第4章离子注入_6.pdf

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1、第第四四章章离离子子注注入入4.14.1 离子注入装置离子注入装置4.1.14.1.1 离子注入技术简介离子注入技术简介离子注入：将某种元素的原子进行电离，离子注入：将某种元素的原子进行电离，并使其在电场中进行加速，获得一定的并使其在电场中进行加速，获得一定的速度后射入固体材料表面，以改变这种速度后射入固体材料表面，以改变这种材料表面的物理或化学性能的一种技术。材料表面的物理或化学性能的一种技术。但是，由于当时对高速离子轰击所造成的但是，由于当时对高速离子轰击所造成的晶格缺陷缺乏认识，另外热扩散技术在半晶格缺陷缺乏认识，另外热扩散技术在半导体制造工艺方面获得了很大的成功，所导体制造工艺方面获得

2、了很大的成功，所以人们的兴趣都转向热扩散法，致使离子以人们的兴趣都转向热扩散法，致使离子注入技术的发展在一段时间内受到一定的注入技术的发展在一段时间内受到一定的阻碍。随着对电子器件性能要求的提高、阻碍。随着对电子器件性能要求的提高、热扩散法一些弱点的暴露，因而人们再次热扩散法一些弱点的暴露，因而人们再次注意到离子注入。六十年代得到迅速发展。注意到离子注入。六十年代得到迅速发展。本章内容本章内容4.14.1 离子注入装置离子注入装置4.24.2 注入离子的射程分布注入离子的射程分布4.34.3 离子注入的损伤和退火效应离子注入的损伤和退火效应4.44.4 离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应4.

3、54.5 离子注入在离子注入在MOS ICMOS IC中的应用中的应用19521952年美国贝尔实验室利用年美国贝尔实验室利用20-3020-30kevkev 的氢离子，轰击温度为的氢离子，轰击温度为300-400300-400的的硅单晶片，结果改善了接触型二极管的硅单晶片，结果改善了接触型二极管的特性，做出了具有短波长响应的太阳能特性，做出了具有短波长响应的太阳能电池。电池。19541954年又提出了用离子注入法制年又提出了用离子注入法制作作P-NP-N结的专利，并预计到采用这种方结的专利，并预计到采用这种方法制作基区很薄的高频晶体管。法制作基区很薄的高频晶体管。离子注入与热扩散法离子注入与

4、热扩散法离子注入与热扩散法离子注入与热扩散法离子注入可以通过分别调节注入离子离子注入可以通过分别调节注入离子的能量、数量，精确地控制掺杂的深度和的能量、数量，精确地控制掺杂的深度和浓度，所以可以制备理想的杂质分布。浓度，所以可以制备理想的杂质分布。热扩散法对于这两个量都不能独立控热扩散法对于这两个量都不能独立控制，特别是浅结制作中，热扩散是很难实制，特别是浅结制作中，热扩散是很难实现的，而离子注入则可以保证掺杂的精确现的，而离子注入则可以保证掺杂的精确性和重复性，片内的掺杂均匀性可以控制性和重复性，片内的掺杂均匀性可以控制在在3%3%以内，片与片之间的均匀性也能达以内，片与片之间的均匀性也能达

5、到到5%5%以内。以内。离子注入法可以做到高纯度的掺杂，避离子注入法可以做到高纯度的掺杂，避免有害物质进入硅片。免有害物质进入硅片。热扩散时只能采用热扩散时只能采用SiOSiO2 2等少数耐高温的等少数耐高温的介质进行局部掺杂，但是离子注入法可以介质进行局部掺杂，但是离子注入法可以采用光刻胶作为掩蔽膜，进行局部注入掺采用光刻胶作为掩蔽膜，进行局部注入掺杂。杂。4.1.24.1.2 离子注入机主要技术指标离子注入机主要技术指标按能量分按能量分低能注入机：低能注入机：100 kev100 kev 以下以下中能注入机：中能注入机： 100100 300 kev300 kev高能注入机：高能注入机：

6、300 kev300 kev 以上以上按束流分按束流分中束流注入机：中束流注入机：1 mA1 mA以下以下大束流注入机：大束流注入机：1 mA1 mA以上以上扩散法掺杂时受到化学结合力、扩散系扩散法掺杂时受到化学结合力、扩散系数及固溶度等方面的限制，而离子注入是数及固溶度等方面的限制，而离子注入是一个物理过程，所以它可以注入各种元素。一个物理过程，所以它可以注入各种元素。扩散法是在高温下掺杂，离子注入法掺扩散法是在高温下掺杂，离子注入法掺杂可以在高温下进行，也可以在室温下或杂可以在高温下进行，也可以在室温下或低温下进行，这样可以减少高温过程对器低温下进行，这样可以减少高温过程对器件产生的不良影

