微电子工艺 高子注入
离子注入 微电子工艺[5]
内容 6.1概述 ÷62离子注入原理 ÷63注入离子在靶中的分布 ÷6.4注入损伤 65退火 6.6离子注入设备与工艺 67离子注入的其它应用
内容 v 6.1 概述 v 6.2离子注入原理 v 6.3注入离子在靶中的分布 v 6.4注入损伤 v 6.5退火 v 6.6离子注入设备与工艺 v 6.7离子注入的其它应用
61概述 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,掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定,掺杂浓度由注入杂 质离子的数目(剂量)决定 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 冷注入材料表层(靶)以 改变这种材料表层的物 理或化学性质 lon Implantation
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,掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂 质离子的数目(剂量)决定 离子注入的基本过程 v 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 v 在强电场中加速，获得 较高的动能 v 注入材料表层（靶）以 改变这种材料表层的物 理或化学性质 6.1 概述
离子注入特点 各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量(1011-1017 cm2)和能量(5-500keV)来达到均匀性及重复性很好 同一平面上杂质掺杂分布非常均匀(±1% variation across an8 wafer) 非平衡过程,不受固溶度限制,可做到浅结低浓度或深结高浓度 注入元素通过质量分析器选取,纯度高,能量单 低温过程(因此可用多种材料作掩膜,如金属、光刻胶、介质); 避免了高温过程引起的热扩散;易于实现对化合物半导体的掺杂(高 温热扩散时化合物组分会变化); 横向效应比气固相扩散小得多,有利于器件尺寸的缩小 离子注入通过Si表面上的薄膜注入到Si中,防止了污染,自由度大 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
离子注入特点 Ø 各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量（1011-1017 cm-2）和能量（5-500 keV）来达到,均匀性及重复性很好 Ø 同一平面上杂质掺杂分布非常均匀（±1% variation across an 8’’ wafer） Ø 非平衡过程，不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度 Ø 注入元素通过质量分析器选取，纯度高，能量单一 Ø 低温过程（因此可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质）； 避免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂(高 温热扩散时化合物组分会变化)； Ø 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小 Ø 离子注入通过Si表面上的薄膜注入到Si中，防止了污染，自由度大 v 会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进 v 设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机） v 有不安全因素，如高压、有毒气体
Advantages of lon Implantation 1.Precise Control of Dopant Concentration 2. Good Dopant Uniformity 3.Good Control of Dopant Penetration Depth 4. Produces a pure beam of lons 5. LoW Temperature Processing 6. Ability to Implant Dopants Through Films 7. No Solid Solubility Limit
Advantages of Ion Implantation 1.Precise Control of Dopant Concentration 2.Good Dopant Uniformity 3.Good Control of Dopant Penetration Depth 4.Produces a Pure Beam of Ions 5.Low Temperature Processing 6.Ability to Implant Dopants Through Films 7.No Solid Solubility Limit
As w Si 离子注入过程是一个非平衡过程,高能离子进入 靶后不断与原子核及其核外电子碰撞,逐步损失 能量,最后停下来。停下来的位置是随机的,大 部分不在晶格上,因而没有电活性
离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入 靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失 能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大 部分不在晶格上，因而没有电活性
6.2离子注入原理 621与注入离子分布相关的几个概念 R:射程( range)离子在靶内的总路 线长度 入射离子 Xn:投影射程( projected range)R在 入射方向上的投影 (a)低能离子 射程分布: 平均投影射程Rn 入射离子 标准偏差△R 横向标准偏差△R1 (b)高能离子
R：射程（range） 离子在靶内的总路 线长度 Xp：投影射程（projected range） R在 入射方向上的投影 射程分布： 平均投影射程Rp， 标准偏差Rp， 横向标准偏差R 6.2离子注入原理 6.2.1与注入离子分布相关的几个概念
离子浓度(对数坐标) 真空 RI n(Rp)h--- 高斯分布 0.6n(RP) R 离子束 Rp 离子束 (a)离子注入射程R及投影射程R示意图 (b)注入离子的二维分布 △Rn;标准偏差( Straggling),任何一个注入离子在靶内所受到的碰撞 是一个随机过程。相同质量且相同初始能量的离子有一空间分布,投影射程的统计 涨落称为投影偏差(标准偏差),即投影射程的平均偏差 △R1:横向标准偏差( Traverse straggling),垂直于入射方向 平面上的标准偏差
Rp：标准偏差（Straggling），任何一个注入离子在靶内所受到的碰撞 是一个随机过程。相同质量且相同初始能量的离子有一空间分布，投影射程的统计 涨落称为投影偏差（标准偏差）,即投影射程的平均偏差 R：横向标准偏差（Traverse straggling）, 垂直于入射方向 平面上的标准偏差
6.2.2高子注入相关理论基础 (LSS理论) LSS理论—对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究 1963年, Lindhard, Scharff and schio首先确 立了注入离子在靶内分布理论,简称LSS理论 该理论认为,注入离子在靶内的能量损失分为两 个彼此独立的过程 (1)核碰撞( nuclear stopping) (2)电子碰撞( electronic stopping) 阻止本领( stopping power):材料中注入离子 的能量损失大小
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究 v 1963年，Lindhard, Scharff and Schiott首先确 立了注入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论。 v 该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两 个彼此独立的过程 (1) 核碰撞（nuclear stopping） (2) 电子碰撞 （electronic stopping） v 阻止本领（stopping power）：材料中注入离子 的能量损失大小。 6.2.2 离子注入相关理论基础 （LSS理论）
核碰撞 ↓核碰撞:能量为E的 个注入离子与靶 碰撞参数 原子核碰撞,离子 P≤r1+r2 能量转移到原子核 上,结果将使离子 =二=-了 入射离子 改变运动方向,而 靶原子核可能离开 靶原子核 原位,成为间隙原 子核,或只是能量 核阻止本领 增加。 能量为E的注入离子在 dE 单位密度靶内运动单 dx 位长度时,损失给靶 原子核的能量
v 核碰撞：能量为E的 一个注入离子与靶 原子核碰撞，离子 能量转移到原子核 上，结果将使离子 改变运动方向，而 靶原子核可能离开 原位，成为间隙原 子核，或只是能量 增加。 n n dE S E dx 核阻止本领 能量为E的注入离子在 单位密度靶内运动单 位长度时，损失给靶 原子核的能量。 核碰撞 碰撞参数 p≤r1+r2