完成。离子束进入一个低压腔体内，该腔体内的磁场方向垂直于离子束的速度方向，利用磁场对荷质比不同的离子产生的偏转作用大小不同，最后在特定位置采用一个狭缝，可以将所需的离子分离出来。在质量分析器腔体中有qvBrMv2v是离子速度，q是离子所带的电荷量，M是离子质量，B是磁场强度，r是曲率半径，Vext是引出电位。根据以上两式可以得出质量为M+δM的离子产生的位移距离为MqVMEvext22extVqMBqBMvr21sincos12RLMMRD决定分辨率Question:分辨率和哪些因素有关？分别起什么作用？例如果分析磁场使离子束轨迹弯曲45°，L=R=50cm。当系统调整为选择11B+时，若10B+也被送入系统，求10B+的位移D。如果引出电压是20kV，求所需的磁场强度。（单位原子质量1.67×10-27kg，元电荷1.6×10-19C）解：10B与11B质量相差一个单位原子质量，因此将上式以及题中数据带入位移距离公式可得由于狭缝通常为几毫米宽，所以该分析器可以很容易地分辨1个原子量单位的差别。即便如此，质量重的物质仍然较难分辨，可能需要更大半径的磁铁。根据半径与磁场强度的关系等式，有式中，磁通密度为特斯拉（T）和千高斯（kG）1.0101MMcmD5.245sin45cos11015021ookGTVCkgmB3.113.0102106.11067.110250.0141927sincos12RLMMRD加速器作用：使离子获得所需的能量。原理：利用强电场，使离子获得更大的速度加速器的主要作用是使离子增加离子能量能够达到器件所需要的结深。加速管通常可能有几米长，并且维持相当高的真空度（10-6Torr），这对于避免加速过程中发生碰撞是必要的。用一组静电透镜将束聚焦为一个圆斑或长条状，然后束进入一个线性静电加速器，加速器沿加速管的长度方向建立一个电场来改变离子的能量。如果要求的能量小于引出能量，可加一个相反的补偿电压，但是由于这样做会降低束的稳定性和空间紧凑性，所以并不常用。中性束闸和中性束阱作用：使中性原子束因直线前进不能达到靶室原理：用一静电偏转板使离子束偏转5º--8º作用再进入靶室经过加速器加速得到的束中主要成分为离子，但可能会出现某些中性粒子，中性粒子一般是离子与热电子的结合物。他们也可能是束内离子与离子碰撞时进行电荷交换的产物。由于中性粒子在终端台的静电扫描装置中不能被偏转，所以不希望它们出现。离子束从一个静电偏转系统的两块平行电极板之间通过，由于中性粒子不受电场作用，不会被偏转入弯道，最终被一个挡板接收；而经过电极板的离子却有足够的偏转量，可以沿着弯道继续运动。BeB1111扫描系统作用：使离子在整个靶片上均匀注入。方式：①靶片静止，离子束在X,Y方向作电扫描。②粒子束在Y方向作电扫描，靶片在X方向作机械运动。③粒子束静止，靶片在X,Y方向作机械运动。Y方向X方向法拉第杯作用：收集束流测量注入剂量原理：收集到的束流对时间进行积分得到束流的大小信息剂量是电流与时间的积分并除以晶圆片面积，在法拉第杯和地之间接一个安培表就可以直接测量打在晶圆片上的离子电流大小。dtqIAD1其中I为收集的束流，A为注入的面积，t为积分的时间，q为离子的电荷。为了准确测量剂量，必须防止由二次电子逸出引起的误差，因为当高能离子打在晶圆片上时常会激发出大量二次电子，为了解决这一问题常在晶圆片上加一个小的正偏压，通常不超过几十伏，用来将电子吸引回晶圆片表面并被再次吸收。3.1.2离子注入系统主要参数1.核碰撞与电子碰撞理论LSS理论（注入离子在靶内的分布理论，林华德(Lindhard)，沙夫(Scharff)和希奥特(Schiott)）：注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程：①核碰撞注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。②电子碰撞注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬时地形成电子-空穴对。总能量损失为它们的和。核碰撞：是注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。注入离子与靶原子的质量一般为同一数量级，每次碰撞之后，注入离子都可能发生大角度的散射，并失去一定的能量。靶原子核也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离开原来所在晶格进入间隙，并留下一个空位，形成缺陷。两者的质量相差非常大(104)，每次碰撞中，注入离子的能量损失很小，而且散射角度也非常小，也就是说每次碰撞都不会改变注入离子的动量，虽然经过多次散射，注入离子运动方向基本不变。电子碰撞：是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬时地形成电子-空穴对。