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第五章 离子注入（Ion Implantation）§5.1概述 为什么要采用离子注入（扩散存在的问题）： 横向扩散： 晶体损伤： 低掺杂和超浅结： 表面效应 ： 对表面污染的控制能力： §5.2特点和参数 一、???? 离子注入特点 离子纯度高、能量单一 注入剂量范围较宽、精度高 SiO2、SiN、Al、光刻胶等都可以作为选择性掺杂的掩蔽膜 可得到各种形状的分布 是非平衡过程 避免高温扩散引起的热缺陷 可实现化合物半导体的掺杂 二、???? 离子注入缺点 晶格有损伤 很浅或很深的注入分布都难以得到，甚至是不可得到的 离子注入产率受到限制 设备昂贵 §5.3 离子注入系统 1、离子源：用于离化杂质的容器，有阴阳两个电极，阴极接地，阳极接高压（约1000V）。常用的杂质源为 PH3 、B2H3 、BF2 、AsH3 等。 2、质量分析器：由于不同离子具有不同的电荷质量比，则在分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。 3、加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。 4、中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度使中性原子分离出去。 5、聚焦系统：用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。 6、偏转扫描系统：用来实现离子束在 X 、Y 方向的一定面积内进行扫描。 7、工作室：放置样品的地方，其位置可调。 离子源（Nielsen 系统）： 离子加速器： §5.4注入离子在靶中的分布(LSS理论) J.Lindhard, M.Scharff, H.E.Schiott (LSS) 1、核阻止 2、电子阻止 注入离子的浓度分布：注入靶内的离子，在靶内受到的碰撞是一个随机的过程，在注入大量的离子的时候，它们在靶内将按一定的统计规律分布。 在核阻止占优势的能量(低能)范围内，R与Rp的关系可用经验公式来表示： 在实验中，入射离子的剂量(即垂直入射在靶表面单位面积上的离子数) 是人为控制的，它是一个己知量。设Q0为沿x方向的剂量，则 由图可见，浓度分布具有以下几个特点： 在平均投影射程x＝Rp处有一最高浓度 注意： 注入轻离子时，如B+注入硅中，由于大角度散射、反向散射，则在靶表面一侧堆积； 注入重离子时，如P+注入硅中，相反，则在平均投影射程Rp远的一侧堆积。 这种堆积叫“拖尾现象”，对轻离子有好处，便于引出电极；对重离子是缺点，使实际结深增大。 2、注入离子的横向分布离子进入靶时的侧向扩展用侧向散布来表征。它对于决定离子在掩膜边缘处的穿透以及用离子注入制成的结的曲率都是很重要的。当离中注入是通过一特别狭窄的掩膜窗口进行时，侧向效应也是很重要的。 通过一个窄窗口注入的离子，在y轴正方向的空间分布情况可由下式求出： 3. 沟道效应单晶硅原子的排列是长程有序的，当注入离子未与硅原子碰撞减速，而是穿透了晶格间隙时，就发生了沟道效应。由于沟道效应，使得离子注入的深度比“高斯分布”还深。特别是低能离子的浅注入更加严重。 §5.5 晶格损伤 1.???? 级联碰撞 移位原子：因受到碰撞而离开晶格位置的原子，也称为反冲原子。 能量淀积过程：注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及电子过程。能量淀积通过两种形式进行，即弹性和非弹性碰撞。 移位阈能：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量称为移位阈能，用Ed表示。 级联碰撞： 在碰撞过程中可以使靶内原子移位的数目N（E）为 损伤区的分布 (1)损伤区同靶原子质量和入射离子质量的关系 当入射离子是轻离子时 当入射离子是重离子 （2） 与注入剂量的关系 （3）与靶温的关系 （4）与入射离子能量的关系 （5）与剂量率的关系 （6）与晶体取向有关 §5.6 热退火(Thermal anneal, thermal process) 一、热处理的原因： 原因：2点 那么什么是热退火？如果，将注入离子的晶片在一定T温度下，经过适当时间的热处理则晶片中损伤可部分或全部得到消除，少数载流子寿命以及迁移率也会不同程度的得到恢复，掺入的杂质也得到一定比例的电激活，这样的处理过程就叫热退火。 常见材料的热退火特性 硅的退火特性 注入硼的退火特性 注入磷的退火特性 热退火过程中的扩散效应 注入离子在靶内分布可以近似认为是高斯分布，然而在消除损伤、恢复电学和激活载流子进行的热退火过程中，会使高斯分布有明显的展宽，偏离注入时的分布，尤其是在尾部偏离更为严重，出现了较长的按指数衰减的尾巴 高温炉退火 高温炉退火是一种传统的退火方式，用高温炉把硅片加热