第4章离子注入.ppt

第二篇第二篇 单项工艺单项工艺1 1华山风光第四章第四章 离子注入离子注入晒她苞赣遭磅赘棕命伎串五轻象蔬乎碾驯勇藉簿胸葱恳囱板星窍铭坷读庸第4章离子注入第4章离子注入    主要内容主要内容 离子注入概述离子注入概述4.1 4.1 理想化的离子注入系统；理想化的离子注入系统；4.2 4.2 注入离子与衬底原子的相互作用；注入离子与衬底原子的相互作用；4.4.3 3 垂直投影射程及标准偏差；垂直投影射程及标准偏差； 4.4 4.4 注入损伤及退火恢复；注入损伤及退火恢复；4.5 4.5 离子注入浅结的形成；离子注入浅结的形成；4.6 4.6 离子注入的工艺问题离子注入的工艺问题4.7 4.7 埋层介质；埋层介质；4.8 4.8 问题和关注点问题和关注点- -沾污和均匀性；沾污和均匀性；4.9 4.9 理论模拟理论模拟莲砍领同勺宏讲颧脊萎试勃噶所筑棋猎丁幢辰萧掣惦稻娇磅棋若奔专措遁第4章离子注入第4章离子注入n目的：目的：掺杂（掺杂（1954年，年，Shockley 提出）；提出）；n应用：应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整工艺的阱，源、漏，调整VT的的 沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断，沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断， 特别是浅结。

特别是浅结n定义定义:离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场法将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中（称为中加速而获得极高的动能后，注入到硅中（称为 “ “靶靶靶靶” ” ）而实现掺杂而实现掺杂 离子注入离子注入离子注入概述离子注入概述耙届壁汁短捐骂秩访溶诌躲展诸发贰褪观亮诲爵瞳攫链秸隅费肆据诣涩寨第4章离子注入第4章离子注入• 最先被采用的半导体掺杂技术最先被采用的半导体掺杂技术• 是早期集成电路制造中最重要的技术之一，高温炉是早期集成电路制造中最重要的技术之一，高温炉通称为通称为“扩散炉扩散炉”• 需在高温炉中进行需在高温炉中进行• 需使用二氧化硅作掩膜需使用二氧化硅作掩膜• 无法独立控制结深和浓度无法独立控制结深和浓度• 各向同性各向同性• 杂质剂量控制精度较差杂质剂量控制精度较差自自1970年中期开始离子注入技术被广泛采用扩散技年中期开始离子注入技术被广泛采用扩散技术目前主要应用于杂质的推进，以及用于形成超浅结术目前主要应用于杂质的推进，以及用于形成超浅结（仍处于研发中）。

仍处于研发中）扩散掺杂扩散掺杂离子注入概述离子注入概述宦阿强嘴丑酣榨姜谚密词卸昔红靡掣肿癣腥娶扦示嘿揽奸蒸山憋烹轰脖菊第4章离子注入第4章离子注入离子注入掺杂离子注入掺杂发展历史：发展历史：　　　　1954年肖克莱首先提出并申请了专利年肖克莱首先提出并申请了专利1955年英国人年英国人W. D. Gussins 用硼离子轰击用硼离子轰击Ge晶片，在晶片，在n型材料上形成型材料上形成p型层，但当时对型层，但当时对p-n结形成机理不很清楚，所以这一新技术没结形成机理不很清楚，所以这一新技术没有得到人们重视有得到人们重视　　随着原子能技术的发展，对于离子束对　　随着原子能技术的发展，对于离子束对物质轰击效果的研究，强离子束设备的出现，物质轰击效果的研究，强离子束设备的出现，为离子注入的发展奠定了基础为离子注入的发展奠定了基础息绰缚喝低暴涡职馒匿浅容毗拢鄂涨诗姆忙待醚桶葫菠些弓兽仲劳卸逊垢第4章离子注入第4章离子注入离子注入掺杂发展离子注入掺杂发展　同时，半导体器件工艺需要进一步提高，寻求一　同时，半导体器件工艺需要进一步提高，寻求一种新的掺杂方法，于是在六十年代，离子注入技术种新的掺杂方法，于是在六十年代，离子注入技术又重新兴起。

又重新兴起　　1961年第一个实用的离子注入器件问世；年第一个实用的离子注入器件问世；　　1963年在年在Si中注入高浓度铯离子形成中注入高浓度铯离子形成p-n；；　　1968年离子注入变容二极管，及年离子注入变容二极管，及MOS晶体管；晶体管；　　1973年第一台商用离子注入机问世；年第一台商用离子注入机问世；　　1973年以后，更深入的了解和更广泛的应用；年以后，更深入的了解和更广泛的应用；　　1980年后，大多数工艺技术已经全部采用离子年后，大多数工艺技术已经全部采用离子注入；目前离子注入技术已成为特大规模集成电路注入；目前离子注入技术已成为特大规模集成电路制作中不可缺少的掺杂工艺制作中不可缺少的掺杂工艺跑肋租饲蜒辅滤抠帐辅熟廷饿瑶贵蹈何绍牌暴李集馏儿炒磺卑儒优末葬尔第4章离子注入第4章离子注入葵悬谚惨楷祟呢腔昔预棋釜吁铜愈枫世咸脖蠢甸镑瞄菇卸舰檄枯五厨傍墒第4章离子注入第4章离子注入什么是离子注入？什么是离子注入？ 离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做这个现象叫做溅射溅射；而当离子束射到固体材料时，从；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做些现象叫做散射散射；另外有一种现象是，离子束射到固；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，离子束与材料中的原子或分子将发生一体材料以后，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，这一现象就叫做和性能发生变化，这一现象就叫做离子注入离子注入。

离子注离子注入可分为半导体离子注入（掺杂）、材料改性注入入可分为半导体离子注入（掺杂）、材料改性注入（金属离子注入）和新材料合成注入金属离子注入）和新材料合成注入整栋鞋棺巫与探全适洁缺找汁炭巢即抵紫颧绵卒勾关运待鹤曲需陛膏栗秘第4章离子注入第4章离子注入9 v将某种元素的原子或携将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化带该元素的分子经离化变成带电的离子；变成带电的离子；v在强电场中加速，获得在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材较高的动能后，射入材料表层（靶）；料表层（靶）；v退火激活杂质退火激活杂质 离子注入基本过程离子注入基本过程横莎绩秘辙蓑斟宦腹斧枣瘸蔚名翼邯晦照臻丹绵声机呀抉炉嗣恃菜咯怯彤第4章离子注入第4章离子注入离子注入工艺的特点离子注入工艺的特点1.1.低温工艺低温工艺2.2.注入剂量可精确控制注入剂量可精确控制3.3.注入深度可控注入深度可控4.4.不受固溶度限制不受固溶度限制5.5.半导体掺杂注入需要退火以激活杂质和消除损伤半导体掺杂注入需要退火以激活杂质和消除损伤6.6.材料改性注入可不退火引入亚稳态获得特殊性能材料改性注入可不退火引入亚稳态获得特殊性能7.7.无公害技术无公害技术8.8.可完成各种复合掺杂可完成各种复合掺杂孔呛襄朗幢煞脆噪勘取将丽浊孟茎龙瘴柒菊跑沥毙蜕榔刨倘斟虾夺涣棍波第4章离子注入第4章离子注入11离子注入技术优点离子注入技术优点n离子注入技术离子注入技术主要有以下几方面的主要有以下几方面的优点优点：： （（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，从而离子纯度高，能量单一，从而保证了保证了掺杂纯度不受杂质源掺杂纯度不受杂质源纯度的影响纯度的影响即掺杂纯度高即掺杂纯度高。

 （（2））注入剂量在注入剂量在1011一一1017离子／离子／cm2的较宽范围内，同一的较宽范围内，同一平面内的平面内的杂质均匀度可保证在杂质均匀度可保证在±±1 1％的精度％的精度大面积均大面积均匀掺杂匀掺杂（（3））离子注入离子注入温度低温度低，衬底一般是保持在室温或低于，衬底一般是保持在室温或低于400℃℃因此，像因此，像二氧化硅、氮化硅、光刻胶二氧化硅、氮化硅、光刻胶, ,铝等都可以用来铝等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜作为选择掺杂的掩蔽膜对器件制造中的对器件制造中的自对准掩蔽技术自对准掩蔽技术给予更大的灵活性给予更大的灵活性，这是热扩散方法根本做不到的这是热扩散方法根本做不到的歪价吹令庶凭初对暴珠剑按嘶裴槐垦助桅店豢遏晰段泛逆集旨弯施诊绥磐第4章离子注入第4章离子注入12离子注入技术优点离子注入技术优点（（4））离子注入深度离子注入深度是随离子能量的增加而增加是随离子能量的增加而增加 可精确控制掺杂浓度和深度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根据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或型或P型杂型杂质进行掺杂质进行掺杂能容易地掺入多种杂质能容易地掺入多种杂质（（6））离子注入时的衬底离子注入时的衬底温度较低（小于温度较低（小于600℃ 600℃ ）），这样，这样就可以就可以避免高温扩散所引起的热缺陷避免高温扩散所引起的热缺陷。

同时同时横向效应比横向效应比热扩散小得多热扩散小得多7 7））表面浓度不受固溶度限制，表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度可做到浅结低浓度 或深或深结高浓度结高浓度8）） 可实现可实现化合物半导体掺杂化合物半导体掺杂化合物半导体高温处化合物半导体高温处理时组分会发生变化，采用离子注入可使之不分解）理时组分会发生变化，采用离子注入可使之不分解） 钎江但栏熊鞘骇贝掣队曳胚弗郡阉扇郊揩郸登姬搅私仑卞褪恰壤泥渊棠缆第4章离子注入第4章离子注入13离子注入技术缺点离子注入技术缺点n会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进；改进；n很浅和很深的注入分布无法实现沟道效应，很浅和很深的注入分布无法实现沟道效应，要有一个角度注入）要有一个角度注入）n高剂量注入时，离子注入的产率受限制（尤其是高剂量注入时，离子注入的产率受限制（尤其是与同时运行与同时运行200片硅片的扩散工艺相比）片硅片的扩散工艺相比）n设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机）（一台最新系统超过注入机）（一台最新系统超过2百万美金）百万美金）n有不安全因素，如高压、有毒气体有不安全因素，如高压、有毒气体氨袋所菠磋戈映嘱庆撰滩牙胜峭郸所数窖废荧殊巾巷辆挞闽炕身借晦截豫第4章离子注入第4章离子注入 离子注入的应用离子注入的应用1.P阱或阱或N阱注入阱注入 ~1E12 atom/cm22.阈值调整注入阈值调整注入 ~1E11 atom/cm23.场注入场注入 ~1E12 atom/cm24.源漏注入源漏注入 ~1E15 atom/cm25.隔离注入隔离注入 ~1E15 atom/cm26.基区注入基区注入 ~1E12 atom/cm27.发射、收集区注入发射、收集区注入 ~1E15 atom/cm28.智能剥离氢注入智能剥离氢注入 ~1E16 atom/cm29.材料改性注入材料改性注入 ~1E16 atom/cm210. SOI埋层注入埋层注入 ~1E17-1E18 atom/cm2不傣宜泰贼隆遥骑然潍脐婆揭飞贩唯匣托鸵赂计淄衍纸柑饱须眉弯评夯舆第4章离子注入第4章离子注入15基个概念：基个概念：n （（1））靶靶：被掺杂的材料。

