【正文】 μm） 離子注入 35 keV As注入 120 keV As注入 離子注入 注入掩蔽層 —— 掩蔽層應(yīng)該多厚？ ? ?BmPm CRRxCxCPP ????????????? 2*2**2e x p)(*如果要求掩膜層能完全阻擋離子 xm為恰好能夠完全阻擋離子的掩膜厚度 Rp*為離子在掩蔽層中的平均射程， ?Rp*為離子在掩蔽層中的射程標(biāo)準(zhǔn)偏差 離子注入 ***** ln2PPBPPPm RmRCCRRx ??????????????解出所需的掩膜層厚度： 穿過掩膜層的劑量： ???????????????????????????????? ??**2*** 2er f c221ex p2 pPmx pPpP RRxQdxRRxRm?余誤差函數(shù) 離子注入 離子注入退火后的雜質(zhì)分布 ? ? ???????? ??DtxDtQtxC4ex p2,2?? ??????????????????????22e x p2 ppp RRxRQxC?0022)( tDR p ??? ? ? ? ? ?? ?????????????? DtR RxDtRQtxCPPP 22ex p22, 222?Dt ? D0t0＋ Dt 一個(gè)高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值濃度發(fā)生改變。 離子注入 離子注入的溝道效應(yīng) 前述高斯分布的投影射程及投影射程的標(biāo)準(zhǔn)偏差能很好地說明非晶硅或小晶粒多晶硅襯底的注入離子分布．只要離子束方向偏離低指數(shù)(lowindex)晶向 (如 111)，硅和砷化鎵中的分布狀態(tài)就如在非晶半導(dǎo)體中一樣．在此情況下，靠近峰值處的實(shí)際雜質(zhì)分布，即使延伸到低于峰值一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)處也一樣，如右圖所示．然而即使只偏離111晶向 7o，仍會(huì)有一個(gè)隨距離而成指數(shù)級(jí) exp(x/?)變化的尾區(qū)，其中 ?典型的數(shù)量級(jí)為 ?m． 離子注入 指數(shù)型尾區(qū)與離子注入溝道效應(yīng)有關(guān)，當(dāng)入射離子對(duì)準(zhǔn)一個(gè)主要的晶向并被導(dǎo)向在各排列晶體原子之間時(shí)，溝道效應(yīng)就會(huì)發(fā)生。 圖為沿 110方向觀測(cè)金剛石晶格的示意圖。離子沿 110方向入射，因?yàn)樗c靶原子較遠(yuǎn)，使它在和核碰撞時(shí)不會(huì)損傷大量能量。對(duì)溝道離子來說，唯一的能量損傷機(jī)制是電子阻止，因此溝道離子的射程可以比在非晶硅靶中大得多。 離子注入 溝道效應(yīng)（ Channeling effect）： 當(dāng)離子沿晶軸方向注入時(shí)，大部分離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)，幾乎不會(huì)受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠(yuǎn)。 離子注入 111 100 110 離子注入 離子進(jìn)入的角度及通道 110 111 100 傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向 離子注入 濃度分布： 由于溝道效應(yīng)的存在，在晶體中注入將偏離LSS理論在非晶體中的高斯分布，濃度分布中出現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的“尾巴” 產(chǎn)生非晶化的劑量 沿 100的溝道效應(yīng) 離子注入 表面非晶層對(duì)于溝道效應(yīng)的作用 Boron implant into SiO2 Boron implant into Si 離子注入 減少溝道效應(yīng)的措施： 覆蓋一層非晶體的表面層、將硅晶片轉(zhuǎn)向或在硅晶片表面制造一個(gè)損傷的表層．常用的覆蓋非晶體材料只是一層薄的氧化層 [圖 (a)]，此層可使離子束的方向隨機(jī)化，使離子以不同角度進(jìn)入硅晶片而不直接進(jìn)入晶體溝道．將硅晶片偏離主平面 5o～ 10o，也能有防止離子進(jìn)入溝道的效果 [圖 (b)]．利用這種方法，大部分的注入機(jī)器將硅晶片傾斜 7o并從平邊扭轉(zhuǎn) 22o以防止溝道效應(yīng)．先注入大量硅或鍺原子以破壞硅晶片表面，可在硅晶片表面產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)層 [圖 (c)]．