第四章离子注入介绍.ppt

离子注入的沟道效应 非晶靶：原子排列杂乱无章，入射粒子的碰撞过程是随机的， 受到的阻滞为各向同性，入射离子从不同方向射入靶中将得到相同 的射程。 单晶靶：原子的排列是有规则和周期性的，靶原子对入射离子 的阻滞作用取决于晶体的取向，是各向异性的，入射离子从不同方 向射入靶中将得到不同的射程。 沟道效应：当对晶体靶进行离子注入 时，如果离子注入的方向与晶体的某个晶 向平行，注入深度就有可能比较深，大于 在非晶靶中的深度，产生沟道效应。 沿110晶向金刚石结构模型 出现沟道效应，则很难控制注入离子的浓度分布，会使分布产生一个很长的拖尾。 离子束从111轴偏斜7°入射 沟道效应与离子注入方向的关系 入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟道效应，只有当入射离子的入射角小于某一角度时才会发生，这个角称为临界角 110 111 100 倾斜旋转硅片后的无序方向 沟道效应与单晶靶取向的关系 硅的110 方向沟道开口约1.8 ?， 100 方向沟道开口 约11.22 ?， 111方向沟道开口介于两者之间。因此，沟道效应 依110 、 111、 100 顺序减弱。 实践表明，沟道效应与多种因素有关，包括： 单晶靶的取向 离子的注入方向 离子的注入能量 注入时的靶温 注入剂量 a. 在晶体上覆盖一层非晶体的表面层：常用非晶覆盖材料是一 层薄氧化层。使离子束方向随机化，离子以不同角度进入晶片； b. 将晶片晶向偏转：大部分注入系统将硅片倾斜7°，并从平边 扭转22°； c. 在晶片表面制作一个损伤层：在晶片表面注入大量硅或锗可 以损伤晶片表面，在晶片表面产生一个随机层。 将沟道效应降低到最小： 浅结的形成 随着集成度提高，微电子器件的特征尺寸越来越小，浅结工艺 成为目前人们最关心的工艺之一。 以用硼形成浅的p+结为例，浅结形成有三个方面的困难： a. 硼质量较轻，注入的投影射程深 解决方法：采用BF2作为注入物质，进入靶内的分子在碰撞过程 中分解，释出原子硼。但因F－存在造成问题，目前使用渐少。 b. 沟道效应 降低离子能量是形成浅结的重要方法。但在低能情况下，沟道 效应很明显，可能使结深增加一倍，且离子束稳定性降低。 解决方法：预先非晶化。如在注硼之前，先以重离子（如Si+、 Ge+）高剂量注入，在硅上形成非晶表面层。这种方法可使沟道效应 减到最小（如采用Si+，结深下降40%）。 c. 退火时的异常扩散 实验发现退火后的实际杂质分布比通常预测的要深，原因是离子 注入时形成的高浓度缺陷增强了杂质的扩散，这种现象称为瞬时增强 扩散 / 瞬间退火效应。 解决方法：可以在退火前先在 500℃~ 650℃ 之间进行一次补充 处理来消除这些缺陷。 4.3 注入损伤 一、注入损伤 离子注入的最大优点是可以精确控制掺杂杂质的数量及深度。但 是，在离子注入的过程中，衬底的晶格结构受到损伤是不可避免的。 带有一定能量的离子进入靶内，经一系列与原子核和电子的碰撞 损失能量最后驻留下来。其中，只有 与原子核的碰撞才能转移足够能量使 靶原子离开晶格而造成注入损伤／晶 格无序（lattice disordor）。 因碰撞而离开晶格位置的原子称 为移位原子／反冲原子。使一个处于 晶格位置的原子发生移位，所需最小 能量称为移位阈能（Ed）。 实际上，注入离子与靶原子／电子之间弹性和非弹性碰撞同时 存在，碰撞的结果有三种： a. 碰撞过程传递的能量小于Ed — 不可能产生移位原子。被撞 原子在平衡位置振动，表现为宏观的热能； b. 碰撞过程中靶原子获得的能量大于Ed而小于2Ed — 被撞原子 离开晶格成为移位原子并留下一个空位。但该移位原子所具有的能 量不可能使继续与它碰撞的原子移位； c. 被撞原子本身移位之后还具有很高的能量 — 在其后的运动 过程中还可使与它碰撞的其它原子移位。 与入射离子碰撞而移位的原子称为第一级反冲原子，与第一级 反冲原子碰撞而移位的原子称为第二级反冲原子，以下依次类推。 这种不断碰撞的现象称为级联碰撞。 注入离子在晶体中产生的损伤主要有以下几种： a. 在原本为完美晶体的靶中产生孤立的点缺陷或缺陷群（即注 入离子每次传递给靶原子的能量约等于移位阈能）； b. 在晶体中形成局部的非晶区域。单位体积内移位原子数接近 晶体原子密度时，此区域即成非晶区域。一般与轻离子或低剂量的 重离子注入有关； c. 由于注入离子引起损伤的积累而形成非晶层，即随着注