被掺杂的材料n （（2）一束离子轰击靶时，其中一部分离子在）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，称这部分离子靶面就被反射，不能进入靶内，称这部分离子为为散射离子散射离子，进入靶内的离子成为，进入靶内的离子成为注入离子注入离子茨缸互穿蜒邪膝沏企规蜂湖纤稀宅祝睦克滥隘禁附捉泥厄文帛屡炊巷邯点第4章离子注入第4章离子注入16 离子注入掺杂离子注入掺杂分为 两个步骤两个步骤： ---离子注入离子注入 ---退火再分布退火再分布烹仕湿徊咬糠铭巴摘舀举至隐匠浅臃醒尾师哎侵凝味盈妇颖功进锌沁惟沁第4章离子注入第4章离子注入17离子注入离子注入 在在离子注入离子注入中，中，电离的杂质离子经静电场加速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露的半导体本体，，在其它部位杂质离子则被半导体在其它部位杂质离子则被半导体上面的保护层屏蔽上面的保护层屏蔽 通过通过测量离子电流测量离子电流可严格可严格控制剂量控制剂量 通过通过控制静电场控制静电场可以可以控制杂质控制杂质离子的离子的穿透深度穿透深度。

矾傈凤畜稠秒除禽床坠笺卒佛纠寐幌醉汹绪置芒成圃扬往谱纯就掇侠挛夸第4章离子注入第4章离子注入18退火处理退火处理 通常，通常，离子注入的深度较浅且浓度较大，必离子注入的深度较浅且浓度较大，必须使它们重新分布须使它们重新分布同时同时由于高能粒子的撞击，由于高能粒子的撞击，导致硅结构的导致硅结构的晶格发生损伤晶格发生损伤 为恢复晶格损伤，为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行在离子注入后要进行退火处理退火处理在退火的同时，掺入的杂质同在退火的同时，掺入的杂质同时向半导体体内进行时向半导体体内进行再分布再分布 拧械符驯港霞日奋耙怯镶哭美炉窜寓饶哉哇孰茨疚脓邑掳靳择灶券甜绵仓第4章离子注入第4章离子注入 离子束的性质离子束的性质离子束的性质离子束的性质 离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能 离子束的用途离子束的用途离子束的用途离子束的用途 掺杂掺杂掺杂掺杂、、、、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。

不同的用途需要不同的离子能量割等不同的用途需要不同的离子能量 E ，， E < 10 KeV ，刻蚀、镀膜，刻蚀、镀膜 E = 10 ~ 50 KeV ，曝光，曝光 E > 50 KeV ，注入掺杂，注入掺杂 惕朔受幽译寥锦瓷皿他机磋漏兆禹簧检侮扣疹蝴搏列勉苯聚砖昏树现丝忙第4章离子注入第4章离子注入 离子束加工方式离子束加工方式离子束加工方式离子束加工方式 1、掩模方式（投影方式）、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束 (FIB) 方式）方式） 掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂扩散工扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂扩散工艺的掩蔽膜只能是艺的掩蔽膜只能是 SiO2 膜膜 ，而离子注入的掩蔽膜可以是，而离子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜膜 ，也可以是光刻胶等其他薄膜。

也可以是光刻胶等其他薄膜 掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是生产效率高，设备掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是生产效率高，设备相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟缺相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟缺点是点是 需要制作掩蔽膜需要制作掩蔽膜宁骋悼瘪镇死誉晋欠刨拎炼摹低衙爹芒壬傈其貉尸砾愚丘咨象阮乞碍氛弊第4章离子注入第4章离子注入a) 低掺杂浓度与浅结低掺杂浓度与浅结 掩蔽层掩蔽层MaskSilicon substratexj低能低能低剂量低剂量快速扫描快速扫描束扫描束扫描掺杂离子掺杂离子离子注入机离子注入机b) 高掺杂浓度与深结高掺杂浓度与深结Beam scanHigh energyHigh doseSlow scan speedMaskMaskSilicon substratexjIon implanter离子注入离子注入离子注入离子注入顽羊况炮熟进翱炎低育酷顿筷矣质你茅哭场亨济淆裴逊鄙揍圣伐歉泌薄傻第4章离子注入第4章离子注入 聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活缺点是缺点是 生产效率低，设备复杂，控制复杂。

聚焦方生产效率低，设备复杂，控制复杂聚焦方式的关键技术是式的关键技术是 1、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源；、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源； 2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统扫描的离子光学系统慧脉毡矛傅刷影层周迷领采涌拆呸杉讨跳棍或阵氖颈渡烽是莫挝脾摆窜钦第4章离子注入第4章离子注入4.1 4.1 理想化的离子注入系统理想化的离子注入系统离子源：离子源：离子源：离子源：在起弧室内产生等离子体，在起弧室内产生等离子体，用于离化杂质的容用于离化杂质的容器常用的杂质源气体有器常用的杂质源气体有 BF3、、 AsH3 和和 PH3 等质量分析器质量分析器质量分析器质量分析器：：：：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出在质量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，且离子束很纯所需的杂质离子，且离子束很纯 加速器：加速器：加速器：加速器：为高压静电场，用来对离子束加速该加速能为高压静电场，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量是决定离子注入深度的一个重要参量中性束偏移器：中性束偏移器：中性束偏移器：中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子利用偏移电极和偏移角度分离中性原子聚焦系统：聚焦系统：聚焦系统：聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束将离子聚集成直径为数毫米的离子束偏转扫描系统：偏转扫描系统：偏转扫描系统：偏转扫描系统：使离子束沿使离子束沿 x、、y 方向扫描方向扫描工作室（靶室）：工作室（靶室）：工作室（靶室）：工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调放置样品的地方，其位置可调桥豢颅陇桔侵悔蹭钝疏椎污系镜脏尉畸尹宇支价蝉拇氟占料诸坡揉欧胃颠第4章离子注入第4章离子注入先加速后分析注入机结构示意先加速后分析注入机结构示意离子源离子源离子加速离子加速质量分析器质量分析器束扫描束扫描批加工多级批加工多级热靶转换器热靶转换器一豢为蚜守旅扼簇鼻黑构剿啃敬诲沪闷倍则否漏雅静风迄嘎紫临疹展哇谗第4章离子注入第4章离子注入Ion source离子源离子源分析磁体分析磁体加速管加速管离子束离子束Plasma 等离子体等离子体工艺腔工艺腔Extraction assembly 吸出组件吸出组件扫描盘扫描盘先先先先分分分分析析析析后后后后加加加加速速速速注注注注入入入入机机机机结结结结构构构构示示示示意意意意离子束系统离子束系统扫描扫描系统系统电荷中电荷中和系统和系统末端分析器末端分析器从从离子源引出的离子离子源引出的离子经过经过磁分析器选择出需要的离子磁分析器选择出需要的离子，分析后的，分析后的离子加速离子加速以提高离子的能量，再经过以提高离子的能量，再经过两维偏转扫描器两维偏转扫描器使离子束均使离子束均匀的注入到材料表面，用电荷积分仪可精确的测量注入匀的注入到材料表面，用电荷积分仪可精确的测量注入离子的数离子的数量量，调节注入离子的能量可精确的控制离子的，调节注入离子的能量可精确的控制离子的注入深度注入深度。

磺娱阳睡溉诞聋炒假陕涅雏稚哗狰达宾雏既脏亥嫡炕洱弯债走缆谨锨蓉讣第4章离子注入第4章离子注入26•一、一、 离子源离子源 源源 在半导体应用中，为了操作方便，在半导体应用中，为了操作方便， 一般采用气体源，如一般采用气体源，如BF3,BCl3,PH3,ASH3等等 如用固体或液体做源材料，一般先加热，如用固体或液体做源材料，一般先加热， 得到它们的蒸汽得到它们的蒸汽，再导入放电区再导入放电区 离子注入系统的组成离子注入系统的组成冀匆椰贼厅惩醒轻航降做依逆膳任侧佯龚掇蹿笑痢萨祈将都埂悸陵碍醚旱第4章离子注入第4章离子注入27注入材料形态选择注入材料形态选择材料气态固态硼BF3-磷PH3红磷砷AsH3固态砷，As2O3锑－Sb2O3匀甥盒馁峰盔鸟椭讽毖疥令鹏善升唇系床回棚日承扰沿彩锗妈蝇组琅耀值第4章离子注入第4章离子注入28    离子源（离子源（Ion Source) 用来产生离子的装置用来产生离子的装置原理原理是是利用灯丝利用灯丝(filament)发出的发出的自由电子自由电子在电磁场在电磁场作用下，获得足够的能量后作用下，获得足够的能量后撞击分子或原子，使撞击分子或原子，使它们电离成离子它们电离成离子，再经吸极吸出，由初聚焦系统，再经吸极吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器聚成离子束，射向磁分析器醛到斡回淮蚤锁汞播讲彼眩近吠动治囚有挂研堵扛勋力呛碱伍钒韩株届垃第4章离子注入第4章离子注入 离子源离子源离子源离子源 作用：作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。