然而，這種方法需要使用昂貴的離子注入機(jī)． 離子注入 典型離子注入?yún)?shù) 離子： P， As， Sb， B， In， O 劑量： 1011~1018 cm2 能量： 1– 400 keV 可重復(fù)性和均勻性 : 〒 1% 溫度：室溫 流量： 10121014 cm2s1 離子注入 總阻止本領(lǐng)（ Total stopping power） 核阻止和電子阻止相等的能量 離子注入 表面處晶格損傷較小 射程終點(diǎn)（ EOR）處晶格損傷大 離子注入 EOR damage Courtesy AnnChatrin Lindberg (March 2022). 離子注入 晶格損傷： 高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列碰撞，可能使靶原子發(fā)生位移，被位移原子還可能把能量依次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的空位－間隙原子對(duì)及其它類型晶格無序的分布。這種因?yàn)殡x子注入所引起的簡(jiǎn)單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。 什么是注入損傷 (Si)Si?SiI + SiV 離子注入 損傷的產(chǎn)生 ? 移位原子： 因碰撞而離開晶格位臵的原子。 ? 移位閾能 Ed： 使一個(gè)處于平衡位臵的原子發(fā)生移位，所需的最小能量 . (對(duì)于硅原子 , Ed?15eV) ? 注入離子通過碰撞把能量傳給靶原子核及其電子的過程，稱為 能量傳遞過程 離子注入 損傷區(qū)的分布 重離子每次碰撞傳輸給靶的能量較大，散射角小，獲得大能量的位移原子還可使許多原子移位。注入離子的能量損失以核碰撞為主。同時(shí)，射程較短，在小體積內(nèi)有較大損傷。重離子注入所造成的損傷區(qū)域小，損傷密度大。 質(zhì)量較靶原子輕的離子傳給靶原子能量較小，被散射角度較大，只能產(chǎn)生數(shù)量較少的位移靶原子，因此，注入離子運(yùn)動(dòng)方向的變化大，產(chǎn)生的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較大。呈鋸齒狀。 離子注入 離子注入損傷估計(jì) 100KeV B離子注入損傷 初始核能量損失： 30eV/nm, 硅晶面間距 : , 每穿過一個(gè)晶面能量損失 : 30eV/nm 〓 = Ed (15eV). 當(dāng)能量降到 50KeV,穿過一個(gè)晶面能量損失為 15eV, 該能量所對(duì)應(yīng)的射程為 : 150nm. 位移原子數(shù)為 : 150/=600, 如果移位距離為 : , 那么損傷體積 : ?()2 〓 150=3X1018cm3. 損傷密度 : 2X1020 cm3, 大約是原子密度 %. 100KeV As離子注入損傷 平均核能量損失： 1320eV/nm,損傷密度 : 5 〓 1021 cm3, 大約是原子密度 10%, 該數(shù)值為達(dá)到晶格無序所需的臨界劑量 , 即非晶閾值 . 離子注入 非晶化（ Amorphization） ?注入離子引起的晶格損傷有可能使晶體結(jié)構(gòu)完全破壞變?yōu)闊o序的非晶區(qū)。 ?與注入劑量的關(guān)系 – 注入劑量越大，晶格損傷越嚴(yán)重。 – 臨界劑量：使晶格完全無序的劑量。 – 臨界劑量和注入離子的質(zhì)量有關(guān) 離子注入 損傷退火 （ Damage Annealing） ?被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位臵，對(duì)載流子的輸運(yùn)沒有貢獻(xiàn)；而且也造成大量損傷。 ?注入后的半導(dǎo)體材料： 雜質(zhì)處于間隙 nND； pNA 晶格損傷，遷移率下降；少子壽命下降 熱退火后： n? ? n=ND (p=NA) ?? ? ?bulk ? ? ? ?0 離子注入 損傷退火的目的 ? 去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復(fù)其原有完美晶體結(jié)構(gòu) ? 讓雜質(zhì)進(jìn)入電活性（ electrically active） 位臵－替位位臵。 ? 恢復(fù)電子和空穴遷移率 注意：退火過程中應(yīng)避免大幅度的雜質(zhì)再分布 離子注入 損傷恢復(fù)機(jī)制（ Damage Recovery Mechanism） Annihilation: rebination SiI + SiV ? (Si)Si Monte Carlo模擬的 IV 復(fù)合結(jié)果：短時(shí)間內(nèi)（ 102秒） 800 ?C 下，體內(nèi)的 V 在表面復(fù)合迅速完成，產(chǎn)生剩余的 I ，其表面復(fù)合相對(duì)較緩慢。