一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻滞本领就定义为电子阻滞本领定义为根据LSS理论，单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子损失能量为注入离子在靶内运动的总路程2.核阻滞本领和电子阻滞本领nndxdEESeedxdEESESESdxdEen0000EenEenESESdEESESdER投影射程E0为注入离子初始能量核阻滞本领经典两体碰撞法则入射离子与靶原子碰撞时，电场相互作用，将动能转变为势能，该势能被离子和靶原子按照各自质量大小所瓜分，离子改变方向继续前行，靶晶格原子产生反冲。EMMMMEtititrans24两球发生正面碰撞时传输的能量最大：MiMt若入射离子和靶原子都是裸原子核，散射势能仅由库伦势能给出：其中Zi和Zt分别为两个粒子的原子序数，r为距离。由于靶原子核外围绕着电子，正的核势能受到部分屏蔽，不能全部作用于注入离子。因此用一个指数屏蔽函数来修正势能，得到原子的托马斯-费米模型：rZZqrVti42)exp(42arrZZqrVti屏蔽距离托马斯-费米屏蔽函数在入射离子能量较低时，离子的能量不足破坏化学键，发生的是近弹性碰撞，可以用库仑散射模型来描述这一碰撞过程，能量损失定义为Sn，它随着离子能量的增大而增大。传递的动量由下式给出：在入射离子能量较高时，碰撞时间变得非常之短，使得能量损失变小，因此Sn在某个能量时有最大值，由下式可以近似得出Sn的最大值：其中FdtptiitinMMMZZZcmeVS3/12150108.22/33/23/2tiZZZ能量损失与入射离子能量关系，与入射离子能量E无关非局部电子阻滞局部电子阻滞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）电子阻滞本领能量损失的其他重要组成部分来自电子的作用当离子静止时周围介电质发生极化，当离子开始运动并达到一定速度时，极化场滞后于带电离子，对运动离子形成阻滞。该阻力正比于离子速率一个离子经过离晶格原子很近的地方，它们的电子波函数重叠，存在电荷和动量交换，使得离子能量降低并受到使之减速的力。这样的作用产生一个长程的局部电子阻滞，并取决于离子速度。以上两种电子阻滞形式都直接取决于离子的速度，因此，由于电子阻滞而在每个单位长度上损失的能量用符号Se表示为其中，ke为一个与粒子和靶物质有关的比例常数。在假定衬底是非晶体的最简单情况下，ke基本与被注入的离子无关，可以近似认为ke≈0.2×1015eV1/2cm2。EkcvdxdESeee)()(3/23/22/33titititieZZMMMMZZk根据LSS理论，得到核阻滞本领和电子阻滞本领曲线，其中和是无量纲的能量和射程参数。注入离子的能量可分为三个区域：低能区：核阻滞本领占主要地位，电子阻止可以被忽略。中能区：核阻滞本领和电子阻滞本领同等重要，必须同时考虑。高能区：电子阻滞本领占主要地位，核阻滞本领可以忽略。但这个区域的能量值，一般超出了工艺的实际应用范围。属于核物理的研究课题。As,P,B在硅中的核阻滞本领和电子阻滞本领与能量的关系的计算值总阻滞本领两种阻滞作用相等Question:为什么对重离子核阻滞占主导地位？3.投影射程概念：入射离子在半导体靶中行进的总距离是射程R，该射程在垂直轴上（x方向）的投影就是投影射程Rp。00000/EenERpSSdEdxdEdEdxRp其标准偏差titippMMMMRR32Question:怎么样使得Rp较小？平均投影射程Rp标准偏差Rp常用离子投影射程与标准偏差随能量的变化关系在能量一定的情况下，轻离子比重离子的射程要深并且标准偏差要大。任何一个注入离子，在靶内所受到的碰撞是一个随机过程。即使是能量相等的同种离子，在靶内发生每次碰撞的偏转角和损失能量、相邻两次碰撞之间的行程、离子在靶内所运动的路程总长度、以及总长度在入射方向上的投影射程(注入深度)都是不相同的。如果注入的离子数量很少，它们在靶内分布是很分散的，但是，如果注入大量的离子，那么这些离子在靶内将按一定统计规律分布。一级近似下，无定形靶内的纵向浓度分布可用高斯函数表示：其中，Rp为投影射程，ΔRp为投影射程的标准偏差，为剂量。以上为浓度与深度的函数变化关系。由于离子注入过程的统计特性，离子也有穿透掩蔽膜边缘的横向散射，因此分布应考虑为二维的，既有横向也有纵向的标准偏差。pRNdxxn0024.离子分布200keV注入N0(剂量)pRNdxxn002横向分布2222222/321exp21,,pppRRxZzYyZYRzyxN其中ΔY、ΔZ分别为在Y方向和Z方向上的标准偏差。ΔY=ΔZ=ΔR┴，ΔR┴为横向离散。通过一狭窄掩膜窗口注入的离子，掩膜窗口的宽度为2a，原点选在窗口的中心，y和z方向如图所示。①横向效应与注入能量成正比；②是结深的30％－50％；③窗口边缘的离子浓度是中心处的50％；横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。横向效应与注入离子的种类和离子能量有关Question:为什