7、响。件产生的不良影响。热扩散时，杂质在纵向扩散的同时进行热扩散时，杂质在纵向扩散的同时进行横向扩散，两者几乎一样，而离子注入的横向扩散，两者几乎一样，而离子注入的横向扩散很小。横向扩散很小。掩蔽层掩蔽层SiSi扩散区扩散区SiSi注入法注入法扩散法扩散法其它技术指标其它技术指标扫描范围扫描范围元素质量数元素质量数质量分辨率质量分辨率最大出片量最大出片量注入均匀性注入均匀性（片内剂量均匀性和片间与批间均匀性）（片内剂量均匀性和片间与批间均匀性）4.1.34.1.3 离子注入机主要部件离子注入机主要部件离子源离子源质量分析器质量分析器加速管加速管扫描部件扫描部件聚焦系统聚焦系统注入靶室注入靶室真空

8、系统真空系统电流积分仪电流积分仪离子源离子源把注入元素的原子电离成为离子，并把注入元素的原子电离成为离子，并在吸极电压的作用下形成离子流，从离子在吸极电压的作用下形成离子流，从离子源引出，形成离子束。源引出，形成离子束。根据结构不同，离子源的种类有尼尔根据结构不同，离子源的种类有尼尔逊源、中空阴极源、潘宁源、双等离子源、逊源、中空阴极源、潘宁源、双等离子源、弗利曼源等。弗利曼源等。加速管加速管聚焦系统聚焦系统质量分析器质量分析器XYXY扫描板扫描板硅片硅片真空泵真空泵可变狭缝可变狭缝中性束偏转板中性束偏转板离子源离子源法拉第杯法拉第杯灯丝灯丝起弧室起弧室离子流离子流离子源离子源磁铁磁铁加速加速

9、电极电极气瓶气瓶加速加速电源电源灯丝灯丝电源电源350D350D注入机注入机离子源离子源质量分析器质量分析器从离子源引出的离子束里包含几种甚从离子源引出的离子束里包含几种甚至十几种元素，但是需要注入的只是某一至十几种元素，但是需要注入的只是某一种特定元素的离子，所以需要质量分析器种特定元素的离子，所以需要质量分析器把该特定元素分选出来。离子注入机中采把该特定元素分选出来。离子注入机中采用磁分析器和正交电磁场分析器两种。用磁分析器和正交电磁场分析器两种。磁分析器磁分析器可变狭缝可变狭缝v v一个质量数为一个质量数为MM的正离子，以速度的正离子，以速度v v垂直于磁力垂直于磁力线的方向进入磁场，受

10、洛伦茨力的作用，在磁场中作线的方向进入磁场，受洛伦茨力的作用，在磁场中作匀速圆周运动的半径为匀速圆周运动的半径为R R。正交电磁场分析器正交电磁场分析器电磁场的磁极电磁场的磁极平行平板电极平行平板电极当离子束垂直进入均匀的正交电磁场时，将同时当离子束垂直进入均匀的正交电磁场时，将同时受到电场力和洛伦茨力的作用，这两个力的方向正好受到电场力和洛伦茨力的作用，这两个力的方向正好相反，只有在某个质量为相反，只有在某个质量为MM的离子在分析器中所受的的离子在分析器中所受的电场力和洛伦茨力的数值相等时，不发生偏转而到达电场力和洛伦茨力的数值相等时，不发生偏转而到达靶室，大于或小于靶室，大于或小于MM的离

11、子则被偏转掉。的离子则被偏转掉。如果加速管的两端间加的电压差是如果加速管的两端间加的电压差是V V ，则离子通过加速管所获得的能量为：则离子通过加速管所获得的能量为：E=ZE=ZV V（4-34-3）一个电子受到一个电子受到1 1伏的电压差的加速获得的伏的电压差的加速获得的能量是：能量是：1ev=1.61ev=1.61010-12-12尔格尔格对于对于ICIC制造中的离子注入，根据不同的工制造中的离子注入，根据不同的工艺，能量范围从几十艺，能量范围从几十kevkev到几百到几百kevkev。一个质量数为一个质量数为MM的正离子，以速的正离子，以速度度v v垂直于磁力线的方向进入磁场，受垂直于磁

12、力线的方向进入磁场，受洛伦茨力的作用，在磁场中作匀速圆洛伦茨力的作用，在磁场中作匀速圆周运动的半径周运动的半径R R（cmcm）为：）为：R =1.44MV（4-14-1）B102Z其中：其中：V V 为电压（伏特），为电压（伏特），Z Z 为离子的为离子的电荷数，电荷数，B B 是磁场强度（特）。是磁场强度（特）。加速管加速管加速管的作用是让离子获得能量，最加速管的作用是让离子获得能量，最常用的方式是通过静电场加速。常用的方式是通过静电场加速。如果离子所带的电荷是：如果离子所带的电荷是：q=Zeq=Ze（4-24-2）其中其中 e e 是一个电子的电荷量是一个电子的电荷量Z Z是离子的电荷数

