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第五章 离子注入低温掺杂离子注入(Ion Implantation)5.1 什么是离子注入什么是离子注入离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质 离子注入的基本过程将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）以改变这种材料表层的物理或化学性质离子注入技术优点离子注入技术主要有以下几方面的优点： （1）注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响即掺杂纯度高。 （2）注入剂量在1011一1017离子／cm2的较宽范围内，同一平面内的杂质均匀度可保证在±1％的精度。大面积均匀掺杂（3）离子注入温度低，衬底一般是保持在室温或低于400℃。因此，像二氧化硅、氮化硅、光刻胶,铝等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。对器件制造中的自对准掩蔽技术给予更大的灵活性，这是热扩散方法根本做不到的。离子注入技术优点（4）离子注入深度是随离子能量的增加而增加。可精确控制掺杂浓度和深度 （5）根据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或P型杂质进行掺杂。能容易地掺入多种杂质（6）离子注入时的衬底温度较低（小于600℃ ），这样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷。同时横向效应比热扩散小得多。（7）表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度。 离子注入技术缺点会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机）有不安全因素，如高压、有毒气体基个概念： （1）靶：被掺杂的材料。 （2）一束离子轰击靶时，其中一部分离子在靶面就被反射，不能进入靶内，称这部分离子为散射离子，进入靶内的离子成为注入离子。 离子注入掺杂分为 两个步骤： ---离子注入 ---退火再分布。离子注入 在离子注入中，电离的杂质离子经静电场加速打到晶圆表面。在掺杂窗口处，杂质离子被注入裸露的半导体本体，在其它部位杂质离子则被半导体上面的保护层屏蔽。 通过测量离子电流可严格控制剂量。 通过控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度。退火处理 通常，离子注入的深度较浅且浓度较大，必须使它们重新分布。同时由于高能粒子的撞击，导致硅结构的晶格发生损伤。 为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行退火处理。在退火的同时，掺入的杂质同时向半导体体内进行再分布。 5.2离子注入原理 ?在离子注入的设备中，用“等离子体发生器” 来制造工艺所要注入的离子。 ?因为离子带电荷，可以用加速场进行加速，并且借助于磁场来改变离子的运动方向。当具有高能量的离子注入到固体靶面以后，这些高能粒子将与固体靶面的原子与电子进行多次碰撞，这些碰撞将逐步削弱粒子的能量，最后由于能量消失而停止运动，形成一定的杂质分布。离子在硅体内的注入深度和分布状态与射入时所加的电场强度、离子剂量、衬底晶向等有关通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下，注入的深度将随电场的强度增加而增加。用离子注入法形成的分布，其浓度最大值不在硅片表面，而是在深入硅体一定距离。这段距离大小与注入粒子能量、离子类型等有关。 离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系。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。沿 110 轴的硅晶格视图Used with permission from Edgard Torres DesignsFigure 17.28 110111倾斜旋转硅片后的无序方向100 沟道效应的存在，将使得对注入离子在深度上难以控制，尤其对大规模集成电路制造更带来麻烦。如MOS器件的结深通常只有0.4um左右，有了这种沟道效应万一注入距离超过了预期的深度，就使元器件失效。因此，在离子注入时，要考虑到这种沟道效应，也就是说要抑止这种现象的产生。How can we form ultrashallow junction in today’s CMOS devices?减少沟道效应的措施目前常用的解决方法有三种 （1）是将硅片相对注入的离子运动方向倾斜一个角度，7度左右最佳； （2）是对硅片表面铺上一层非结晶系的材料，使入射的注入离子在进入硅片衬底之前，在非结晶层里与无固定排列方式的非结晶系原子产生碰撞而散射，这样可以减弱沟道效应；（表面用SiO2层掩膜） （3）是用Si, Ge, F, Ar等离子对硅片表面先进行一次离子注入，使表面预非晶化，形成非晶层 (Pre-amorphization) 然后进入离子注入。 这三种方法都是利用增加注入离子与其他原子碰撞来降低沟道效应。工业上常用前两种方法。Photograph courtesy of