第四章离子注入精选文档.ppt

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1、第四章离子注入本讲稿第一页，共三十九页第四章 离子注入n定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。n应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。n特点:注入温度低:对Si，室温；对GaAs,Ene：Se(E)为主，则 Rk1E01/2 k1=2/ke 对非晶Si：ke1x103(eV)1/2m-1；对非晶AsGa：ke 3x103(eV)1/2m-1；注入离子初始能量E0 Ene：Sn(E)为主，且假设 Sn(E)=Sn0，则 Rk2E0本讲稿第十八页，共三十九页4.2 注入离子分布1.总射程Rn定义：注入离子在靶内走过的路径之和。nR与E的关系

2、：根据能量的总损失率，,则，式中，E0注入离子的初始能量。本讲稿第十九页，共三十九页4.2 注入离子分布2.投影射程XP：总射程R在离子入射方向（垂直靶片）的投影长度，即离子注入的有效深度。3.平均投影射程RP：投影射程XP的平均值 （离子注入深度的平均值），具有统计分布规律几率分布 函数。本讲稿第二十页，共三十九页4.2 注入离子分布4.标准偏差（投影偏差）RP 反映了RP的分散程度（分散宽度）。5.R,RP,RP间的近似关系 ,M1注入离子质量，M2靶原子质量本讲稿第二十一页，共三十九页4.2 注入离子分布4.2.1 注入离子纵向分布-高斯分布 注入离子在靶内不断损失能量，最后停止在某处；

3、注入离子按一定的统计规律分布。n求解注入离子的射程和离散微分方程，距靶表面为x(cm)处的浓度分布为 ，高斯函数 Nmax=0.4NS/RP峰值浓度（在RP处），NS注入剂量本讲稿第二十二页，共三十九页本讲稿第二十三页，共三十九页4.2 注入离子分布4.2.2 横向效应横向效应与注入 能量成正比；是结深的30 50；窗口边缘的离子 浓度是中心处的50；本讲稿第二十四页，共三十九页本讲稿第二十五页，共三十九页4.2 注入离子分布4.2.3 沟道效应(ion channeling)n非晶靶：对注入离子的 阻挡是各向同性；n单晶靶：对注入离子的 阻挡是各向异性；n沟道：在单晶靶的主晶 轴方向呈现一系

4、列平行 的通道，称为沟道。本讲稿第二十六页，共三十九页4.2 注入离子分布n沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射 程比非晶靶远的多。好处：结较深；晶格损伤小。不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。n减小沟道效应的途径 注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值-70；淀积非晶表面层（SiO2)；在表面制造损伤层；提高靶温；增大剂量。本讲稿第二十七页，共三十九页4.3 注入损伤n离子注入的碰撞：弹性碰撞和非弹性碰撞注入能量较高：与电子的非弹性碰撞为主；注入能量较低：与靶原子核的弹性碰撞为主。4.3.1 级联碰撞Ed:靶原子离开其平衡位置所需的最低能量。ET:碰撞后靶原子获得的能量。n若

5、ETEd：靶原子位移，留下空位；n若 ETEd：位移原子（反冲原子）再与靶原子碰撞，产生级联碰撞。本讲稿第二十八页，共三十九页4.3 注入损伤n4.3.2 晶格损伤轻注入离子：如，起始以电子碰撞为主；n重注入离子：如，起始以核碰撞为主。本讲稿第二十九页，共三十九页n损伤密度例1：B离子，E0=80keV，Rp=250nm;已知:Si晶格间距为0.25nm；初始S（E）=35eV/nm；则 ET=35X0.25=8.75eVEd=15eV，Si不位移；当能量衰减为E=40keV（进入约130nm）,S（E）=60eV/nm，则 ET=60X0.25=15eV=Ed，Si位移，且位移2.5nm/次

6、；设：每个晶面都有1个Si位移，则在B离子停止前，位移Si为 120nm/0.25nm=480 设：Si位移2.5nm,则损伤体积为 Vdam=（2.5nm)2(120nm)=2.4X10-18cm-3n损伤密度=480/Vdam=2X1020cm-3(占相应体积中所有原子的0.4%）本讲稿第三十页，共三十九页例2：As离子，E0=80keV，Rp=50nm，平均S（E）=1.2keV/nmn1个As共产生约4000个位移SinVdam=（2.5nm)2(50nm)=1X10-18cm-3n损伤密度=4000/Vdam=4X1021cm-3(占相应体积中所有原子的8%）本讲稿第三十一页，共三十

7、九页4.3 注入损伤4.3.3 非晶层的形成 随注入剂量的增加，原先相互隔离的损伤区发生重叠，最终形成长程无序的非晶层。n临界剂量形成非晶层所需的最小注入离子剂量；临界剂量与注入离子质量成反比。n靶温靶温越高，损伤越轻。本讲稿第三十二页，共三十九页4.4 热退火n离子注入所形成的损伤有：散射中心：使迁移率下降；缺陷中心：非平衡少子的寿命减少，漏电流增加；杂质不在晶格上：起不到施主或受主的作用。n退火目的：消除注入损伤，使注入离子与位移Si原子恢复正常的替位位置激活。n退火方法：热退火（传统退火）；快速退火。本讲稿第三十三页，共三十九页4.4 热退火n热退火机理：a.无定形层（非晶层）：通过固相

8、外延，使位移原子重构而有序化。无定形是晶体的亚稳态，这种固相外延可在较低温度下发生。b.非无定形层：高温下，原子振动能增大，因而 移动能力增强，可使复杂的损伤分解为简单的缺陷，如空位、间隙原子等。简单的缺陷能以较高的迁移率移动，相互靠近时，就可能复合而使缺陷消失。n退火工艺条件：温度；时间；方式（常规、快速）。本讲稿第三十四页，共三十九页4.4 热退火4.4.1 硅材料的热退火特性n退火机理：复杂的损伤分解为简单缺陷：空位、间隙原子；简单缺陷可因复合而消失；损伤由单晶区向非单晶区通过固相外延再生长得到恢复。n二次缺陷：简单缺陷重新组合，形成新的缺陷。n注入剂量与退火温度成正比。n载流子激活所需

9、温度：低于寿命和迁移率恢复所需温度 (杂质激活能小于Si扩散的激活能）。本讲稿第三十五页，共三十九页4.4 热退火n4.4.2 硼的退火特性n4.4.3 磷的退火特性n4.4.4 热退火过程的扩散效应n（以上请自学）本讲稿第三十六页，共三十九页4.4 热退火4.4.5 快速退火(RTA，rapid thermal annealing)n常规热退火的缺点 激活率an低；二次缺陷；导致明显的杂质再分布；硅片变形。nRTA机理：利用高功率密度的物质作用于晶片表面，使注入层在短时间内达到高温，以到消除损伤的目的。n特点：退火时间短（1011102秒）；注入杂质激活率高；对注入杂质分布影响小；衬底材料的电学参数基本不受影响；本讲稿第三十七页，共三十九页4.4.5 快速退火n种类a.脉冲激光：固液相外延退火机理。优点：功率密度高；激活率高。b.连续波激光：固固相外延退火机理。优点：杂质分布不受影响。缺点：能量转换率低（1）c.电子束：固液外延退火机理。优点：能量转换率高（50）。d.宽带非相干光源光源：卤素灯，电弧灯。优点：无干涉效应；生产效率高；设备简单。本讲稿第三十八页，共三十九页RTA和炉退火RTP退火炉退火本讲稿第三十九页，共三十九页