13、是离子的电荷数N NN N阱阱阱阱CMOSCMOSCMOSCMOS工艺中的离子注入工艺中的离子注入工艺中的离子注入工艺中的离子注入N N 阱阱 注注 入入P P+ +：100100 Kev 6 E12Kev 6 E12场场 区区 注注 入入B B+ +：50 Kev 2.5 E1350 Kev 2.5 E13V VTNTN调整注入调整注入P P+ +：180 Kev 6 E11180 Kev 6 E11B B+ +：33 Kev 2 E1233 Kev 2 E12N N注注 入入P P+ +：45 Kev 2 E1345 Kev 2 E13P P注注 入入BFBF2 2+ +：40 Kev 2

14、 E1340 Kev 2 E13N N+ +注注 入入AsAs+ +：100 Kev 5 E15100 Kev 5 E15P P+ +注注 入入B B+ +：33 Kev 2.5 E1533 Kev 2.5 E15扫描部件扫描部件聚焦后的离子束束斑只有几毫米的直聚焦后的离子束束斑只有几毫米的直径，要均匀地在整个硅片上进行注入，必径，要均匀地在整个硅片上进行注入，必须采用扫描的方式。扫描方式有静电扫描、须采用扫描的方式。扫描方式有静电扫描、机械扫描和混合扫描三种。机械扫描和混合扫描三种。现在常用的是静电扫描和混合扫描。现在常用的是静电扫描和混合扫描。混合扫描混合扫描-1-1旋转旋转垂直方向电扫描

15、，水平方向机械扫描垂直方向电扫描，水平方向机械扫描聚焦系统聚焦系统离子从离子源到靶室中的硅片，一般离子从离子源到靶室中的硅片，一般要飞行几米到几十米的距离。为了减少离要飞行几米到几十米的距离。为了减少离子在行进中的损失，必须要对离子进行聚子在行进中的损失，必须要对离子进行聚焦，最常用的有静电四极透镜和磁四极透焦，最常用的有静电四极透镜和磁四极透镜。聚焦后的离子束到达硅片的束斑要尽镜。聚焦后的离子束到达硅片的束斑要尽可能小，一般直径为几毫米。可能小，一般直径为几毫米。静电扫描静电扫描扫描范围扫描范围X X方向扫描方向扫描Y Y方向扫描方向扫描静电扫描一般采用三角波电源，为了静电扫描一般采用三角波

16、电源，为了避免扫描线重合，两个方向扫描的三角波避免扫描线重合，两个方向扫描的三角波频率不能成整数倍。频率不能成整数倍。混合扫描混合扫描-2-2旋转旋转水平扫描板水平扫描板水平方向电扫描，垂直方向机械扫描。水平方向电扫描，垂直方向机械扫描。离子注入均匀性的控制离子注入均匀性的控制离子注入均匀性的控制离子注入均匀性的控制检查离子注入的质量最主要的技术指检查离子注入的质量最主要的技术指标是注入剂量，其次是均匀性。标是注入剂量，其次是均匀性。注入的均匀性是离子注入机的一项综注入的均匀性是离子注入机的一项综合性指标，它有多方面的因素所决定，如合性指标，它有多方面的因素所决定，如离子源的稳定性、高压电源及

17、磁分析器电离子源的稳定性、高压电源及磁分析器电源的稳定性都有所影响，但主要因素是沟源的稳定性都有所影响，但主要因素是沟道效应、扫描和中性粒子束的影响。道效应、扫描和中性粒子束的影响。混合扫描混合扫描-1-1旋转旋转在水平方向机械扫描的系统中，当转盘以角速度在水平方向机械扫描的系统中，当转盘以角速度旋转时，硅片左右两边边缘速度旋转时，硅片左右两边边缘速度V V。于是造成边缘与中心的注入剂量有差别。于是造成边缘与中心的注入剂量有差别。2 2显然大于硅片中心的显然大于硅片中心的速度速度V V1 1旋转旋转水平扫描板水平扫描板在水平方向电扫描的系统中，当转盘以角速度旋转时，在水平方向电扫描的系统中，当

18、转盘以角速度旋转时，远离转盘圆心的硅片边缘速度显然大于靠近转盘圆心的远离转盘圆心的硅片边缘速度显然大于靠近转盘圆心的硅片边缘的速度，于是造成硅片中注入剂量有差别。硅片边缘的速度，于是造成硅片中注入剂量有差别。扫描电源一般使用锯齿波或三角波，扫描电源一般使用锯齿波或三角波，多数采用三角波。波形的线性度、机械扫多数采用三角波。波形的线性度、机械扫描的速度均匀性等都会影响注入的均匀性。描的速度均匀性等都会影响注入的均匀性。有些功能在硅片尺寸小的时候影响不大，有些功能在硅片尺寸小的时候影响不大，在硅片尺寸越来越大后就将影响其注入的在硅片尺寸越来越大后就将影响其注入的均匀性。均匀性。硅片硅片束流束流V