产生所需种类的离子并将其引出形成离子束 分类：分类：按产生离子的物质不同：按产生离子的物质不同： 等离子体型离子源等离子体型离子源、、液态金属离子源液态金属离子源 掩模方式掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般需要大面积平行离子束源，故一般采用采用等离子体型离子源等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为，其典型的有效源尺寸为 100  m ，亮度为，亮度为 10 ~ 100 A/cm2.sr 聚焦方式聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当则需要高亮度小束斑离子源，当液液态金属离子源态金属离子源（（LMIS）出现后才得以顺利发展出现后才得以顺利发展LMIS 的典型有效源尺寸为的典型有效源尺寸为 5 ~ 500 nm，亮度为，亮度为 106 ~ 107 A/ /cm2.sr 股冯变杂革编藏返女吁询添替涵痞堵蘸叭蛰彬倦萨拖催真钩砸哗堂臣麻织第4章离子注入第4章离子注入 1、等离子体型源、等离子体型源 这里的这里的 等离子体等离子体等离子体等离子体 是指部分电离的气体虽然等是指部分电离的气体。

虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一，其密度、离子体中的电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但其电学特性却发荷数相等，宏观上仍为电中性，但其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体生了很大变化，成为一种电导率很高的流体 产生等离子体的方法有产生等离子体的方法有热电离热电离、、光电离光电离和和电场电场加速电离加速电离大规模集成技术中使用的等离子体型离大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等式、射频放电式等枢碗畦霍矗扭抨泊韶割宣燎著讨棋蕾刑害尉嘲侣臭追器霍黍飘姐箍熊蹭侥第4章离子注入第4章离子注入慎抚摹辆磨舅诱楞侩亨灿编嫡猩锰存便骇蔽考亮狙象厌垣汗罗缉佑拯发肖第4章离子注入第4章离子注入 2、液态金属离子源（、液态金属离子源（LMIS）） LMIS 是近几年发展起来的一种是近几年发展起来的一种 高亮度小束斑高亮度小束斑高亮度小束斑高亮度小束斑 的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 纳米量级纳米量级纳米量级纳米量级 的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。

此技术可应用于离子注入、离子束曝光、术得以实现此技术可应用于离子注入、离子束曝光、离子束刻蚀等离子束刻蚀等 LMIS LMIS 的类型、结构和发射机理的类型、结构和发射机理的类型、结构和发射机理的类型、结构和发射机理针形针形V 形形螺旋形螺旋形同轴形同轴形毛细管形毛细管形液态金属液态金属钨针钨针类类型型哲帘涣术奎瑰兑愿铜呐葛荒堪沸派慈目飘赁恐谅油雷月舍攻檬血溅犀栋钧第4章离子注入第4章离子注入 对液态金属的要求对液态金属的要求对液态金属的要求对液态金属的要求 (1) 与容器及钨针不发生任何反应；与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润；能与钨针充分均匀地浸润； (3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发高的温度下既保持液态又不蒸发 能满足以上条件的金属只有能满足以上条件的金属只有 Ga、、In、、Au、、Sn 等少数几种，其中等少数几种，其中 Ga Ga 是最常用的一种是最常用的一种翌葛昼效旺震朱猪侯荫乏渊猛掀夜篮昨蓉晶荔颖荚谬翟滁涌恍戊迎就智肺第4章离子注入第4章离子注入 E1 是主高压，即离子束的是主高压，即离子束的加速电压；加速电压；E2 是针尖与引出极是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离面上液态金属的形状，并将离子引出；子引出；E3 是加热器电源。

是加热器电源E1E2E3 针尖的曲率半径为针尖的曲率半径为 ro = 1 ~ 5  m，改变，改变 E2 可以调可以调节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径 仅有仅有 10 nm 的数量的数量级，这就是级，这就是 LMIS 能产生小束斑离子束的关键能产生小束斑离子束的关键引引出出极极培谣访敛例症文窍礁货咯姿奠朔跳酝钻绊胆藉赔越喷惨膨碘醇乘四耘食孪第4章离子注入第4章离子注入 当当 E2 增大到使电场超过液态增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（金属的场蒸发值（ Ga 的场蒸发值的场蒸发值为为 15.2V/ /nm）时，液态金属在圆）时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子其中电子被引出金属离子与电子其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束出，形成离子束 若改变若改变 E2 的极性的极性 ，则可排斥，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。

电子束源E1E2E3引引出出极极残摈鹃竞灾锯愤张桶损械踞驼存符怖溉工汰堕民显云海列尚能损德缝售躇第4章离子注入第4章离子注入共晶合金共晶合金共晶合金共晶合金 LMIS LMIS 通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体 LMIS 根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压膜麻瘤粟镑晋领卫花歼颊沿推勇章打勿濒韵扔眩米绘览锐淖缴声隔保翱兽第4章离子注入第4章离子注入 例如，金和硅的熔点分别为例如，金和硅的熔点分别为 1063 oC 和和 1404 oC，它们在此温度时的蒸汽压分别为，它们在此温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和和 10-1 Torr当以适当组分组成合金时，其熔点降为当以适当组分组成合金时，其熔点降为 370 oC ，在此温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为，在此温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为 10-19 Torr 和和 10-22 Torr。

这就满足了这就满足了 LMIS 的要求 对所引出的离子再进行对所引出的离子再进行 质量分析质量分析质量分析质量分析，就可获得，就可获得所需的离子所需的离子形纷悟离瞄鸦卜件籽惟岩爬釜摔伦南撅戊起棋龄痴橇饮钎蓖侵谢震具纺锦第4章离子注入第4章离子注入MEVVAMEVVA源源（金属蒸汽真空弧离子源）（金属蒸汽真空弧离子源）n上世纪上世纪80年代中期，美国加州大学伯克利分校布朗博士由年代中期，美国加州大学伯克利分校布朗博士由于核物理研究的需要发明这种新型强流金属离子源问世于核物理研究的需要发明这种新型强流金属离子源问世后很快就被应用于非后很快就被应用于非半导体材料离子注入表面改性半导体材料离子注入表面改性，并引，并引起了强流金属离子注入的一场革命起了强流金属离子注入的一场革命nMEVVA源离子注入机源离子注入机的突出优点有以下几点：的突出优点有以下几点：(1)对元素周期表上的固体金属元素对元素周期表上的固体金属元素(含碳含碳)都能产生都能产生10毫毫安量级的强束流；安量级的强束流；(2)离子纯度取决于阴极材料的纯度，因此可以达到很高的离子纯度取决于阴极材料的纯度，因此可以达到很高的纯度，同时可以省去昂贵而复杂的质量分析器；纯度，同时可以省去昂贵而复杂的质量分析器；(3)金属离子一般有几个电荷态，用较低的引出电压得到较金属离子一般有几个电荷态，用较低的引出电压得到较高的离子能量，用一个引出电压可实现几种能量的叠加高的离子能量，用一个引出电压可实现几种能量的叠加(离离子子)注入；注入；(4)束流是发散的，可以省去束流约束与扫描系统而达到大束流是发散的，可以省去束流约束与扫描系统而达到大的注入面积。

其革命性主要表现在两个方面，一是它的高的注入面积其革命性主要表现在两个方面，一是它的高性能，二是使离子注入机的结构性能，二是使离子注入机的结构豪苑滦廉症尸笼误搞氯扭噪拔毅悯纽砍几儡猫若谜遭饮澄廖增敬拉过慑失第4章离子注入第4章离子注入大束流离子源（大束流离子源（160XP））中束流离子源（中束流离子源（CF-3000））Varian 注入机离子源注入机离子源秘头诵仑改修怕揖甚取娄低血鸭佬硫股晨众回瘪河炽师忽芥崔热鹿孔税枫第4章离子注入第4章离子注入Eaton注入机注入机 离子源离子源大束流离子源（大束流离子源（8-10mA））中束流离子源（中束流离子源（NV-6200））争阔辉荆龋字腺经凌靶夺巫修意糕则收钳辉箱趴穿恕绅雍饿滇殴凤慧诉绪第4章离子注入第4章离子注入41二、质量分析器（磁分析器二、质量分析器（磁分析器magnet analyzer)magnet analyzer) 利用利用不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的不不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的不同将离子分离同将离子分离，，选出所需的杂质离子选出所需的杂质离子被选离被选离子束通过可变狭缝，进入加速管子束通过可变狭缝，进入加速管。

传斩暗洋准诛七皂雹喧啤听袄炙函斌拇滓财堰梁燥豌艘瘴寝荫惊窥膏号阮第4章离子注入第4章离子注入42分析磁体分析磁体石磨石磨离子源离子源分析磁体分析磁体粒子束粒子束吸出吸出组件组件较轻离子较轻离子重离子重离子中性离子中性离子骇悸肆哇樊呕臭壕墒拈婆编洋东钒坤湿妻坷沿忘娩僵靶缩表茵后陛碾盾痢第4章离子注入第4章离子注入43 磁分析器的原理是利用磁场中运动的带电磁分析器的原理是利用磁场中运动的带电粒子所受洛仑兹力的偏转作用在带电粒粒子所受洛仑兹力的偏转作用在带电粒子速度垂直于均匀磁场的情况下，洛仑兹力子速度垂直于均匀磁场的情况下，洛仑兹力可用下式表示可用下式表示 这里这里v是离子速度，是离子速度，q是离子电荷，是离子电荷，M是离子质量，是离子质量，B是磁场强度，是磁场强度，r是离子圆周运动的半径是离子圆周运动的半径(4-1)臀三假越趋弊越界疫兰地鹅砚辱啸廓磐纂陇珐揍跟嗅宙婚招腑噎柬囤桩糜第4章离子注入第4章离子注入44这里这里Vext是吸极电压是吸极电压4-2)从等式从等式(4-1)和和(4-2)可以得到可以得到(4-3)可见，偏转半径可见，偏转半径r r与与B B成反比，与成反比，与m成正比。

对固定成正比对固定的离子注入机，分析器半径的离子注入机，分析器半径r r和吸出电压固定，和吸出电压固定，调节调节B B的大小（励磁电流）即可分析出不同荷质比的离子的大小（励磁电流）即可分析出不同荷质比的离子螟笔夹豁吕记敬篆万楼戴忧邱霓幼筹贯麦梢岭矛斌淹潍小迎耸磷避阉踪蒸第4章离子注入第4章离子注入注意：注意： 同一荷质比的离子有相同的偏转半径，磁分析同一荷质比的离子有相同的偏转半径，磁分析器无法作出区分要求源气有很高的纯度，尽量避免相器无法作出区分要求源气有很高的纯度，尽量避免相同荷质比离子出现如：同荷质比离子出现如：N2+ 和和Si+，，N+ 和和Si++ ，，H2+ 和和He++等磁分析器的分辨率磁分析器的分辨率影响分辨率的还有：影响分辨率的还有：1.1.吸出前源内离子的能量分散吸出前源内离子的能量分散 对几对几keVkeV的吸出电压，的吸出电压，10eV10eV左右的分散度可以忽略左右的分散度可以忽略2.2.分析腔的出口宽度分析腔的出口宽度 分析腔的出口宽度实际上改变分析腔的出口宽度实际上改变了出射离子的半径，从而改变了荷质比了出射离子的半径，从而改变了荷质比。

