【正文】 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。 多次注入如下圖所示，用于形成一平坦的雜質分布。此方法使雜質分布能準確地控制，且近乎百分百的雜質在低溫下激活。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結構 SiliconOnInsulator Using Oxygen or Hydrogen Implantation 離子注入 注入相關工藝 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分布也是需要的。形成基區(qū)注入 。高能注入形成埋層 。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、硅晶片的應力與產率間作取舍。高強度的光照 。 高功率激光束輻照 。 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。 ?損傷小于臨界值，這些 {311}缺陷可以完全分解，回復完美晶體。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。 ?注入后的半導體材料： 雜質處于間隙 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構 ? 讓雜質進入電活性（ electrically active） 位臵－替位位臵。 – 臨界劑量：使晶格完全無序的劑量。 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構完全破壞變?yōu)闊o序的非晶區(qū)。 質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，產生的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較大。同時，射程較短，在小體積內有較大損傷。 ? 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。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。 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。 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，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。 橫向效應： 指的是注入離子在垂直于入射方向平面內的分布情況 橫向效應影響 MOS晶體管的有效溝道長度。= mm ?Rp=855 197。注入劑量 Q=5〓 10 14/cm2（襯底濃度 2〓 1016 /cm3） 1) 試估算注入離子的投影射程，投影射程標準偏差、 峰 值濃度、結深 2) 如注入時間為 1分鐘，估算所需束流。 對擴散而言，最大濃度位于x=0；而對離子注入來說，最大濃度位于投影射程 Rp處．在(xRp)=〒 ?p處，離子濃度比其峰值降低了 40 %；在 〒 2 ?p處則降為 10％；在 〒 3 ?p處降為 1％；在 〒 ?p 處降為％． ? ? ? ??? ???0001 EenRp ESESdENdxRp投影射程 Rp: Rp ?Rp ?R? Rp ?Rp ?R? Rp ?Rp ?R? 離子注入 注入離子的濃度分布 在忽略橫向離散效應和一級近似下，注入離子在靶內的縱向濃度分布可近似取高斯函數(shù)形式 ? ?????????????????????221ex pppP RRxCxC200 keV 注入 元素 原子質量 Sb 122 As 74 P 31 B 11 Cp 離子注入 ? ? pp CRdxxCQ ??? ??????2Q：為離子注入劑量（ Dose） , 單位為 ions/cm2，可以從測量積分束流得到 ?????????????????????22e x p2)(ppp RRxRQxC?ppP RQRQC???? 2 ?由 ， 可以得到： ? 離子注入 Q可以精確控制 ?? dtqIAQ 1A為注入面積， I為硅片背面搜集到的束流（ Farady Cup）， t為積分時間， q為離子所帶的電荷。 離子注入 注入離子的二維分布圖 離子注入 沿著入射軸所注入的雜質分布可以用一個高斯分布函數(shù)來近似： 22()( ) e xp[ ]22pppxRSnx??????S為單位面積的離子注入劑量，此式等同于恒定摻雜總量擴散是的式。 非局部電子阻止 局部電子阻止 ? ? 22/1152/1 , ????? kkECvES i o ne不改變入射離子運動方向 電荷 /動量交換導致入射離子運動方向的改變（ 核間作用） 離子注入 99 總阻止本領（ Total stopping power） ?核阻止本領在低能量下起主要作用（注入分布的尾端） ?電子阻止本領在高能量下起主要作用 核阻止和電子阻止相等的能量 離子注入 離子 E2 B 17 keV P 150 keV As, Sb 500 keV n n n e 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 R：射程（ range） 離子在靶內的總路線長度 Rp：投影射程（ projected range） R在入射方向上的投影 ?Rp： 標準偏差（ Straggling）， 投影射程的平均偏差 ?R?： 橫向 標準 偏差（ Traverse straggling） , 垂直于入射方向平面上的標準偏差。 離子注入 ? ? ? ?? ?ESESNdxdE en ???dE/dx：能量隨距離損失的平均速率 E：注入離子在其運動路程上任一點 x處的能量 Sn(E)：核阻止本領 /截面 (eVcm2) Se(E)：電子阻止本領 /截面（ eVcm2) N: 靶原子密度 ～ 5?1022 cm3 for Si ? ? ? ?eenn dxdENESdxdENES ?????????????? 1,1LSS理論 能量 E的函數(shù) 能量為 E的入射粒子在密度為 N的靶內走過 x距離后損失的能量 離子注入 核阻止本領 ?注入離子與靶內原子核之間 兩體碰撞 ?兩粒子之間的相互作用力是 電荷作用 摘自 . Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295 核阻止能力的一階近似為： 例如：磷離子 Z1 = 15, m1 = 31 注入硅 Z2 = 14, m2 = 28,計算可得： Sn ~ 550 keVmm2 m—— 質量， Z—— 原子序數(shù) 下標 1—— 離子，下標 2—— 靶 ? ? 22113223212115 mmmZZZZESn ?????對心碰撞，最大能量轉移： E)m(m mmE T r a n s 221214?? 離子注入 離子注入 計算顯示，在低能量時，核阻止本領隨能量的增加而線性增加， Sn(E)會在某一中等能量時達到最大值．在高能量時，由于快速粒子沒有足夠的時間和靶原子進行有效的能量交換，所以Sn(E)變?。鑼Ω鞣N能量的砷、磷、硼離子的Sn(E)計算值，在圖中用實線畫出 (在離子符號左上角標有原子量 )．由圖可見，較重的原子 (如砷 )有較大的核阻止本領，即單位距離內的能量損失較大． 電子阻止本領 把固體中的電子看成自由電子氣，電子的阻止就類似于粘滯氣體的阻力（一階近似）。 ?核阻止本領：來自靶原子核的阻止，經典兩體碰撞理論。 離子注入 注入離子如何在體內靜止？ LSS理論 —— 對在非晶靶中注入離子的射程分布的研究 1963年， Lindhard, Scharff and Schiott首先確立了注入離子在靶內分布理論，簡稱 LSS理論。 b) 離子源（ Ion Source）： 燈絲（ filament）發(fā)出的自由電子在電磁場作用下，獲得足夠的能量后撞擊源分子或原子，使它們電離成離子，再經吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器 氣體源： BF3， AsH3， PH3， Ar， GeH4， O2， N2， ... 離子源： B ， As， Ga， Ge， Sb， P， ... 離子注入 離子注入過程是一個非平衡過程，高能離子進入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失能量，最后停下來。 離子注入 離子注入特點 ? 各種雜質濃度分布與注入濃度可通過精確控制摻雜劑量（ 10111018 cm2）和能量（ 1400 keV）來達到 ? 平面上雜質摻雜分布非常均勻（ 1% variation across an 8‘’ wafer） ? 表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結低濃度 或深結高濃度 ? 注入元素可以非常純，雜質單一性 ? 可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻膠、介質；可防止玷污，自由度大 ? 低溫過程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高溫過程引起的熱擴散 ? 橫向效應比氣固相擴散小得多，有利于器件尺寸的縮小 ? 會產生缺陷，甚至非晶化，必須經高溫退火加以改進 ? 設備相對復雜、相對昂貴（尤其是超低能量離子注入機） ? 有不安全因素，如高壓、有毒氣體 離子注入 中等電流離子注入機示意圖特點 離子注入 90 磁分析器 離子源 加速管 聚焦 掃描系統(tǒng) 靶 r ?? dtqIAQ 1BF3： B++， B+， BF2+， F+, BF+， BF+