19、VV V2 21 1在静电扫描中，在静电扫描中，扫描偏转板扫描偏转板即使扫描电源的三即使扫描电源的三角波线性度很好，角波线性度很好，束流的入射方向与束流的入射方向与硅片表面的法线之硅片表面的法线之间的角度变化，也间的角度变化，也会造成硅片中心与会造成硅片中心与硅片硅片边缘之间的注入剂边缘之间的注入剂1 12 2量有差别，如图所量有差别，如图所示，显然示，显然2 21 1。假设注入时束流的入射方向同硅片的法线假设注入时束流的入射方向同硅片的法线之间有一个很大的夹角，则在大尺寸硅片的边之间有一个很大的夹角，则在大尺寸硅片的边缘，有可能不但会出现注入剂量不均匀，而且缘，有可能不但会出现注入剂量不均匀

20、，而且会出现注入的源漏区偏离栅区，如下图所示：会出现注入的源漏区偏离栅区，如下图所示：硅片边缘硅片边缘的注入情况的注入情况VARIANVARIAN公司的公司的SCH-80SCH-80200mm200mm和和300mm300mm大束流注入机大束流注入机中性束造成的注入不均匀性中性束造成的注入不均匀性带正电的离子束从质量分析器出来到带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，要经过加速、聚焦、硅片表面的过程中，要经过加速、聚焦、扫描等很长距离，这些带电粒子将同真空扫描等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中的残余气体分子发生碰撞，其中部系统中的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合

21、，成为中性的粒分带电离子会同电子结合，成为中性的粒子。子。磁分析器磁分析器硅片升降装置硅片升降装置静电反射板静电反射板加速管加速管狭缝狭缝离子源磁铁离子源磁铁离子源离子源透镜磁铁透镜磁铁后台后台VARIANVARIAN公司的公司的EXTRION 500EXTRION 500高能、中束流注入机高能、中束流注入机硅片硅片硅片上下硅片上下匀速运动匀速运动线形束流线形束流如果硅片作上下匀速运动的情况下，束流如果硅片作上下匀速运动的情况下，束流以一条平行于硅片的线条方式射向硅片，以一条平行于硅片的线条方式射向硅片，则在整个硅片上得到完全一致的离子注入。则在整个硅片上得到完全一致的离子注入。对于在进入扫描

22、系统以前已经成为中对于在进入扫描系统以前已经成为中性的粒子，扫描电场对它已不起作用。由性的粒子，扫描电场对它已不起作用。由于它是中性的，计算注入离子数量的电荷于它是中性的，计算注入离子数量的电荷积分仪也不能检测到，所以这些中性粒子积分仪也不能检测到，所以这些中性粒子进入硅片后就将造成局部区域的浓度比其进入硅片后就将造成局部区域的浓度比其它地方高。它地方高。解决的办法是让中性粒子不要打到硅解决的办法是让中性粒子不要打到硅片上。所以在扫描板上加一个直流电场，片上。所以在扫描板上加一个直流电场，把离子偏转一个角度后注入到硅片。把离子偏转一个角度后注入到硅片。没有偏转的中性束粒子继续向前没有偏转的中性

23、束粒子继续向前扫描范围扫描范围X X方向扫描板方向扫描板+ +- -Y Y方向扫描板方向扫描板中性束偏转板中性束偏转板进片进片进进 片片 盒盒真空锁真空锁待注硅片待注硅片出出 片片 盒盒出片出片真空锁真空锁已注硅片已注硅片VarianVarian公司的公司的DF-4DF-4离子注入机的后台离子注入机的后台10-8010-80大束流注入机大束流注入机靶靶室室VarianVarian 公司公司DF-4DF-4注入机后台注入机后台VARIANVARIAN公司公司350D350D离子注入机外形离子注入机外形真空系统真空系统离子束要在真空系统中进行传输，否则离子会离子束要在真空系统中进行传输，否则离子会

24、和空气的气体分子发生碰撞而被散射或中和掉。系和空气的气体分子发生碰撞而被散射或中和掉。系统的真空度至少要优于统的真空度至少要优于1 11010-5-5乇（毫米水银柱），乇（毫米水银柱），注入靶室的真空度要求优于注入靶室的真空度要求优于1 11010-6-6乇（毫米水银乇（毫米水银柱）。为了避免沾污硅片，一般使用涡轮分子泵或柱）。为了避免沾污硅片，一般使用涡轮分子泵或冷凝泵等无油泵，如果采用扩散泵，最好要有液氮冷凝泵等无油泵，如果采用扩散泵，最好要有液氮冷阱以防止油蒸汽进入真空系统中去。冷阱以防止油蒸汽进入真空系统中去。一般离子注入机有两、三套真空机组，如离子一般离子注入机有两、三套真空机组，如

