硅集成电路工艺基础4.ppt
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第四章第四章离子注入离子注入离子注入技离子注入技术是用是用一定能量一定能量的的杂质离子束离子束轰击要要掺杂的材料（称的材料（称为靶），靶），一部分一部分杂质离子会离子会进入靶内，入靶内，实现掺杂的目的。
的目的。
离子注入是集成离子注入是集成电路制造中常用的一种路制造中常用的一种掺杂工工艺，尤，尤其是其是浅浅结主要是靠离子注入技主要是靠离子注入技术实现掺杂。
1952年，美国年，美国贝尔实验室就开始研究用室就开始研究用离子束离子束轰击技技术来改善半来改善半导体体的特性。
的特性。
1954年前后，年前后，Shockley提出来用提出来用离子注入技离子注入技术能能够制造半制造半导体器件体器件，并，并且且预言采用言采用这种方法可以制造薄基区的高种方法可以制造薄基区的高频晶体管。
晶体管。
1955年，英国的年，英国的W.D.Cussins发现硼离子硼离子轰击锗晶片晶片时，可在，可在n型材料型材料上形成上形成p型型层。
1960年，年，对离子射程的离子射程的计算和算和测量量、辐射射损伤效效应以及以及沟道效沟道效应等方等方面的重要研究己基本完成，离子注入技面的重要研究己基本完成，离子注入技术开始在半开始在半导体器件生体器件生产中得中得到到广泛广泛应用用。
1968年，采用离子注入技年，采用离子注入技术制造出具有制造出具有突突变型型杂质分布的分布的变容二极管容二极管以及以及铝栅自自对准准MOS晶体管晶体管。
1972年以后年以后对离子注入离子注入现象有了更深入的了解，目前离子注入技象有了更深入的了解，目前离子注入技术已已经成成为甚大甚大规模集成模集成电路路制造中最主要的制造中最主要的掺杂工工艺。
离子注入的离子注入的发展展历史史4.1、核碰撞和、核碰撞和电子碰撞子碰撞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4.3、注入、注入损伤4.4、热退火退火4.5、离子注入系、离子注入系统及工及工艺本章主要内容本章主要内容4.1、核碰撞和、核碰撞和电子碰撞子碰撞1963年，林年，林华德德（Lindhard），沙夫，沙夫（Scharff）和希奥特和希奥特（Schiott）。
LSS理理论（注入离子在靶内的分布理注入离子在靶内的分布理论）：
）：
注入离子在靶内的能量注入离子在靶内的能量损失分失分为两个彼此独立的两个彼此独立的过程：
程：
核碰撞核碰撞（核阻止核阻止）电子碰撞子碰撞（电子阻止子阻止）注入离子注入离子总的能量的能量损失失为二者之和。
二者之和。
核碰撞：
是注入离子与靶内原子核之核碰撞：
是注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。
的相互碰撞。
因注入离子与靶原子的因注入离子与靶原子的质量一量一般般为同一数量同一数量级，每次碰撞之后，每次碰撞之后，注入注入离子离子都可能都可能发生生大角度的散射大角度的散射，并失，并失去一定的能量。
去一定的能量。
靶原子核靶原子核也因碰撞而也因碰撞而获得能量，得能量，如果如果获得的能量大于原子束得的能量大于原子束缚能，就能，就会离开原来所在晶格会离开原来所在晶格进入入间隙，并留隙，并留下一个空位，形成缺陷。
下一个空位，形成缺陷。
由于两者的由于两者的质量相差非常大量相差非常大（104），每次碰撞中，注入离子的每次碰撞中，注入离子的能量能量损失很小失很小，而且而且散射角度也非常小散射角度也非常小，也就是，也就是说每次每次碰撞都不会改碰撞都不会改变注入离子的注入离子的动量，量，虽然然经过多次散射，多次散射，注入离子运注入离子运动方向基本方向基本不不变。
电子碰撞：
是注入离子与靶内自由子碰撞：
是注入离子与靶内自由电子以及束子以及束缚电子之子之间的碰撞。
的碰撞。
一个注入离子在其运一个注入离子在其运动路程上任一点路程上任一点x处的能量的能量为E，则核阻止本核阻止本领就定就定义为电子阻止本子阻止本领定定义为根据根据LSS理理论，单位距离上，由于核碰撞和位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子子碰撞，注入离子损失能量失能量为注入离子在靶内运注入离子在靶内运动的的总路程路程核阻止本核阻止本领和和电子阻止本子阻止本领4.1.1、核阻止本、核阻止本领把注入离子和靶原子看成是两个不把注入离子和靶原子看成是两个不带电的硬球，半径分的硬球，半径分别为R1和和R2。
