半导体工艺原理—离子注入掺杂工艺(6.11)(贵州大学)要点.ppt

* 离子注入的沟道效应 沟道效应（Channeling effect） 当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远。 * 110 111 100 倾斜旋转硅片后的无序方向 * 沟道效应 衬底为单晶材料，离子束准确的沿着晶格方向注入，其纵向分布峰值与高斯分布不同。一部分离子穿过较大距离。这就是沟道（渗透）效应。 1.8? * 注入离子剂量 理论上可以由离子电流大小来量度: （ ion/cm2） 其中：I为电流；t为时间；A为注入面积。 实际上高能离子入射到衬底时，一小部分与表面晶核原子弹性散射，而从衬底表面反射回来，未进入衬底，这叫背散射现象. * 浓度分布 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离LSS理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的“尾巴” 产生非晶化的剂量 沿100的沟道效应 * 表面非晶层对于沟道效应的作用 Boron implant into SiO2 Boron implant into Si * 减少沟道效应的措施 对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离7－10o 用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层（Pre-amorphization） 增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少） 表面用SiO2层掩膜 * 典型离子注入参数 离子：P，As，Sb，B，In，O 剂量：1011~1018 cm-2 能量：1– 400 keV 可重复性和均匀性: ±1% 温度：室温 流量：1012-1014 cm-2s-1 * 晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞，可能使靶原子发生位移，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的空位－间隙原子对及其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。 3 注入损伤 (Si)Si?SiI + SiV * 高能离子在靶内与晶格多次碰撞，从而导致靶的晶格损伤。 碰撞有弹性碰撞和非弹性碰撞。 注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程，称为能量淀积过程。 * 损伤的产生 移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。 移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量. (对于硅原子, Ed?15eV) 碰撞中，当转移能量EEd移位阈能时，靶原子位移；若移位原子能量2Ed时，移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，这种现象称级联碰撞。 * 移位原子的估算 入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量 Ed E 2Ed时，只能使一个原子移位。只有当能量 2Ed时，才能增加移位原子的数目。 估算一个以起始能量E0入射的离子，在碰撞过程中可以使靶内原子移位的数目N(E)为 * 损伤特点 损伤有三种：简单损伤；非晶区；非晶层。 损伤主要与注入离子质量、能量、剂量、剂量率有关；与靶温有关。 损伤峰值非常接近投影射程的75% 损伤造成半导体电学特性衰退：载流子迁移率下降；少子寿命变短；pn结反向漏电。 * 注入损伤 形成非晶层的临界剂量与温度的关系 靶温 一个B，E0≈80KeV，Rp ≈ 250nm，480个Si移位，损伤原子约0.4％ 一个As，E0≈80KeV，Rp ≈ 250nm，4000个Si移位，损伤原子约8％ * 损伤区的分布 重离子每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，获得大能量的位移原子还可使许多原子移位。注入离子的能量损失以核碰撞为主。同时，射程较短，在小体积内有较大损伤。重离子注入所造成的损伤区域小，损伤密度大。 质量较靶原子轻的离子传给靶原子能量较小，被散射角度较大，只能产生数量较少的位移靶原子，因此，注入离子运动方向的变化大，产生的损伤密度小，不重叠，但区域较大。呈锯齿状。 * 非晶化（Amorphization） 注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完全破坏变为无序的非晶区。 与注入剂量的关系 注入剂量越大，晶格损伤越严重。 临界剂量：使晶格完全无序的剂量。 临界剂量和注入离子的质量有关 * 在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩散进入替位，有电活性；并使晶体损伤区域“外延生长”为晶体，恢复或部分恢复硅的迁移率，少子寿命。 退火效果(q/NA,μ,τ)，与温度，时间有关。一般温度越高、时间越长退火效果越好。 退火后出现靶的杂质再分布。 4 热退火 * 退火条件、方法 退火条件：依据损伤情况定，目的是激活杂质，恢复电学特性 注入杂质的质量，剂量、剂量率，能量 靶温 退火方法 高温退火 快速退火：激光、宽带非相关光、电子束退火 * 损伤退火 （Damage Anneali