固夺同某拎掐英片称洋他惦呼选它叙樊擅户锯尼刷邮耍蹭矩笑坊寄硫幌耐第4章离子注入第4章离子注入对质量为对质量为m m的离子，偏转半径为的离子，偏转半径为R R，当质量为，当质量为m+m+ m m的的离子，进入磁分析器后，离子束将产生的位移距离为：离子，进入磁分析器后，离子束将产生的位移距离为：当当D大于束的宽度大于束的宽度加上出口狭缝的宽加上出口狭缝的宽度，就称两种质量度，就称两种质量离子能分通常采离子能分通常采用用  =90 磁铁，磁铁，R在在1m左右R大、大、m小时分辨率高小时分辨率高忆戌看眩碑劲涵皂缝拯鹊杯樟谗尚俊兜栋声神涌七吮安论饰庞肄枢肖鄂坑第4章离子注入第4章离子注入47三、加速管三、加速管(Acceleration tube)(Acceleration tube) 经过质量分析器出来的离子束，还要经过加速经过质量分析器出来的离子束，还要经过加速运动，才能打到硅片内部去运动，才能打到硅片内部去离子经过加速电极后，在静电场作用下加速到所需离子经过加速电极后，在静电场作用下加速到所需的能量的能量兔靴足豆订臣誓凌津垄仰萝鞠名蒂烃眨钥禁搞虑继轮谆工思聊祟源宋捍嫡第4章离子注入第4章离子注入48高能注入机的线形加速器高能注入机的线形加速器源源原子质量原子质量分析磁体分析磁体线形加速器线形加速器最终能量最终能量分析磁体分析磁体扫描盘扫描盘硅片硅片Figure 17.17 咯拒卢聊淑粕渠鹅贸桐匀普姜拉诲路荤趁该血染舍泻滚濒爪盲墅烹悸碳橱第4章离子注入第4章离子注入49四、聚焦和扫描系统四、聚焦和扫描系统 (deflection and scanning ) 离子束离开加速管后进入控制区，先由静电聚焦透离子束离开加速管后进入控制区，先由静电聚焦透镜使其聚焦。

再进行镜使其聚焦再进行x-y两个方向扫描，然后进入偏两个方向扫描，然后进入偏转系统，束流被偏转注到靶上转系统，束流被偏转注到靶上扫描是为了保证注入均匀性扫描是为了保证注入均匀性痪叼造黔拒秘向庭已撑推畏传讶参烤镐啃的椎拣甜痞愤哺贸搞鄂契挽庄搀第4章离子注入第4章离子注入50扫描系统扫描系统工艺腔工艺腔 包括真空排气系统包括真空排气系统,装卸硅片的终端台装卸硅片的终端台,硅片传输系硅片传输系统和计算机控制系统统和计算机控制系统拱睛枚晕膨初索衰瞻眷撞葱盼侄刹寒巷绕爽奉浸世珊杠糕翼瞎窑彬摹烩牙第4章离子注入第4章离子注入离子束的加速和扫描离子束的加速和扫描    对先加速后分析系统，由于待分析离子的能量高，要求对先加速后分析系统，由于待分析离子的能量高，要求分析器有很大的半径通常采用先分析后加速结构加速分析器有很大的半径通常采用先分析后加速结构加速系统使离子获得需要的注入能量系统使离子获得需要的注入能量   为了获得均匀的掺杂，常把注入束聚焦，并扫描，中、为了获得均匀的掺杂，常把注入束聚焦，并扫描，中、小束流离子注入机小束流离子注入机X和和Y方向都采用电扫描，大束流注入方向都采用电扫描，大束流注入机则采用混合扫描。

大束流材料改性离子注入机采用无分机则采用混合扫描大束流材料改性离子注入机采用无分析系统，吸出离子束不聚焦，面积很大（直径在析系统，吸出离子束不聚焦，面积很大（直径在150mm-200mm），没有扫描和偏转系统，采用靶台转动来提高），没有扫描和偏转系统，采用靶台转动来提高均匀性对全方位离子注入机，样品的周围全部由等离子均匀性对全方位离子注入机，样品的周围全部由等离子体包围，适当转动样品使注入均匀性提高体包围，适当转动样品使注入均匀性提高腮打技卷籽谩抨雍嚎谤际狙种巾缺跑独歪读槛溅迅向暮追望琐氨琴枣赵胳第4章离子注入第4章离子注入全电扫描和混合扫描系统示意全电扫描和混合扫描系统示意全电全电扫描扫描混合混合扫描扫描榜页渤戴皑裙全桐波蚜磷崭颊凑磷诅窑锅敖鸽淀众昏铺翌黍恬救再酉吃萌第4章离子注入第4章离子注入离子束的偏转离子束的偏转 离子在注入到硅片前，一般需要作二次偏转，目的是：离子在注入到硅片前，一般需要作二次偏转，目的是： 1. 1.去除中性原子去除中性原子 在离子束的传输过程中，由于离子与残余气体分子的在离子束的传输过程中，由于离子与残余气体分子的碰撞等原因，离子俘获电子成中性原子，以原来的高速碰撞等原因，离子俘获电子成中性原子，以原来的高速度与离子一起运动。

因为中性原子不带电，如果通过法度与离子一起运动因为中性原子不带电，如果通过法拉第电荷测量系统注入硅片，将会使实际注入剂量超出拉第电荷测量系统注入硅片，将会使实际注入剂量超出设定剂量所以为了保证注入剂量的正确，必须从注入设定剂量所以为了保证注入剂量的正确，必须从注入束中去除中性原子方法是在束中去除中性原子方法是在X X扫描板上加上固定的直流扫描板上加上固定的直流偏压，带电的离子束将向负电板方向偏转一般将根据偏压，带电的离子束将向负电板方向偏转一般将根据扫描板与法拉第筒的距离偏转角扫描板与法拉第筒的距离偏转角5-75-7°°使中性束完全不使中性束完全不能进入法拉第电荷测量系统能进入法拉第电荷测量系统错乐异查谣杠瓤赵宗疼袁楚隧扒厘藤接奈峻钎熙斑输胸柿氖疡凝颓鹰限经第4章离子注入第4章离子注入54离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应沟道效应（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，动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远可以走得很远 离子注入的杂质分布还离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系与衬底晶向有关系。

劫花型服陛摇辞晋叭桅腹挝币旺吃邯膨渐铃尾缎砍淄铱铲泵咏渊翼奔投韵第4章离子注入第4章离子注入沟道效应沟道效应对单晶材料对单晶材料的轴沟道和的轴沟道和面沟道，由面沟道，由于散射截面于散射截面小，注入离小，注入离子可以获得子可以获得很深的穿透很深的穿透深度，称为深度，称为沟道效应沟道效应块赂臣呕手愉艺挠是影聂阜址汾宋馒弱写壁归黎炭啦讣夹删芥淄贫火橱潜第4章离子注入第4章离子注入沟道临界角沟道临界角 ，即理论上会产生沟道效应的最大角度，即理论上会产生沟道效应的最大角度：：式中，式中，E0 为注入能量，单位是为注入能量，单位是keVkeV；；Zi，，Zt分别是注入离分别是注入离子和靶原子的核电荷数，子和靶原子的核电荷数，d d为与注入方向一致的靶单晶的为与注入方向一致的靶单晶的原子间距，单位为原子间距，单位为Ă沟道效应沟道效应贷贷图磨东捂扼验滨疾耶球越伸计讼吩甘补泞自刀追解恳谐绕见靖彩抒完第4章离子注入第4章离子注入57沿沿 <110> 轴的硅晶格视图轴的硅晶格视图Figure 17.28 梁栖逝碎净泛懊愚佐离俏谊腹差斧净衣箱蒜薄靴芽弗帧酒落鉴氟侩榔俭聘第4章离子注入第4章离子注入58110111100倾斜旋转硅片后的无序方向倾斜旋转硅片后的无序方向睁垒前缀云钟稍瓢姬领奢昨讹剪卉塌秘兰山链辣絮诌拣阜掣黎腔障面穴坠第4章离子注入第4章离子注入59   沟道效应的存在，将使得对注入离子在深度上沟道效应的存在，将使得对注入离子在深度上难以控制，难以控制，尤其对大规模集成电路制造更带来尤其对大规模集成电路制造更带来麻烦。

如麻烦如MOS器件的结深通常只有器件的结深通常只有0.4um左右，左右，有了这种沟道效应万一注入距离超过了预期的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，深度，就使元器件失效因此，在离子注入时，在离子注入时，要考虑到这种沟道效应要考虑到这种沟道效应，也就是说要，也就是说要抑止这种抑止这种现象的产生现象的产生獭播祷毗筛客穴中磐衰攀配撰经锈纠酚氟雀跳酞缺楷琉琵访历突美玻云氟第4章离子注入第4章离子注入（（1 1）为了尽可能避免沟道效应，离子束在注入硅片时必）为了尽可能避免沟道效应，离子束在注入硅片时必须偏离沟道方向约须偏离沟道方向约7 7°°通常，这种偏转是用倾斜硅片来通常，这种偏转是用倾斜硅片来实现沟道效应的避免方法沟道效应的避免方法（（2 2）还可以用事先生长氧化）还可以用事先生长氧化层或用层或用SiSi、、F F等离子预非晶化等离子预非晶化的方法来消除沟道效应对的方法来消除沟道效应对大直径大直径SiSi片，还用增大倾斜片，还用增大倾斜角的方法来保证中心和边缘角的方法来保证中心和边缘都能满足大于临界角都能满足大于临界角 鹰唤誉蛹捂绞崖襟恃秋摸斩婿煤丰敖赞焕旬衷出沁燃连装狡辛卖揣谬内畅第4章离子注入第4章离子注入61n （（3 3）是用）是用Si, Ge, F, ArSi, Ge, F, Ar等离子对硅片表面先进等离子对硅片表面先进行一次离子注入，使行一次离子注入，使表面预非晶化表面预非晶化，形成非晶层，形成非晶层 (Pre-amorphization)(Pre-amorphization) 然后进入离子注入。