25、离子源、中间管路部分和后台靶室各有一套真空机组。源、中间管路部分和后台靶室各有一套真空机组。电流积分仪电流积分仪在离子注入机中，利用电流积分仪测量在离子注入机中，利用电流积分仪测量注入的离子总数。注入的离子总数。N = NQ1tSS =q=q（4-44-4）0idt式中：式中：N NS S单位面积的注入剂量（个单位面积的注入剂量（个/cm/cm2 2），），S S 是扫描是扫描面积（面积（cmcm2 2），），q q 是一个离子的电荷（是一个离子的电荷（1.61.61010-19-19库仑），库仑），Q Q 是注入到靶中的总电荷量（库仑），是注入到靶中的总电荷量（库仑），I I 是注入的束流是

26、注入的束流（安培），（安培），t t 是注入时间（秒）。是注入时间（秒）。例题：如果注入剂量是例题：如果注入剂量是5 510101515，束流，束流1mA1mA，求注入一片，求注入一片6 6英寸硅片的时间英寸硅片的时间根据公式根据公式（4-64-6）t =qNSSIt=t=（1.61.61010-19-195 510101515 3.143.147.57.52 2）/ /1 1 1010-3-3=141=141秒秒离子同核相碰，因两者的质量往往是离子同核相碰，因两者的质量往往是一个量级，一次碰撞可以损失较多能量，一个量级，一次碰撞可以损失较多能量，且可能发生大角度散射，使靶原子核离开且可能发生

27、大角度散射，使靶原子核离开原来的晶格位置。离开晶格的靶原子核变原来的晶格位置。离开晶格的靶原子核变成一个新离子，还可以继续碰撞另外一个成一个新离子，还可以继续碰撞另外一个原子核，使一系列核离开晶格位置，造成原子核，使一系列核离开晶格位置，造成晶体损伤。当剂量很高时，可以使单晶硅晶体损伤。当剂量很高时，可以使单晶硅严重损伤以至变成无定形硅。严重损伤以至变成无定形硅。如果束流是稳定的电流如果束流是稳定的电流I I，则：，则：NSS =Itq（4-54-5）t =qNSSI（4-64-6）其中：其中：N NS S单位面积的注入剂量（个单位面积的注入剂量（个/cm/cm2 2），），S S是扫描面积（

28、是扫描面积（cmcm2 2），），q q 是一个离子的电荷是一个离子的电荷（1.61.61010-19-19库仑），库仑），I I 是注入的束流（安培），是注入的束流（安培），t t 是注入时间（秒）。是注入时间（秒）。4.24.2 注入离子的射程分布注入离子的射程分布固体由原子核和电子组成，高能离子固体由原子核和电子组成，高能离子射入固体（俗称：靶）后将同原子核及其射入固体（俗称：靶）后将同原子核及其核外电子发生碰撞。核外电子发生碰撞。离子和核外电子碰撞，使原子电离或离子和核外电子碰撞，使原子电离或激发，由于离子质量比电子质量大很多，激发，由于离子质量比电子质量大很多，每次碰撞离子能量损失很

29、少，且是小角度每次碰撞离子能量损失很少，且是小角度散射。散射方向是随机的，多次散射的结散射。散射方向是随机的，多次散射的结果，离子运动方向基本不变。果，离子运动方向基本不变。离子在同靶中的电子和原子核多次碰离子在同靶中的电子和原子核多次碰撞后，逐步损失能量，最后在靶中某一点撞后，逐步损失能量，最后在靶中某一点停止下来。对于每一个单独的离子来说，停止下来。对于每一个单独的离子来说，停下来的位置是随机的，但是大量离子碰停下来的位置是随机的，但是大量离子碰撞后停下来的位置，还是有规律的。有很撞后停下来的位置，还是有规律的。有很多科学家对于离子注入后的杂质分布做了多科学家对于离子注入后的杂质分布做了深

30、入的研究，其中最有名的也是最成功的深入的研究，其中最有名的也是最成功的是是LSSLSS理论。它是理论。它是LinhardLinhard、ScharffScharff和和SchiottSchiott三人首先确立的。三人首先确立的。射程、投影射程及标准偏差射程、投影射程及标准偏差射程、投影射程及标准偏差射程、投影射程及标准偏差LSSLSS理论研究的对象是非晶靶，对于单理论研究的对象是非晶靶，对于单晶硅材料，如果注入的时候偏离晶体的主晶硅材料，如果注入的时候偏离晶体的主轴的话，可以把它假设为是非晶靶。轴的话，可以把它假设为是非晶靶。在工艺制造中，关注的是杂质在靶中在工艺制造中，关注的是杂质在靶中的分