碰撞前：
碰撞前：
R1，M1，Vl，E0注入离子注入离子R2，M2靶原子靶原子碰撞后：
碰撞后：
R1，M1，Ul，E1，1R2，M2，U2，E2，2两球之两球之间的碰撞距离用碰撞参数的碰撞距离用碰撞参数p表示，表示，只有在只有在p（R1+R2）时才能才能发生碰撞和能量生碰撞和能量的的转移。
移。
在在p=0时，两球将，两球将发生正面碰撞，此生正面碰撞，此时传输的能量最大，用的能量最大，用TM表示：
表示：
不考不考虑电子屏蔽作用子屏蔽作用时，注入离子与靶原子之，注入离子与靶原子之间的的势函数函数为库仑势：
其中其中Z1和和Z2分分别为两个粒子的原子序数，两个粒子的原子序数，r为距离。
距离。
考考虑电子屏蔽作用，注入离子与靶原子之子屏蔽作用，注入离子与靶原子之间的的势函数用下面形式表示：
函数用下面形式表示：
其中其中f（r/a）为电子屏蔽函数。
子屏蔽函数。
考考虑一一级近似，屏蔽函数近似，屏蔽函数为：
此此时注入离子与靶原子核碰撞的能量注入离子与靶原子核碰撞的能量损失率失率为常数，用常数，用S0n表示。
表示。
如果采用用托如果采用用托马斯斯-费米屏蔽函数，核阻止米屏蔽函数，核阻止本本领与离子能量的关系与离子能量的关系Sn（E）如如图所示。
所示。
低能量低能量时核阻止本核阻止本领随离子能量呈随离子能量呈线性增性增加，在某个能量达到最大加，在某个能量达到最大值高能量高能量时，因快速运，因快速运动的离子没有足的离子没有足够的的时间与靶原子与靶原子进行有效的能量交行有效的能量交换，核阻，核阻止本止本领变小。
小。
托托马斯斯-费米屏蔽函数米屏蔽函数核阻止本核阻止本领与离子能量的关系与离子能量的关系As,P,B在硅中的核阻止本在硅中的核阻止本领和和电子阻止本子阻止本领与能量的关系的与能量的关系的计算算值对硅靶来硅靶来说，注入离子不同，其，注入离子不同，其核阻止本核阻止本领达到最大的能量达到最大的能量值是是不同的。
不同的。
4.1.2、电子阻止本子阻止本领在在LSS理理论中，把固体中的中，把固体中的电子看子看为自由自由电子气，子气，电子阻止子阻止类似于似于黏滞气体的阻力。
黏滞气体的阻力。
在注入离子的常用能量范在注入离子的常用能量范围内，内，电子阻止本子阻止本领Se（E）同注入离子的速同注入离子的速度成正比，即和注入离子能量的平方根成正比：
度成正比，即和注入离子能量的平方根成正比：
其中其中V为注入离子的速度，系数注入离子的速度，系数ke与注入离子的原子序数和与注入离子的原子序数和质量、靶材的量、靶材的原子序数和原子序数和质量有着微弱的关系。
量有着微弱的关系。
在粗略近似下，在粗略近似下，对于无定形硅靶来于无定形硅靶来说，ke为一常数。
一常数。
4.1.3、射程的粗略估、射程的粗略估计根据根据LSS理理论，核阻止本，核阻止本领和和电子阻止本子阻止本领曲曲线如如图，其中，其中和和是无量是无量纲的能量和射程参数。
的能量和射程参数。
注入离子的能量可分注入离子的能量可分为三个区域：
三个区域：
低能区：
低能区：
核阻止本核阻止本领占主要地位，占主要地位，电子阻止可以被忽略。
子阻止可以被忽略。
中能区：
中能区：
核阻止本核阻止本领和和电子阻止本子阻止本领同等重要，必同等重要，必须同同时考考虑。
高能区：
高能区：
电子阻止本子阻止本领占主要地位，占主要地位，核阻止本核阻止本领可以忽略。
但可以忽略。
但这个区域个区域的能量的能量值，一般超出了工，一般超出了工艺的的实际应用范用范围。
属于核物理的研究。
属于核物理的研究课题。
射程估算：
射程估算：
如果注入离子能量比如果注入离子能量比Ec大很多，大很多，则离子在离子在靶内主要以靶内主要以电子阻止形式子阻止形式损失能量，可按失能量，可按下式估算射程下式估算射程如果注入离子的能量如果注入离子的能量ERp一一侧有有较多的离子分布多的离子分布（重，散射角小）（重，散射角小）尽管如此，尽管如此，实践中通常仍利用理想践中通常仍利用理想高斯分布高斯分布来快速来快速估算注入离子估算注入离子在非晶在非晶靶以及靶以及单晶靶材料中晶靶材料中的分布的分布。