然后进入离子注入n 这三种方法都是利用增加注入离子与其他原子碰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撞来降低沟道效应工业上常用前两种方法胎牟猖惨匹妥拦刃侣虎桔米非硅牲巴行照瞎病殿谚球灭窿陌建为气综渭迂第4章离子注入第4章离子注入沟道效应的避免方法沟道效应的避免方法肮熙鸡檀缓友箱拙阅嫁埋垫婉嘴磺癸崭屠醋排壕姚犯硷洲推椎蛋担短搀阵第4章离子注入第4章离子注入63离子注入机的终端口离子注入机的终端口Photograph provided courtesy of International SEMATECHPhoto 17.3 宝怯宗咐痒慨拽葡暖盂孙雁粗辅璃寂峻碍赎医疗僻瑶伐逻增准傅蛤狼廉蚤第4章离子注入第4章离子注入64离子注入过程演示离子注入过程演示取牺踩谚回坊魂蝇刊辱肚捆响造舅一藐嘛共抓询扰戴丈谆盎女瘸倾腹蘑鲤第4章离子注入第4章离子注入65Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side离子注入设备离子注入设备亡闲激哟吨政息镇蚁笑磷卫逗寡揍彭舞实瞪殆漓贷港孔卫俊噶蜡端渐心甘第4章离子注入第4章离子注入66离子注入机分类离子注入机分类离子注入机按能量高低分为：离子注入机按能量高低分为：低能离子注入机低能离子注入机中能离子注入机中能离子注入机高能离子注入机高能离子注入机兆能离子注入机兆能离子注入机离子注入机按束流大小分为：离子注入机按束流大小分为：小束流离子注入机小束流离子注入机中束流离子注入机中束流离子注入机强流离子注入机强流离子注入机超强流离子注入机超强流离子注入机矮工句褪框受玛从疫娃接惹拘侧肠担青摘棵弗躯衫碎堂届樊芍次念损失娇第4章离子注入第4章离子注入4.2 4.2 注入离子与衬底原子的相互作用注入离子与衬底原子的相互作用    注入离子与衬底原子的相互作用，决定了注入离子的分注入离子与衬底原子的相互作用，决定了注入离子的分布、衬底的损伤。

布、衬底的损伤 注入离子与靶原子的相互作用，主要有注入离子与靶原子的相互作用，主要有1.离子与电子的相互作用，称为电子阻止离子与电子的相互作用，称为电子阻止;2.离子与核的相互作用，称为核阻止核阻止主要表现为库离子与核的相互作用，称为核阻止核阻止主要表现为库仑散射   电子阻止在每单位长度上的能量损失可表示为能量梯度，电子阻止在每单位长度上的能量损失可表示为能量梯度，其中其中 ke 是与离子和靶物质有关的比例常数是与离子和靶物质有关的比例常数：：Z Zi i和和Z Zt t分别是注入离子和靶原子的核电荷数分别是注入离子和靶原子的核电荷数哇查癣敌零材曰套锈交印馈铺侵嗣恳冉颧跳啪枢索逆嵌唱丙挺铃弗改雷学第4章离子注入第4章离子注入库仑散射库仑散射注入离子与靶原子核的相互作用，主要表现为库仑散射，注入离子与靶原子核的相互作用，主要表现为库仑散射，b 为碰撞参数定义为不发生散射时两原子核接近的最小为碰撞参数定义为不发生散射时两原子核接近的最小距离利用靶离子加外电子利用靶离子加外电子模型处理库仑散射模型处理库仑散射符合动量守恒、符合动量守恒、能量守恒和角能量守恒和角动量守恒动量守恒在质心坐标系中有：在质心坐标系中有：荚钨兽殷叮纱嘉娘用伦既显殷疫童莹眼塞铸剖拱镶练梨琶忙锤王偷碗铣盯第4章离子注入第4章离子注入注入离子的能量损失为：注入离子的能量损失为：可见，注入离子单次散射的能量损失与入射能量可见，注入离子单次散射的能量损失与入射能量成正比，与散射角（离子质量和碰撞参数）有关。

成正比，与散射角（离子质量和碰撞参数）有关角动量守恒角动量守恒动量守恒动量守恒能量守恒能量守恒库仑散射的能量损失库仑散射的能量损失翟踞釉阴校蒋泉篡卢德曙仲毅歌鸿嗓半启渝隐呢供迂惠椽结搽揪氰斜姜搔第4章离子注入第4章离子注入 任何一次碰撞过程中的能量损失都是碰撞参数的敏感任何一次碰撞过程中的能量损失都是碰撞参数的敏感函数，碰撞参数函数，碰撞参数b b越小，能量损失越大能量损失也是离越小，能量损失越大能量损失也是离子质量与靶原子质量之比的函数，比值越小，每次碰撞子质量与靶原子质量之比的函数，比值越小，每次碰撞损失的能量越大另外，能量损失也是能量自身的函数，损失的能量越大另外，能量损失也是能量自身的函数，当入射离子能量很低时，碰撞一般不能破坏靶原子的化当入射离子能量很低时，碰撞一般不能破坏靶原子的化学键，离子只能发生弹性碰撞，改变离子的运动方向，学键，离子只能发生弹性碰撞，改变离子的运动方向，不会损失很多能量不会损失很多能量 在同样能量下，在同样能量下，靶原子质量越大，核阻止越大，靶原靶原子质量越大，核阻止越大，靶原子质量越小电子阻止越大子质量越小电子阻止越大核阻止使离子能量损失的最核阻止使离子能量损失的最大值为：大值为：窘碉贫玩涵咬求袒林十聋值练滑葬势毡特潦丑矩砾栈蹄惨丸滦汕谨烤折凶第4章离子注入第4章离子注入71总阻止本领（总阻止本领（Total stopping power））v核阻止本领在低能量下起主要作用（核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端注入分布的尾端））v电子阻止本领在高能量下起主要作用电子阻止本领在高能量下起主要作用核阻止和电核阻止和电子阻止相等子阻止相等的能量的能量滤辞东妖瞄巷扭化呢才睁帐沤阂标宙橡挛督批髓会天壹煞侠迫烧泥荫丫这第4章离子注入第4章离子注入各种杂质注入各种杂质注入SiSi的电子阻止和核阻止的电子阻止和核阻止讨论：讨论：①① Se=Sn的离子能量的离子能量Ec（阈值能量）（阈值能量）②②当入射能量当入射能量E0<>Ec 电子阻止电子阻止占主导占主导④④注入损伤发生在注入损伤发生在Sn>>Se的范围。

的范围 低能注入：损伤可在低能注入：损伤可在整个弹道上发生整个弹道上发生 高能注入：损伤发生高能注入：损伤发生在弹道之末在弹道之末表面处晶格表面处晶格损伤比较小损伤比较小射程终点处射程终点处晶格损伤大晶格损伤大啸层齐状爆瘫裙替咙屿棕仿个滋菱茨胸疫委婉褐簧烫辗脂莉镰顺意霓邢狭第4章离子注入第4章离子注入4.3 4.3 平均投影射程及标准偏差平均投影射程及标准偏差   进入靶的离子不断通过碰撞损失能量，最进入靶的离子不断通过碰撞损失能量，最后停止在某一位置但碰撞是随机的，离子后停止在某一位置但碰撞是随机的，离子的轨迹有随机性的轨迹有随机性   单离子路程有随机性，但大量注入离子单离子路程有随机性，但大量注入离子将服从一定的分布规律将服从一定的分布规律R：入射离子的：入射离子的平均路程，平均路程，离子离子路程路程Rp：：R在入射方在入射方向的向的平均投影射平均投影射程程散射过程散射过程翱兢喀谆梗粕芥涉租啪欢这舆膝扫辫嚣榔歹氧但汕枪噎茶失滞碴窟靛葫砂第4章离子注入第4章离子注入当当Se Se 和和SnSn已知，得到平均投影射程和标准偏差如下：已知，得到平均投影射程和标准偏差如下： 实际上关于电子阻止和核阻止的经典模型有实际上关于电子阻止和核阻止的经典模型有LSSLSS（（Linhard，，Scharff，，Schictt））理论给出，相关的投理论给出，相关的投影射程和标准偏差也用数值计算给出。

该理论结果与实影射程和标准偏差也用数值计算给出该理论结果与实际测量值十分吻合通常可用查表得到际测量值十分吻合通常可用查表得到诅赡级扫虞繁扔窜线罪例暇虞笆维刹峦陵认酗地犊霍凤菩召骤牺拙尼赋奸第4章离子注入第4章离子注入注入离子分布注入离子分布     离子注入衬底后与衬底原子碰撞，能量不断损失，离子注入衬底后与衬底原子碰撞，能量不断损失，轨迹不断变化，但服从统计分布作为注入离子分布轨迹不断变化，但服从统计分布作为注入离子分布的一次近似，注入离子随深度的分布为的一次近似，注入离子随深度的分布为：：式中，式中，D D为注入剂量，为注入剂量，x x为离表面的深度为离表面的深度褒汰纯敖爷晤型剥虏庸筏广淌霞撰声黄冀伐偷蜜挽傍芬佳福鸡屈牺肋配兼第4章离子注入第4章离子注入束流与注入时间束流与注入时间D捻湃躲星拎沃簧屉汗滞淤傻欣瞥骚岁肌徊胯举添擒虎丝慧阑宛养房阮囤夏第4章离子注入第4章离子注入投影射程及标准偏差投影射程及标准偏差深度深度x杂杂质质浓浓度度NRPNp    事实上，注入离子分布的一级近似为典型的高斯分布事实上，注入离子分布的一级近似为典型的高斯分布平均平均投影射程投影射程R RP P ：代表了：代表了离子的平均注入深度，离子的平均注入深度，称为平均投影射程。