31、布情况。的分布情况。平均投影射程平均投影射程R RP P虽然入射到靶内的是同一种离子，具虽然入射到靶内的是同一种离子，具有的能量也相同，但是各个入射离子进入有的能量也相同，但是各个入射离子进入靶后所经历的碰撞过程是一个随机过程，靶后所经历的碰撞过程是一个随机过程，所以各个离子的射程和投影射程不一定相所以各个离子的射程和投影射程不一定相同。大量入射离子投影射程的统计平均值同。大量入射离子投影射程的统计平均值称作平均投影射程，用称作平均投影射程，用R RP P表示。表示。杂质浓度分布杂质浓度分布根据根据LSSLSS射程分布的理论，离子注入非射程分布的理论，离子注入非晶靶后的杂质浓度以高斯函数的形式

32、分布。晶靶后的杂质浓度以高斯函数的形式分布。N(x(x2pRp)p) = Nmaxexp2(R（4-84-8）p)2R Rp p：标准偏差：标准偏差R RP P：平均投影射程：平均投影射程x xp p：投影射程：投影射程N Nmaxmax：峰值处的离子浓度：峰值处的离子浓度N N( (x xp p) )：表示距靶表面深度为：表示距靶表面深度为x xp p处的注入离子浓度处的注入离子浓度射程射程R R投影射程投影射程x xp pSiSi射程射程R R: : 离子从进入靶起到停止点所通过离子从进入靶起到停止点所通过的总路程叫射程。的总路程叫射程。投影射程投影射程x xp p: : 射程在离子入射方

33、向的投影长度射程在离子入射方向的投影长度称作投影射程。称作投影射程。标准偏差标准偏差R Rp p各个入射离子的投影射程各个入射离子的投影射程 x xp p分分散地分布在平均投影射程散地分布在平均投影射程 R RP P周围，周围，用标准偏差用标准偏差R Rp p表示表示 x xp p的分散情况。的分散情况。R1/2p= (x2pRp)（4-74-7）离子注入的参数示意图离子注入的参数示意图平均投影射程平均投影射程R RP PN Nmaxmax：峰值处的离子浓度：峰值处的离子浓度R R标准偏差标准偏差p p200 kev200 kev 注入离子在靶中的高斯分布图注入离子在靶中的高斯分布图如果把杂质

34、浓度分布公式对如果把杂质浓度分布公式对xp积分，就得到单位面积的表面层中诸积分，就得到单位面积的表面层中诸如的总离子数，即注入剂量如的总离子数，即注入剂量NSNS=0N(xp)dxp=Nexp1(xp Rp02)R2maxdxpp（4-94-9）注入离子在靶中的分布，同靶的材料、注入离子在靶中的分布，同靶的材料、注入离子的种类、注入的能量和剂量有关。注入离子的种类、注入的能量和剂量有关。在实际应用中，根据在实际应用中，根据LSSLSS理论，已经把各理论，已经把各种离子在不同的能量下注入到硅、二氧化种离子在不同的能量下注入到硅、二氧化硅、氮化硅和砷化镓等常用材料中的平均硅、氮化硅和砷化镓等常用材

35、料中的平均投影射程投影射程R RP P和标准偏差和标准偏差R Rp p等数据做成数等数据做成数据库，需要时可以查表。据库，需要时可以查表。注入能量与注入深度的关系注入能量与注入深度的关系经变数变换和简化后，可以得经变数变换和简化后，可以得到注入剂量、标准偏差和峰值浓度到注入剂量、标准偏差和峰值浓度之间的近似关系：之间的近似关系：Nmax0.4NS（4-104-10）Rp能量（能量（KevKev）20205050100100120120160160200200R RP P6626621608160829942994349634964432443252975297B BR Rp p28328350

36、4504710710766766854854921921 x x40940979379312031203132513251535153516871687R RP P25325360760712381238149714972019201925392539P PR Rp p119119256256456456528528659659775775 x x13913930430456056062762784084010101010R RP P15915932232258258268668689889811141114AsAsR Rp p595911811820720724124130830837437

37、4 x x6262122122210210245245312312378378例题：用例题：用80 Kev80 Kev 注入注入B B+ +，硅片的直径是，硅片的直径是75mm75mm，注入的束流是，注入的束流是1010A A ，注入时间，注入时间是是1010分钟，求：峰值的位置和浓度。分钟，求：峰值的位置和浓度。 解解 ：根据：根据LSSLSS理论，查表得理论，查表得峰值位置峰值位置R RP P= 246.5 nm= 246.5 nm根据公式根据公式（4-54-5）NItSS =qN=It=(10106)(6010)S= 8.491014cm2qS(1.61019)(47.52)注入能量与标