一一级近似得到的高斯分布，在峰近似得到的高斯分布，在峰值附近与附近与实际分布符合分布符合较好，距峰好，距峰值较远时有一定偏离。
有一定偏离。
在能量一定的情况下，在能量一定的情况下，轻离子比重离子的射程要深。
离子比重离子的射程要深。
B，P，As在无定型硅和在无定型硅和热氧化氧化SiO2中的投影射程和能量的关系中的投影射程和能量的关系4.2.2、横向分布、横向分布横向效横向效应：
注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。
注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。
离子束沿离子束沿x方向入射，方向入射，注入离子的空注入离子的空间分布函数分布函数f（x,y,z）：
其中其中Y扣扣Z分分别为在在Y方向和方向和Z方向上的方向上的标准偏差。
准偏差。
Y=Z=R，R为横向离散。
横向离散。
在掩膜在掩膜边缘（即即-a和和+a处）的的浓度是窗口中心度是窗口中心处浓度的度的50。
而距离大于而距离大于+a和小于和小于-a各各处的的浓度按度按余余误差差下降。
下降。
通通过一狭窄掩膜窗口注入的离子，掩膜窗口的一狭窄掩膜窗口注入的离子，掩膜窗口的宽度度为2a，原点原点选在窗口的中心，在窗口的中心，y和和z方向如方向如图所示。
所示。
（a）杂质B、P、Sb通通过lm宽掩膜窗口注入到硅靶中的等掩膜窗口注入到硅靶中的等浓度曲度曲线（b）杂质P以不同能量注入硅靶中的等以不同能量注入硅靶中的等浓度曲度曲线横向效横向效应与与注入离子的种注入离子的种类和和离子能量离子能量有关有关硼、磷和砷入射到无定形硅靶中硼、磷和砷入射到无定形硅靶中时，Rp和和R与入射能量的关系与入射能量的关系4.2.3、沟道效、沟道效应沟道效沟道效应：
当离子注入的方向与靶晶体的某个晶面平行当离子注入的方向与靶晶体的某个晶面平行时，将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。
，注入深度很深。
由于沟道效由于沟道效应，使注入离子，使注入离子浓度的分布度的分布产生很生很长的的拖尾拖尾。
为了避免沟道效了避免沟道效应，可使，可使晶体的主晶体的主轴方向偏离注入方向方向偏离注入方向，使之呈使之呈现无定形状无定形状态，会，会发生大量碰撞。
生大量碰撞。
偏离的典型偏离的典型值为7。
部分沟道效部分沟道效应，在两次碰撞之，在两次碰撞之间有沟道效有沟道效应存在，存在，杂质分布拖尾。
分布拖尾。
4.2.4、浅、浅结的形成的形成对于于轻杂质，如，如B，注入深度一般，注入深度一般较深，形成浅深，形成浅结非常困非常困难。
形成浅形成浅结：
1.降低注入离子能量：
注入离子能量几个降低注入离子能量：
注入离子能量几个keV但是在低能情况下，沟道效但是在低能情况下，沟道效应变得非常明得非常明显。
增大偏离角度。
增大偏离角度。
在低能注入在低能注入时，离子束的，离子束的稳定性是一个定性是一个问题，由于空，由于空间电荷效荷效应，离，离子束子束发散。
解决散。
解决办法是采用法是采用宽束流，降低束流密度。
束流，降低束流密度。
2.预先非晶化：
注先非晶化：
注B前，先以重离子高前，先以重离子高剂量注入，使量注入，使Si形成非晶表面形成非晶表面层。
使沟道效使沟道效应减小。
减小。
完全非晶化完全非晶化层在退火后在退火后结晶晶质量好。
量好。
4.3、注入、注入损伤离子注入技离子注入技术的最大的最大优点，就是可以精确地控制点，就是可以精确地控制掺杂杂质的数量及深度。
的数量及深度。
但是，在离子注入的但是，在离子注入的过程中，程中，衬底的晶体底的晶体结构也不可避免地受到构也不可避免地受到损伤。
离子注入前后，离子注入前后，衬底的晶体底的晶体结构构发生生变化。
化。
如果如果传递的能量小于的能量小于移位移位阈能能Ed，被碰原子只是在平衡位置振，被碰原子只是在平衡位置振动，将将获得的能量以振得的能量以振动能
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