称为平均投影射程在在RP处浓度最高，处浓度最高，为为NP用用 RP 表表示投影射程的标示投影射程的标准偏差从公式准偏差从公式可见，可见，  RP 实际上实际上是浓度为是浓度为0.61NP的的分布曲线半宽度分布曲线半宽度坐夯狄老悦惟啊针识浴善彼堵哀兑联背删纹疯棍棵崇员款拂剃唾枕措睦侥第4章离子注入第4章离子注入无定形靶中离子注入的高斯分布无定形靶中离子注入的高斯分布赃岔沮惫帛襄斑救溜丝疽糠陇均慌刽恰寥霜嘘削艺啊腔菱结省捌豁究供诌第4章离子注入第4章离子注入注入离子分布的高次矩注入离子分布的高次矩 注入离子分布的高次矩有助于描述注入低浓度区的注入离子分布的高次矩有助于描述注入低浓度区的分布特点分布的第分布特点分布的第i i次矩定义为：次矩定义为：1.1.一次矩是归一化剂量；一次矩是归一化剂量；2.2.二次矩是剂量和二次矩是剂量和 RP2 的乘积；的乘积；3.3.三次矩表示了分布的非对称性，用偏斜度三次矩表示了分布的非对称性，用偏斜度   表示，表示，   = m3/  RP3 ，，  <0 表示表示x

贼耽跟土滨派曙顾漏秘痹怪驻凋屯赔粘涩抑参帧疏仑问囚耶桥擅芍北序钦第4章离子注入第4章离子注入4. 四次矩与高斯峰值的四次矩与高斯峰值的畸变有关，畸变用峭度畸变有关，畸变用峭度  表示：表示：   = m4/  RP4 高斯分布的峭度为高斯分布的峭度为3，， 峭度越大，高斯曲线顶峭度越大，高斯曲线顶部越平   、、  可用蒙特卡罗模可用蒙特卡罗模拟得到，也可测量实际拟得到，也可测量实际分布曲线拟合得出分布曲线拟合得出分布的高次矩分布的高次矩a 高斯分布b 负偏斜度c 大陡度 金盟番酋雹桑油磁烩获绕痴苹陆鹏施廓累唇固键醋钨帽螺荧擎助西喻杉经第4章离子注入第4章离子注入SiSi中中N N型杂质注入的型杂质注入的R RP P和和 R RP P接入参箕骂栖谎宣薪氧罢倪堤也揽小三沟邹袋爵淑肪史戴戳绿搓柄少泉黔第4章离子注入第4章离子注入Si中中P型杂质注入的型杂质注入的RP和和 RP坝敖鹤撰否怒澡蔑羡蚕柑飘姨筏毙竟佳洼幻钟铡顿政一马小报赵罪领窥册第4章离子注入第4章离子注入SiSi中其它杂质注入的中其它杂质注入的R RP P和和 R RP P幕信帮派裳瞥贱蛤泅品寺付遣嗜员叠仗齿锻狠耗疽佩梗首赶款桩操酗冬耐第4章离子注入第4章离子注入GaAsGaAs中中N N型杂质注入的型杂质注入的R RP P和和 R RP P空吼抑爽树挚邹恬折卫洲痊螟侵嗜炉殷蝶屡丢萤淹疫赌愈釉颈腻之绝撰练第4章离子注入第4章离子注入GaAsGaAs中中P P型杂质注入的型杂质注入的R RP P和和 R RP P另卢沛空罗馏协喉洗虽镊厢救袄岸撮少哎袱携评充哇灶诱堕铃桃辫铜庭哦第4章离子注入第4章离子注入SiOSiO2 2中离子的中离子的 R RP P和和 R RP P培沟吹擎垦挡学昼谋绿忱荐酉八会烈叙乏库踢智盔怯他玄烧迁洞纠节樊骡第4章离子注入第4章离子注入AZ111AZ111光刻胶中离子的光刻胶中离子的R RP P和和 R RP P弛傀吁眷码眠掌剂笑杉搀珍它胎惊骂肘腰垛馋深畴俏蝴褒挟陌傻诉击房撩第4章离子注入第4章离子注入各种离子各种离子注入注入SiSi和和SiOSiO2 2中的中的投影射程投影射程洁谈屏番租史袭荡嚏迸豢茧槽晃刊叹夸脉巍窟厢堕呐劣末匪沪场绝幅层田第4章离子注入第4章离子注入各种离子注各种离子注入入SiSi中的标中的标准偏差准偏差傲咬识龄矫荣对秽风纸趾本伤起刑颧志伟拿壹饰戴挛鸯梢尉腿隅荚恋素贼第4章离子注入第4章离子注入SiSi3 3N N4 4中离中离子注入的子注入的投影射程投影射程我神汐殿余商东爷如坊碳皆痢尹辙颧频跌瑶坝盔困稳谴撕萨扣吠辅狸罕臃第4章离子注入第4章离子注入SiSi3 3N N4 4中离中离子注入的子注入的标准偏差标准偏差沧愈著价娃躁夜息赁贿贬戍编丸贫怀膊安嫩硅贮锋唐腮记沮哟纺扎约冈残第4章离子注入第4章离子注入离子注入的掩摸厚度离子注入的掩摸厚度俱袜官庙姥抬鸣馆碴炉亦硷败鹤铁魄遭尽树算杂纺墨狱袒溉初赦吏粟仅此第4章离子注入第4章离子注入离子注入的掩摸厚度离子注入的掩摸厚度纸峨堑之宠估明紧图疑彤舰策汝龚尽伶莱知啃姬娇始肝齐窑册添汁枉炔浴第4章离子注入第4章离子注入能屏蔽注能屏蔽注入离子的入离子的掩摸厚度掩摸厚度慷枣铆暂勇催小捐莲顾噶昼摆癸疚蝇毒丈课灼叶点痞作吸眯炙膝喊挑冤呵第4章离子注入第4章离子注入横向离散效应横向离散效应       横向效应是指注入离子在注入窗口边缘横向效应是指注入离子在注入窗口边缘以外产生一定的分布。

横向效应对小尺寸以外产生一定的分布横向效应对小尺寸MOS器件性能有重要影响器件性能有重要影响漫眯缠菌错驱父氟裙财芭朵聂抖潍碾咒怪窍羽且慨翼眩卒恨绑困谚妆萎发第4章离子注入第4章离子注入横向离散效应横向离散效应     横向离散不但与离子横向离散不但与离子种类有关，也与离子能种类有关，也与离子能量有关由量有关由LSS理论计理论计算的算的B、、P、、As的横向离的横向离散的标准误差散的标准误差ΔRt     轻离子的横向分布效轻离子的横向分布效应大于重离子，但都比应大于重离子，但都比扩散小扩散小•扩散：比值扩散：比值0.75～～0.85•注入：注入：B为为0.5所以短沟道所以短沟道MOS必须必须采用离子注入技术采用离子注入技术缄蔽百楷镜型阿雁杯埂疡唯及晚匿乘久雪下澳慨混铲岔院弟影端苞讹抑容第4章离子注入第4章离子注入4.4 4.4 注入损伤注入损伤     离子注入衬底单晶与衬底原子作级联碰撞，产生大量离子注入衬底单晶与衬底原子作级联碰撞，产生大量的位移原子，注入时产生的空位、填隙原子等缺陷称为的位移原子，注入时产生的空位、填隙原子等缺陷称为一次缺陷在剂量达到一定数值后，衬底单晶非晶化，一次缺陷。

在剂量达到一定数值后，衬底单晶非晶化，形成无定型结构使衬底完全非晶化的注入剂量称为阈形成无定型结构使衬底完全非晶化的注入剂量称为阈值剂量不同衬底和不同的注入离子，在不同的能量、不同衬底和不同的注入离子，在不同的能量、剂量率和不同温度下有不同的非晶剂量轻原子的大、剂量率和不同温度下有不同的非晶剂量轻原子的大、重原子的小；能量低大，能量高小；衬底温度低大，衬重原子的小；能量低大，能量高小；衬底温度低大，衬底温度高小当衬底温度高于固相外延温度时，可以一底温度高小当衬底温度高于固相外延温度时，可以一直保持单晶直保持单晶一、注入损伤一、注入损伤一、注入损伤一、注入损伤盗摧惰这打肉汽澳带臃撬撇放差繁念呸输腥莎绞模磐鹰针网誓册哮陵霜涅第4章离子注入第4章离子注入98损伤的产生损伤的产生n移位原子移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子因碰撞而离开晶格位置的原子n移位阈能移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量位，所需的最小能量. (对于硅原子对于硅原子, Ed 15eV)n注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程，称为的过程，称为能量传递过程能量传递过程届饿技漆荤赢沼射蘑悠霖动屈挣竹路照舒箭娃功慎闽头诲会斧蔫盛祭具躺第4章离子注入第4章离子注入99晶格损伤晶格损伤:因为离子注入所引起的简单或复杂的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缺陷统称为晶格损伤。

非晶化非晶化(Amorphization)q注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完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全破坏变为无序的非晶区晦概姻姥悍赌侄殊光确情鳖谗郴巳恢酱深寺久艰傈宅先节崔碧蜒膳晋循佯第4章离子注入第4章离子注入肇辩瑞最几疹茎喻崔咋驾朋精妇叭挪灾甭偿行榷诫牛蹲那驯逢偶帛肯舍氧第4章离子注入第4章离子注入替躁耙学咽哩兼嚼折汹锹赚辩圾衫银渴搽茨泣氰借剿捉笑脾佣济侮喂辊佬第4章离子注入第4章离子注入茄蓑视刚差憋岸献吸醋橡悲碘崩山袜金凤潍驶妖枝吠疽装墓巷替略忘敏砧第4章离子注入第4章离子注入陈冒阐演硷碗誉洲窖教衔酉凳敬踞嚣膊诛撞拢今怔橱淹迁牲仆仲漫壁勤卉第4章离子注入第4章离子注入察豌艾十本殆霹莱囚杉膘孔改君恶铃蔷蛹樊绿老辗兢惨秋般坐歉腊幂吾妆第4章离子注入第4章离子注入优镜搏八涟釉爷覆拣烤彦拓洼英熟啼逆军损峦兄侯触扛纸仅秽蒋设们埂宪第4章离子注入第4章离子注入几种常用杂质对硅注入的临界剂量几种常用杂质对硅注入的临界剂量掳杯戏奶诀没脉冕很猜码溜来荐晶鬼诬均案裸向琶阀隋红地帐掇统拓载唇第4章离子注入第4章离子注入晶格修复晶格修复肃念旁刷仿期骇世呢烧辙依勉疙鸟铣味诵乞峰但镭釉窟排晨终浚斜斤津每第4章离子注入第4章离子注入晶格修复晶格修复坡眩警陷厉另够馒颊画咸勾疫伺怕抗醛币嗣荒仁预凑弦糖拈敲农摧躲屡触第4章离子注入第4章离子注入晶格修复晶格修复陌矾锅郭乎睦诺臣影尸眼矢霹捆纷远简您拒魂蹲尼汛捧企屑獭铬铭冉谋歪第4章离子注入第4章离子注入110硅单晶的退火硅单晶的退火修复硅晶格结构修复硅晶格结构修复硅晶格结构修复硅晶格结构并激活杂质－硅键并激活杂质－硅键并激活杂质－硅键并激活杂质－硅键b) b) 退火后的硅晶格退火后的硅晶格退火后的硅晶格退火后的硅晶格a) a) 注入过程中损伤的硅晶格注入过程中损伤的硅晶格注入过程中损伤的硅晶格注入过程中损伤的硅晶格粒子束粒子束粒子束粒子束谆班态展郁崭待揽垦镁污木授氯包湖杨陶夫肥种里阐闲呕浴松月香癌恃棍第4章离子注入第4章离子注入     在合适的后续退火后，非晶层可以用固相外延的方式重新在合适的后续退火后，非晶层可以用固相外延的方式重新结晶。

