【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準偏差 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 一個高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其標準偏差和峰值濃度發(fā)生改變。 離子注入 離子注入的溝道效應 前述高斯分布的投影射程及投影射程的標準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)就如在非晶半導體中一樣．在此情況下，靠近峰值處的實際雜質(zhì)分布，即使延伸到低于峰值一至兩個數(shù)量級處也一樣，如右圖所示．然而即使只偏離111晶向 7o，仍會有一個隨距離而成指數(shù)級 exp(x/?)變化的尾區(qū)，其中 ?典型的數(shù)量級為 ?m． 離子注入 指數(shù)型尾區(qū)與離子注入溝道效應有關(guān)，當入射離子對準一個主要的晶向并被導向在各排列晶體原子之間時，溝道效應就會發(fā)生。 圖為沿 110方向觀測金剛石晶格的示意圖。離子沿 110方向入射，因為它與靶原子較遠，使它在和核碰撞時不會損傷大量能量。對溝道離子來說，唯一的能量損傷機制是電子阻止，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（ Channeling effect）： 當離子沿晶軸方向注入時，大部分離子將沿溝道運動，幾乎不會受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠。 離子注入 111 100 110 離子注入 離子進入的角度及通道 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)一個相當長的“尾巴” 產(chǎn)生非晶化的劑量 沿 100的溝道效應 離子注入 表面非晶層對于溝道效應的作用 Boron implant into SiO2 Boron implant into Si 離子注入 減少溝道效應的措施： 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化，使離子以不同角度進入硅晶片而不直接進入晶體溝道．將硅晶片偏離主平面 5o～ 10o，也能有防止離子進入溝道的效果 [圖 (b)]．利用這種方法，大部分的注入機器將硅晶片傾斜 7o并從平邊扭轉(zhuǎn) 22o以防止溝道效應．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)生一個隨機層 [圖 (c)]．然而，這種方法需要使用昂貴的離子注入機． 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 可重復性和均勻性 : 〒 1% 溫度：室溫 流量： 10121014 cm2s1 離子注入 總阻止本領（ 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（ 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－間隙原子對及其它類型晶格無序的分布。這種因為離子注入所引起的簡單或復雜的缺陷統(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： 使一個處于平衡位臵的原子發(fā)生移位，所需的最小能量 . (對于硅原子 , 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，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，注入離子運動方向的變化大，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 100KeV B離子注入損傷 初始核能量損失： 30eV/nm, 硅晶面間距 : , 每穿過一個晶面能量損失 : 30eV/nm 〓 = Ed (15eV). 當能量降到 50KeV,穿過一個晶面能量損失為 15eV, 該能量所對應的射程為 : 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體晶格的間隙位臵，對載流子的輸運沒有貢獻；而且也造成大量損傷。 ?注入后的半導體材料： 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，讓硅晶格恢復其原有完美晶體結(jié)構(gòu) ? 讓雜質(zhì)進入電活性（ electrically active） 位臵－替位位臵。 ? 恢復電子和空穴遷移率 注意：退火過程中應避免大幅度的雜質(zhì)再分布 離子注入 損傷恢復機制（ Damage Recovery Mechanism） Annihilation: rebination SiI + SiV ? (Si)Si Monte Carlo模擬的 IV 復合結(jié)果：短時間內(nèi)（ 102秒） 800 ?C 下，體內(nèi)的 V 在表面復合迅速完成，產(chǎn)生剩余的 I ，其表面復合相對較緩慢。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)定較長時間。 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，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)定的位錯環(huán)，該位錯環(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。 修復晶格： 退火溫度 600 oC以上，時間最長可達數(shù)小時 雜質(zhì)激活： 退火溫度 650－ 900 oC ，時間 10－ 30分鐘 * 方法簡單 * 不能全部消除缺陷 * 對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 。高強度的光照 。其它輻射 RTP主要優(yōu)點是 摻雜的再分布大大降低，對制備淺結(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間，需在溫度和工藝的不均勻性、溫度測量與控制、硅晶片的應力與產(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 熱預算 高 低 粒子問題 是 最小 均勻度和可重復性 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 在許多應用中，除了簡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．測量和利用射程理論所預測的載流子濃度如圖所示．其他不能由擴散方法得到的雜質(zhì)分布，也可用不同雜質(zhì)劑量與注入能量的組合來實現(xiàn)． 多次注入也用來保證砷化鎵在注入與退火時化學成分保持不變．這種方法以等量的鎵與 n型雜質(zhì)(或砷與 p型雜質(zhì) )在退火前預先注入，這樣可以激活更多的雜質(zhì)．為了要在半導體襯底中預先選擇的區(qū)域里形成 pn結(jié)，注入時需要一層合適的掩蔽層．因為注入屬于低溫工藝，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? ? ??????????? ???????為了要在半導體襯底中預先選擇的區(qū)域里形成 pn結(jié)，注入時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之后的注入量對回憶式積分可得：