38、准偏差的关系注入能量与标准偏差的关系根据根据LSSLSS理论计算，射程的横向扩展理论计算，射程的横向扩展 x x比平均投影射程比平均投影射程R RP P小得多，这就是离子注入小得多，这就是离子注入法比热扩散法的优点之一。法比热扩散法的优点之一。能量（能量（KevKev）20205050100100120120160160200200R RP P6626621608160829942994349634964432443252975297B BR Rp p283283504504710710766766854854921921 x x40940979379312031203132513251535

39、153516871687R RP P25325360760712381238149714972019201925392539P PR Rp p119119256256456456528528659659775775 x x13913930430456056062762784084010101010R RP P15915932232258258268668689889811141114AsAsR Rp p5959118118207207241241308308374374 x x6262122122210210245245312312378378根据公式根据公式（4-104-10）N0.4NSm

40、axRpN=0.48.491014193max641108= 5.2810 cm射程的横向分量射程的横向分量射程射程R RX Xt t投影射程投影射程x xp pSiSi射程的横向分量射程的横向分量X X向的平面内投影长度称作向的平面内投影长度称作t t: : 射程在垂直于离子入射方射程在垂直于离子入射方射程的横向分量射程的横向分量。双层靶注入双层靶注入LSSLSS理论研究的是离子注入到单一材理论研究的是离子注入到单一材料的靶中，如：料的靶中，如：SiSi、 SiOSiO2 2、SiSi3 3N N4 4。由于。由于高能量的离子注入会损伤硅片表面的结构，高能量的离子注入会损伤硅片表面的结构，因

41、此在实际工艺中，常常在离子注入前生因此在实际工艺中，常常在离子注入前生长一层薄薄的长一层薄薄的SiOSiO2 2，这就要研究双层靶注，这就要研究双层靶注入时的杂质分布。入时的杂质分布。SiOSiO2 2SiSid d设双层靶由原子量分别为设双层靶由原子量分别为MM1 1及及MM2 2的的两种材料组成。相应的平均投影射程与标两种材料组成。相应的平均投影射程与标准偏差分别为准偏差分别为R RP1P1、R RP2P2及及R Rp1p1、R Rp2p2，厚度为厚度为 d d 的的MM1 1覆盖在覆盖在MM2 2上，且上，且d dR RP1P1，则离子注入在纯则离子注入在纯MM1 1、MM2 2靶与复合

42、靶的浓靶与复合靶的浓度分布将如下图所示：度分布将如下图所示：峰值浓度距复合靶的距离为：峰值浓度距复合靶的距离为：Rp2= (1d（4-114-11）R)Rp2+ dp1在界面处，在界面处，MM1 1及及MM2 2两侧的离子浓度分别为：两侧的离子浓度分别为：N(d R2p1)）1(d) = (Nmax)1exp2R2（4-124-12p1Np2)22(d) =(Nmax)2exp(d R2R2（4-134-13）p2注入离子的激活注入离子的激活注入的离子在硅单晶中往往处于间注入的离子在硅单晶中往往处于间隙位置，一般不能提供导电性能，因此，隙位置，一般不能提供导电性能，因此，必须要使注入的杂质原子

43、转入替位位置必须要使注入的杂质原子转入替位位置以实现电激活。以实现电激活。在双层靶中的在双层靶中的在双层靶中的在双层靶中的注入离子浓度分布示意图注入离子浓度分布示意图注入离子浓度分布示意图注入离子浓度分布示意图）数数对对（度度浓浓质质杂杂MM1 1MM2 20R Rx x0R Rx x 0 x xp1p1p2p2d dRp2(a)(a)纯纯MM1 1靶靶(b)(b)纯纯MM2 2靶靶MM1 1、MM2 2复合靶复合靶从右图可知，离子浓度在从右图可知，离子浓度在MM1 1与与MM2 2的界面处是不连续的，的界面处是不连续的，峰值浓度在峰值浓度在MM2 2中。中。4.34.3 离子注入的损伤和退火

44、效应离子注入的损伤和退火效应对于原来原子排列有序的晶体，随着离子对于原来原子排列有序的晶体，随着离子注入的过程，在晶体中将大量产生缺陷，如空注入的过程，在晶体中将大量产生缺陷，如空位等。对于高能、大剂量的重离子，如位等。对于高能、大剂量的重离子，如A As s+ +，注入到单晶硅中，将使局部晶体变成非晶体。注入到单晶硅中，将使局部晶体变成非晶体。离子注入后的热退火离子注入后的热退火为了消除离子注入造成的损伤和激活为了消除离子注入造成的损伤和激活注入的杂质离子，离子注入后必须要进行注入的杂质离子，离子注入后必须要进行热退火。最常用的是在热退火。最常用的是在950950高温炉中在高温炉中在氮气保护