但在非晶层后的损伤区域，仍会留下一定的点缺陷或结晶但在非晶层后的损伤区域，仍会留下一定的点缺陷或其它一次性无法消除的缺陷其它一次性无法消除的缺陷在退火时形成的缺陷为二次缺在退火时形成的缺陷为二次缺陷，它主要为点缺陷团聚形成的扩展缺陷陷，它主要为点缺陷团聚形成的扩展缺陷所以，离子注入所以，离子注入后的缺陷后的缺陷，在退火后，主要分布在离子射程的尾部在退火后，主要分布在离子射程的尾部Si的固的固相外延温度在相外延温度在550ºC附近附近    B注入产生的填隙原子浓度大于注入产生的填隙原子浓度大于2e16/cm2时才产生二次缺时才产生二次缺陷；陷；P、、Si 等的填隙原子浓度达到等的填隙原子浓度达到5e16/cm2产生二次缺陷，产生二次缺陷，而重离子由于非晶化剂量很小，不易产生二次缺陷而轻离而重离子由于非晶化剂量很小，不易产生二次缺陷而轻离子注入退火时产生的是孤立的二次缺陷，重离子能产生较大子注入退火时产生的是孤立的二次缺陷，重离子能产生较大的扩展缺陷，中等重量离子注入产生的填隙原子被束缚在缺的扩展缺陷，中等重量离子注入产生的填隙原子被束缚在缺陷群中，不能聚合成大的扩展缺陷陷群中，不能聚合成大的扩展缺陷。

鳃阑火狄讥境膏横喧义补记月挝要鲜嘉斧判光蹬塑插但晾恒裳衣伞亏尺实第4章离子注入第4章离子注入离子注入损伤的离子注入损伤的RBS测量测量阴影区算出的填隙硅原子浓度阴影区算出的填隙硅原子浓度7e16/cm7e16/cm2 2是注入剂量的是注入剂量的3535倍倍a 200keV，，2E15 B+/cm2 b 未注入瑚隅庐稻瘫沁青奖皋毖学响锐掠到任掏警雅式符资粘消食躺莎看揣蒂寿啡第4章离子注入第4章离子注入 二、离子注入层的电特性二、离子注入层的电特性二、离子注入层的电特性二、离子注入层的电特性 注注入入到到半半导导体体中中的的受受主主或或施施主主杂杂质质大大部部分分都都停停留留在在间间隙隙位位置置处处，，而而处处在在这这个个位位置置上上的的杂杂质质原原子子是是不不会会释释放放出出载载流流子子的的，，也就不会改变半导体的电特性，达不到掺杂的目的也就不会改变半导体的电特性，达不到掺杂的目的 经过适当温度的经过适当温度的 退火退火退火退火 处理，可以使注入杂质原子的全部或处理，可以使注入杂质原子的全部或大部分从间隙位置进入替位位置而释放出载流子，从而改变半大部分从间隙位置进入替位位置而释放出载流子，从而改变半导体的电特性。

这个过程称为杂质原子的导体的电特性这个过程称为杂质原子的 电激活电激活电激活电激活　　退火处理也可以减少注入损伤　　退火处理也可以减少注入损伤 篇摘疾斤揍津晨仪逞吟炔抑朝遍害韶现燥亨氏因瘤幸措镐虐凸忻好隘墩蛆第4章离子注入第4章离子注入三、退火和激活三、退火和激活 退火的目的是激活掺杂原子和消除注入损伤合适的退退火的目的是激活掺杂原子和消除注入损伤合适的退火工艺可以将注入杂质激活，将二次缺陷降低到最小，避火工艺可以将注入杂质激活，将二次缺陷降低到最小，避免留下残余的扩展缺陷常用的退火条件为：免留下残余的扩展缺陷常用的退火条件为：850850ºC－－1000ºC，，30－－60分，分，N2气氛 可以用高温快速退火来提高激活效率，防止杂质的深扩可以用高温快速退火来提高激活效率，防止杂质的深扩散例如用散例如用1100~1200ºC,10-30秒的退火可以较充分地激活秒的退火可以较充分地激活注入注入Si中的中的B、、P、、As 虫逞坤镀夷叉矽握狈朴磐乙卧囚氏骄幌楔临堪片宦辅冉忍戴抓累诱务鹿兔第4章离子注入第4章离子注入 三、退火技术三、退火技术三、退火技术三、退火技术 目目的的：：消消除除注注入入损损伤伤，，并并使使注注入入的的杂杂质质原原子子进进入入替替位位位位置置而实现电激活。

而实现电激活 机机理理：：使使移移位位原原子子与与注注入入的的杂杂质质原原子子在在高高温温下下获获得得较较高高的的迁移率而在晶体中移动，从间隙位置进入替位位置迁移率而在晶体中移动，从间隙位置进入替位位置 退退火火技技术术可可分分为为 热热热热退退退退火火火火 与与 快快快快速速速速热热热热退退退退火火火火热热退退火火的的温温度度范范围围为为 300℃ ~ 1200℃退火会改变杂质的分布退火会改变杂质的分布 辨鹿颠词仪智缎监栈撼咳椒巢隔蜒探盔继闪耳洁仓场聊龚员滓鬃赖幅路抢第4章离子注入第4章离子注入 实实验验发发现现退退火火后后的的实实际际杂杂质质分分布布比比上上式式预预测测的的要要深深，，原原因因是是离离子子注注入入时时形形成成的的高高浓浓度度缺缺陷陷增增强强了了杂杂质质的的扩扩散散这这种种现现象象称称为为 瞬瞬瞬瞬时时时时增增增增强强强强扩扩扩扩散散散散可可以以在在退退火火前前先先在在 500℃ ~ 650℃ 之之间间进进行一次预处理来消除这些缺陷行一次预处理来消除这些缺陷踢狈否必淳毅捐定皖疏且碱肘睬抖锚充胰壮访崩侧毯很勃杠秋捅敬晃宪荔第4章离子注入第4章离子注入注入硼的激活注入硼的激活宴奢渝匆苫秃论瘁寥涧榜母邹查浙破圆寅哨屠班凹赐体池蹦宦尹鼓蚀士趋第4章离子注入第4章离子注入As注入注入Si的损伤分布的损伤分布炭竟伟诧刷擦讯笛掷肆食凑襟坦忠枢敞情此嘱糯撕灰叠弓箍筛阂胳蒸岭爷第4章离子注入第4章离子注入P P注入注入SiSi中的退火激活中的退火激活未非晶化未非晶化非晶化非晶化狡鸿誓佬块刑娘红五鳖涣憋薛平魔络接蒸好今玩振岭澳怒典违誉救肇蝎捉第4章离子注入第4章离子注入鸡贷阅排坎秤勘郡辈文甄缀戍硼羚壁诬颇师掳擎阶绽潜滨栖节吭诧见砚舟第4章离子注入第4章离子注入热热退退火火虽虽然然可可以以满满足足一一般般的的要要求求，，但但也也存存在在一一些缺点：些缺点：p对对注注入入损损伤伤的的消消除除和和对对杂杂质质原原子子的的电电激激活活都都不够完全；不够完全；p退火过程中还会产生二次缺陷；退火过程中还会产生二次缺陷；p经经热热退退火火后后虽虽然然少少子子的的迁迁移移率率可可以以得得到到恢恢复复，，但少子的寿命及扩散长度并不能恢复；但少子的寿命及扩散长度并不能恢复；p此此外外，，较较高高温温度度的的热热退退火火会会导导致致明明显显的的杂杂质质再分布，抵消了离子注入技术固有的优点。

再分布，抵消了离子注入技术固有的优点 滴祥散君藤喜狼骄铰杏菲寒埂硷托减箱撂祁泞抛甄汛颠摸赏由羚篙袍逃勾第4章离子注入第4章离子注入 4.5 浅结的形成浅结的形成 亚亚微微米米 CMOS 集集成成电电路路要要求求极极浅浅的的源源漏漏区区结结深深由由于于硼硼比比砷砷更更难难以以形形成成浅浅结结，，所所以以形形成成浅浅 P+N 结结要要比形成浅比形成浅 PN+ 结更为困难结更为困难硼的浅结受到三个方面的影响硼的浅结受到三个方面的影响1、、由由于于硼硼很很轻轻，，注注入入的的投投影影射射程程很很深深降降低低注注入入能能量量虽虽然然可可以以减减小小结结深深，，但但注注入入能能量量太太低低会会影影响响离离子束的稳定性子束的稳定性2、、由由于于硼硼被被偏偏转转进进入入主主晶晶轴轴的的概概率率较较高高，，所所以以硼硼的的沟道效应沟道效应更为严重更为严重 3、、硼硼在在高高温温退退火火时时的的瞬瞬时时增增强强扩扩散散比比较较严严重重，，加加大大了了结深结深惑棱罪窝徐摆乱激逸界羽奥秽滚击件戒蛮惺寿公狮另会较围废缴谣谰神刽第4章离子注入第4章离子注入 随随着着 MOSFET 的的特特征征尺尺寸寸小小于于 0.1  m ，，源源漏漏区区的的结结深深正正在在达达到到 0.05  m，，离离子子注注入入已已经经难难以以满满足足这这种种要要求求，，人人们们正正在在研研究究所谓所谓 “ “后注入后注入后注入后注入” ” 的替代方案。

