离子注入技术

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1、第6章离子注入田丽微电子工艺[5]内容6.1概述6.2离子注入原理6.3注入离子在靶中的分布6.4注入损伤6.5退火6.6离子注入设备与工艺6.7离子注入的其它应用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

2、-1017cm-2）和能量（5-500keV）来达到同一平面上杂质掺杂分布非常均匀（±1%variationacrossan8’’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，能量单一低温过程（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；横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小可防止玷污，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

3、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。R：射程（range）离子在靶内的总路线长度Xp：投影射程（projectedrange）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Rp：标准偏差（Straggling），投影射程的平均偏差R

4、：横向标准偏差（Traversestraggling）,垂直于入射方向平面上的标准偏差。LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究1963年，Lindhard,ScharffandSchiott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（nuclearstopping）(2)电子碰撞（electronicstopping）阻止本领（stoppingpower）：材料中注入离子的能量损失大小。6.2.2离子注入相关

5、理论基础（LSS理论）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。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核阻止本领M——质量Z——原子序数下标1——离子下标2——靶正面碰撞最大能量转移：忽略外围电子屏蔽作用，注入离子与靶内原子之间势函数：注入离子与靶内原子之间弹性碰撞能量损失率与离子能量的关系核碰撞托马斯•费米屏蔽函数最简

6、屏蔽函数电子屏蔽函数考虑电子屏蔽时离子与靶核之间相互作用势函数a——屏蔽参数电子碰撞电子碰撞指的是注入离子与靶内白由电子以及束缚电子之间的碰撞。注入离子和靶原子周围电子云通过库仑作用，使离子和电子碰撞失去能量，而束缚电子被激发或电离，自由电子发生移动。瞬时地形成电子-空穴对。电子阻止本领电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正比。离子速度-dE/dx：能量损失梯度E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量Sn(E)：核阻止本领Se(E)：电子阻止本领N:靶原子密度～51022cm-3forSiL

7、SS理论能量E的函数能量为E的入射粒子在密度为N的靶内走过x距离后损失的能量单位路程上注入离子由于核阻止（Sn(E)）和电子阻止(Se(E))所损失的能量，总能量损失为两者的和。As,P,B在硅中核、电子阻止本领与能量关系计算值6.2.3几种常用杂质在硅中的核阻止本领与能量关系低能区中能区高能区核阻止本领和电子阻止本领曲线(1)低能区：Sn(E)占主要地位，Se(E)可忽略(2)中能区：Sn(E)和Se(E)同等重要(3)高能区：Se(E)占主要地位，Sn(E)可忽略表面处晶格损伤较小射程终点（E

8、OR）处晶格损伤大核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）电子阻止本领在高能量下起主要作用EORdamageCourtesyAnn-ChatrinLindberg(March2002).6.3.1纵向分布注入离子在靶内受到的碰撞是随机的，所以杂质分布也是按几率分布的。离子进入非晶层（穿入距离）的分布接近高斯分布。ΔRp：投影射程的标准偏差ΔR⊥：横向离散6.3注入离子在靶中的分布能量损失与射程R设注入离子的初始能量为，从进入靶面到静止时所经过的总距离与投影射程和投影标准偏差