45、下，退火氮气保护下，退火1515 3030分钟。热退火后分钟。热退火后对杂质分布将产生影响，对杂质分布将产生影响，LSSLSS理论的射程理论的射程R RP P和标准偏差和标准偏差R Rp p要作修正。要作修正。由于高温长时间处理对杂质分布会产由于高温长时间处理对杂质分布会产生影响，所以对于浅结工艺，现在大都采生影响，所以对于浅结工艺，现在大都采用快速热退火的方式，如激光退火、电子用快速热退火的方式，如激光退火、电子束退火和红外退火等。束退火和红外退火等。4.44.4 离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应LSSLSS理论是以非晶靶作为研究对象。理论是以非晶靶作为研究对象。非晶靶中的原子排列是杂乱

46、无章的，故入非晶靶中的原子排列是杂乱无章的，故入射离子在靶中受到的碰撞过程是随机的，射离子在靶中受到的碰撞过程是随机的，另一方面，由于靶原子的排列是紊乱的，另一方面，由于靶原子的排列是紊乱的，靶对入射离子的阻止作用是各向同性的，靶对入射离子的阻止作用是各向同性的，所以一定能量的离子沿不同方向射入靶中所以一定能量的离子沿不同方向射入靶中将会得到相同的平均射程。将会得到相同的平均射程。如果沿如果沿 晶向观察硅晶体时如上图所示。可晶向观察硅晶体时如上图所示。可看到一些由原子列包围成的直通道，好像管道一样，看到一些由原子列包围成的直通道，好像管道一样，称作沟道。当离子沿此方向进入沟道时，其轨道不再称作

47、沟道。当离子沿此方向进入沟道时，其轨道不再是无规则的，而是在沟道中前进，称为是无规则的，而是在沟道中前进，称为 “ “沟道运动沟道运动” ”，离子沿沟道前进时，来自靶原子的阻止作用要小得多，离子沿沟道前进时，来自靶原子的阻止作用要小得多，因此射程也要大得多，这种现象称做因此射程也要大得多，这种现象称做“ “沟道效应沟道效应 ” ”。快快速速红红外外推推火火炉炉如果注入的靶是单晶硅一类的晶体如果注入的靶是单晶硅一类的晶体材料，原子是按一定规则周期地重复排材料，原子是按一定规则周期地重复排列成晶体点阵，而且晶体具有一定的对列成晶体点阵，而且晶体具有一定的对称性，因此靶对入射离子的阻止作用将称性，因

48、此靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，它与靶晶体取向有关。不是各向同性的，它与靶晶体取向有关。如果偏离如果偏离晶向晶向 8 8观察硅晶体，如上图所示。可观察硅晶体，如上图所示。可看到看到SiSi原子的排列相当紊乱，而且填塞得很紧密，因原子的排列相当紊乱，而且填塞得很紧密，因此离子沿此方向射入此离子沿此方向射入 SiSi晶体时，将和射入非晶靶中情晶体时，将和射入非晶靶中情形差不多，离子受到较大的阻止作用，不会发生沟道形差不多，离子受到较大的阻止作用，不会发生沟道效应。所以一般用于效应。所以一般用于 ICIC生产的离子注入机，都是让离生产的离子注入机，都是让离子注入方向同硅片的法线方向偏一个角

49、度，一般取子注入方向同硅片的法线方向偏一个角度，一般取 7 7。10104 4对准对准偏偏 2 2偏偏 8 8计计10103 3数数10102 210100 00.20.20.40.40.60.60.80.81.0m1.0m注入深度注入深度不同的注入角度，不同的注入角度，40 kev40 kev P P+31+31注入到硅中的浓度分布注入到硅中的浓度分布上式中：上式中：MS：金属对硅的功函数。：金属对硅的功函数。B：表面能带弯曲引起的总势垒。：表面能带弯曲引起的总势垒。Qox：氧化层电荷（包括界面态电荷、氧化：氧化层电荷（包括界面态电荷、氧化层中固定电荷和可动电荷）。层中固定电荷和可动电荷）。

50、QB：耗尽层中单位面积的电荷，通过离子耗尽层中单位面积的电荷，通过离子注入，改变耗尽层中的杂质浓度来调注入，改变耗尽层中的杂质浓度来调节节MOSMOS晶体管的开启电压。晶体管的开启电压。4.54.5 离子注入在离子注入在MOS ICMOS IC中的应用中的应用1. 1. 调节开启电压调节开启电压VTVT= MS+ QBoxQBCoxCox（4-114-11）2. 2. 通过注入不同的杂质离子，改变硅材通过注入不同的杂质离子，改变硅材料的性质，如从料的性质，如从 p p 型变成型变成 n n 型，从型，从 n n型变成型变成 p p 型。型。3. 3. 高浓度注入，形成欧姆接触。高浓度注入，形成