在 400 ?C以上，這些 I 可接合入 {311}面形成棒 /帶狀缺陷，并可以穩(wěn)定較長(zhǎng)時(shí)間。 Frenkel IV pairs 離子注入 ?該 {311}缺陷帶在較高溫度下（ 800～ 1000 ?C）即可退火修復(fù)，但是釋放出大量填隙原子 I。 ?損傷小于臨界值，這些 {311}缺陷可以完全分解，回復(fù)完美晶體。 ?損傷高于臨界值，則 {311}缺陷可能變成穩(wěn)定的位錯(cuò)環(huán)，該位錯(cuò)環(huán)位于 EOR，并難以去除。 TED 漏電流大 離子注入 a) 退火 一定溫度下，通常在 Ar、 N2或真空條件下 退火溫度取決于注入劑量及非晶層的消除。 修復(fù)晶格： 退火溫度 600 oC以上，時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)小時(shí) 雜質(zhì)激活： 退火溫度 650－ 900 oC ，時(shí)間 10－ 30分鐘 * 方法簡(jiǎn)單 * 不能全部消除缺陷 * 對(duì)高劑量注入激活率不夠高 * 雜質(zhì)再分布 離子注入 。 高功率激光束輻照 。電子束 。高強(qiáng)度的光照 。其它輻射 RTP主要優(yōu)點(diǎn)是 摻雜的再分布大大降低，對(duì)制備淺結(jié)器件特別有利 b）快速熱退火， Rapid Thermal Processing（ RTP） 離子注入 離子注入 表為傳統(tǒng)爐管與 RTA技術(shù)的比較。為獲得較短的工藝時(shí)間，需在溫度和工藝的不均勻性、溫度測(cè)量與控制、硅晶片的應(yīng)力與產(chǎn)率間作取舍。 傳統(tǒng)爐管 RTA 工藝 整批 單一芯片 爐管 熱管壁 冷管壁 加熱率 低 高 周期 高 低 溫控 爐管 芯片 熱預(yù)算 高 低 粒子問題 是 最小 均勻度和可重復(fù)性 高 低 產(chǎn)率 高 低 離子注入 離子注入 離子注入在集成電路中的應(yīng)用 CMOS制造 910 different I/I identified ! 離子注入 雙極型制造（ Bipolar fabrication） 。高能注入形成埋層 。 LOCOS下方的 pn結(jié)隔離 。形成基區(qū)注入 。砷注入多晶硅發(fā)射區(qū) 。多晶電阻 離子注入 其它應(yīng)用 ?硅襯底背面損傷形成吸雜區(qū) Backside Damage Layer Formation for Gettering ?形成 SOI結(jié)構(gòu) SiliconOnInsulator Using Oxygen or Hydrogen Implantation 離子注入 注入相關(guān)工藝 多次注入及掩蔽 在許多應(yīng)用中，除了簡(jiǎn)單的高斯分布外其他的雜質(zhì)分布也是需要的。例如硅內(nèi)預(yù)先注入惰性離子，使表面變成非晶。此方法使雜質(zhì)分布能準(zhǔn)確地控制，且近乎百分百的雜質(zhì)在低溫下激活。在此情況下，深層的非晶體層是必須，為了得到這種區(qū)域，必須要做 一些列不同能量與劑量的注入（多次注入）。 多次注入如下圖所示，用于形成一平坦的雜質(zhì)分布。 離子注入 在圖中，四次硼注入硅中以提供一合成的雜質(zhì)分布．測(cè)量和利用射程理論所預(yù)測(cè)的載流子濃度如圖所示．其他不能由擴(kuò)散方法得到的雜質(zhì)分布，也可用不同雜質(zhì)劑量與注入能量的組合來實(shí)現(xiàn)． 多次注入也用來保證砷化鎵在注入與退火時(shí)化學(xué)成分保持不變．這種方法以等量的鎵與 n型雜質(zhì)(或砷與 p型雜質(zhì) )在退火前預(yù)先注入，這樣可以激活更多的雜質(zhì)．為了要在半導(dǎo)體襯底中預(yù)先選擇的區(qū)域里形成 pn結(jié)，注入時(shí)需要一層合適的掩蔽層．因?yàn)樽⑷雽儆诘蜏毓に?，有很多材料可以使用．要阻止一定比例的入射離子所需用的掩蔽材料，其最小厚度可從離子的射程參數(shù)來求得． 離子注入 2e x p22pd dppxRSS? ? ??????????? ???????為了要在半導(dǎo)體襯底中預(yù)先選擇的區(qū)域里形成 pn結(jié)，注入時(shí)需要一層合適的掩蔽層。此層要阻止一定比例的入射離子其最小厚度可從離子的射程參數(shù)來求得。在某一深度 d之后的注入量對(duì)回憶式積分可得：