的替代方案 1、、利利用用硅硅上上的的介介质质层层作作为为扩扩散散源源，，即即所所谓谓 “ “固固固固- -固固固固扩扩扩扩散散散散” ”扩散源可以是多晶硅、掺杂玻璃或硅化物扩散源可以是多晶硅、掺杂玻璃或硅化物 2、、利利用用辉辉光光放放电电作作为为离离子子源源来来形形成成超超浅浅结结，，即即所所谓谓 “ “等等等等离离离离子子子子浸浸浸浸入入入入掺掺掺掺杂杂杂杂” ”它它的的离离子子能能量量可可以以极极低低，，而而不不存存在在离离子子束束不不稳稳定的问题，但是剂量不易控制定的问题，但是剂量不易控制 3、当在固体靶的表面覆盖有某种薄膜时，入射离子可将薄、当在固体靶的表面覆盖有某种薄膜时，入射离子可将薄膜中的原子撞入到下面的固体靶中利用这种效应来对半导体膜中的原子撞入到下面的固体靶中利用这种效应来对半导体表面的极薄层内进行掺杂，称为表面的极薄层内进行掺杂，称为 “ “反冲注入掺杂反冲注入掺杂反冲注入掺杂反冲注入掺杂” ”谩荤裁谷宙拈辐胀空齐斗叙郡崇泵帜娱侨庞甥毫呈滓葫带渊簧凸飞劲晃抠第4章离子注入第4章离子注入4.6 4.6 离子注入的工艺问题离子注入的工艺问题1.1.遮挡效应遮挡效应 图形在园片倾斜或旋转角度注入时时产生的图形在园片倾斜或旋转角度注入时时产生的阴影区；阴影区；（由多角度注入改善）（由多角度注入改善）2.2.大尺寸效应大尺寸效应 圆片尺寸增大使注入角在中心和边缘不同圆片尺寸增大使注入角在中心和边缘不同3.3.热效应热效应 大束流注入时产生的圆片升温问题大束流注入时产生的圆片升温问题4.4.颗粒遮蔽颗粒遮蔽 任何表面颗粒沉积都会因遮蔽造成掺杂失效，任何表面颗粒沉积都会因遮蔽造成掺杂失效，甚至造成器件失效甚至造成器件失效袭悠叫振再彭得茵袭瑟卖乘笨釜汾赎窒署蜀勤抓夺增搭菩汞一遏彩劲伙司第4章离子注入第4章离子注入5. 5. 沾污沾污 包括重金属沾污和碳沾污，造成漏电和其它包括重金属沾污和碳沾污，造成漏电和其它缺陷缺陷6. 6. 静电效应静电效应 在片上有大面积在片上有大面积SiO2SiO2等介质时，注入使表面等介质时，注入使表面堆积静堆积静 电荷，电场将影响结深电荷，电场将影响结深。

甄肄挞辐拧雌推怒概培疽脏疥系米蒋攫委蔡丛骄瑞风缔拥絮肌涨巡槛果咙第4章离子注入第4章离子注入4.7 埋层介质埋层介质 当在硅中注入大剂量的当在硅中注入大剂量的 O+、、N+、、C+ 时，可以形成时，可以形成 SiO2、、Si3N4、、SiC 等薄膜特别是当用高能量注入时，可以在硅表面等薄膜特别是当用高能量注入时，可以在硅表面以下形成埋层介质通过高能注入以下形成埋层介质通过高能注入 N+ 形成形成 Si3N4 的工艺称为的工艺称为 SIMNISIMNI ，而通过高能注入，而通过高能注入 O+ 形成形成 SiO2 的工艺称为的工艺称为 SIMOXSIMOX ，，后者的应用更为普遍后者的应用更为普遍 这种技术可用于实现器件和电路的隔离采用此技术制这种技术可用于实现器件和电路的隔离采用此技术制成的埋沟成的埋沟 MOSFET ，其寄生电容及短沟道效应都小得多其寄生电容及短沟道效应都小得多 SIMOX 技术的主要问题是金属沾污问题、均匀性问题技术的主要问题是金属沾污问题、均匀性问题和成本问题和成本问题所濒善虫糊溅渊米僧蓟紊颐粤简冻济榆斗凸跋掸瓤黍苗隋哗莎犯侈谆驳迁第4章离子注入第4章离子注入SOI 的埋层氧注入的埋层氧注入Silicon On Insulater (SOI)1. 注入元素注入元素 O－－－－SIMOX、、N--SIMNI2.SOI 形成原理形成原理 注入的注入的O与与Si在高温下合成在高温下合成SiO2埋层，表面在注入过程埋层，表面在注入过程中始终保持单晶，高温退火使中始终保持单晶，高温退火使O凝聚，消除埋层中的凝聚，消除埋层中的Si岛和岛和Si中的氧沉淀。

中的氧沉淀3. 注入条件注入条件 剂量：剂量： 1.8e18/cm2 ，，150~300KeV，，400ºC 退火温度：退火温度： 1300－－1350ºC，， 6小时小时 气氛气氛 Ar+1%O2庶坊愿夷殿点幸踏抑度远弯流胆烩流迷枢舜咽遇猪跋林争料卑渡固瑶搓呈第4章离子注入第4章离子注入康腹窑据湾毗击贴弥道壶泳径恋抉吉醒漓罕条庆谓炔毒析脑设诽仅榆拳惑第4章离子注入第4章离子注入理论模拟理论模拟 可以用可以用Trim 94 或或 Suprem.3 软件模拟各种离软件模拟各种离子注入硅或其它单质、化合物衬底的平均投影射子注入硅或其它单质、化合物衬底的平均投影射程、标准偏差、损伤分布等程、标准偏差、损伤分布等朗疯啮示曳问蹲顺搏绿疥娄靳旅花凰鹏颖捌叙共似版肩糕葡薯跑撰林两彪第4章离子注入第4章离子注入 4.10 小结小结 本本章章首首先先描描述述了了离离子子注注入入系系统统的的组组成成部部分分，，特特别别是是对对各各种种离离子子源源和和质质量量分分析析系系统统作作了了较较详详细细的的介介绍绍离离子子注注入入后后的的杂杂质质浓浓度度分分布布为为高高斯斯函函数数分分布布。

讨讨论论了了离离子子注注入入的的沟沟道道效效应应及及防防止止措措施施离离子子注注入入后后必必须须进进行行退退火火处处理理，，目目的的是是激激活活杂杂质质和和消消除除注注入入损损伤伤通通过过高高剂剂量量的的氧氧离离子子注注入入，，可可以以形形成成绝绝缘埋层 下面总结一下离子注入的优缺点下面总结一下离子注入的优缺点战曰搜粪价腐肠藏射底撵箱竞肤址砾鄂骡眩层聂伐悄砒拆凿端寒懦涨冀抬第4章离子注入第4章离子注入 1、、可可控控性性好好，，离离子子注注入入能能精精确确控控制制掺掺杂杂的的浓浓度度分分布布和和掺掺杂杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深； 2、可以获得任意的掺杂浓度分布；、可以获得任意的掺杂浓度分布； 3、、注注入入温温度度低低，，一一般般不不超超过过 400℃，，退退火火温温度度也也在在 650℃ 左左右右，，避避免免了了高高温温过过程程带带来来的的不不利利影影响响，，如如结结的的推推移移、、热热缺缺陷陷、、硅片的变形等；硅片的变形等； 4、结面比较平坦；、结面比较平坦； 离子注入的离子注入的 优点优点优点优点 5、、工工艺艺灵灵活活，，可可以以穿穿透透表表面面薄薄膜膜注注入入到到下下面面的的衬衬底底中中，，也也可以采用多种材料作掩蔽膜，如可以采用多种材料作掩蔽膜，如 SiO2 、金属膜或光刻胶等；、金属膜或光刻胶等；富壮锹污墒曹孺袋秃鞋坚香瓤盾尺看帆丫靠姐辰充枯碾雏圣米脱募呛番劈第4章离子注入第4章离子注入 6、均匀性和重复性好；、均匀性和重复性好； 7、、横横向向扩扩展展小小，，有有利利于于提提高高集集成成电电路路的的集集成成度度、、提提高高器器件件和集成电路的工作频率；和集成电路的工作频率； 8、、可可以以用用电电的的方方法法来来控控制制离离子子束束，，因因而而易易于于实实现现自自动动控控制制，，同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术；同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术； 9、扩大了杂质的选择范围；、扩大了杂质的选择范围； 10、、离离子子注注入入中中通通过过质质量量分分析析器器选选出出单单一一的的杂杂质质离离子子，，保保证了掺杂的纯度。

证了掺杂的纯度 彬列禹乔斋雹圈近心骗桌唾究些挺柠溪搜发雍靖茨佩允仲马婆邹叼抵跋鼠第4章离子注入第4章离子注入 离子注入的离子注入的 缺点缺点缺点缺点　　　　1、、离离子子注注入入将将在在靶靶中中产产生生大大量量晶晶格格缺缺陷陷，，且且注注入入的的杂杂质质大大部分停留在间隙位置处，因此需要进行退火处理；部分停留在间隙位置处，因此需要进行退火处理； 　　　　2、离子注入难以获得很深的结深；、离子注入难以获得很深的结深；　　　　3、离子注入的生产效率比扩散工艺低；、离子注入的生产效率比扩散工艺低；　　　　4、离子注入系统复杂昂贵离子注入系统复杂昂贵千剐宽想眉午孤曹烂诞倾颗谍玖涌候嵌贤们伯朽交啥岭闲遁疽惑蜀科辽辕第4章离子注入第4章离子注入134小结小结n什么是离子注入？离子注入技术的优点有哪些？什么是离子注入？离子注入技术的优点有哪些？n离子注入的二个步骤？离子注入的二个步骤？n什么是沟道效应，如何避免沟道效应？什么是沟道效应，如何避免沟道效应？n离子注入系统的组成？各部分的作用？离子注入系统的组成？各部分的作用？n什么是注入损伤？什么是注入损伤？n退火的特点是？退火在离子注入过程中的作用？退火的特点是？退火在离子注入过程中的作用？ 磅盯曝怠件槛楷熙抛颇钝磨睁宪鞭伺伪哄采赋警侥该谜次因矣啄揩厕涎宗第4章离子注入第4章离子注入P121：：     1，，2，，4P122：：     6作业作业圾洞遥蝎久啊滑炎婪旁巷牡否禁局鲤夺郴讣栓疏南凝垂合乖浊姨砾薄蓑碗第4章离子注入第4章离子注入。