离子注入下讲义.ppt

* 第三章 离子注入 (下篇) ■ 概述 ■ 离子注入工艺设备及其原理 ■ 射程与入射离子的分布 ■ 实际的入射离子分布问题 ■ 注入损伤与退火 ■ 离子注入工艺的优势与限制 离子注入(Ion lmplantation) 参考资料： 《微电子制造科学原理与工程技术》第5章离子注入 (电子讲稿中出现的图号是该书中的图号) ■ 沟道效应 ■ 横向分布 ■ 复合靶注入 四、实际的入射离子分布问题 2、注入离子的横向分布 ■ 横向离散是离子在靶中行 进的重要效应之一。 ■ 当透过厚掩膜(掩膜厚度 Rp+△Rp)窗口进行注 入时，窗口边缘附近的离 子浓度服从余误差分布。 假设窗口宽度为2a， 当 时，有 窗口边缘处浓度为同等深度窗口 中心部位浓度的1／2。 横向效应示意图 ■ 注入离子的横向分布对于自对准源漏注入工艺是一个基 本限制因素。 决定器件的电学沟道长度 3、复合(双层)靶注入的分布 ■ 离子在两层靶中均为高斯分布 ■ 原子量M1靶：Rp1，?Rp1，dRp1 ■ 原子量M2靶：Rp2， ? Rp2 （1）M2靶中峰值浓度距表面距离 是离子在M1中未走完的射程百分数，乘以Rp2即为折合到M2中离子到达峰值还需走的距离 （2）界面(d)处浓度为： M1靶一侧 M2靶一侧 注意：此时离子浓度在 界面处是不连续的。 复合(双层)靶中杂质离子的分布示意图 五、注入损伤与退火 1、注入损伤的形成： 高能入射离子与靶原子核发生碰 撞时，使靶原子离开初始晶格位 置，并引发连续碰撞，引起大量 靶原子偏离晶格位置，产生空位 和填隙原子等晶格损伤。 2、注入损伤阈值剂量： 超过某一剂量注入后，形成完全 损伤，晶体的长程有序被破坏。 图5.13 常见硅中杂质使硅衬底非晶化的 临界注入剂量与衬底温度的关系 离子越轻，阈值剂量越高； 温度越高，阈值剂量越高。 3、注入损伤的分类： ■ 一次缺陷：注入过程引入的空位和填隙原子等点缺陷 ■ 二次缺陷：点缺陷重新组合形成扩展缺陷，如双空位、位 错环等 4、注入后的退火： ■ 消除晶格损伤，恢复晶格结构 ■ 将大部分注入离子移到晶格位置，使其具有电学活性(激活) （1）退火工艺： ■ 在N2中进行，时间一般在30～60分钟 ■ 退火温度一般要求在850℃～1000℃ 图5.1 5 几种等时退火条件下，硅中注入硼离子的激活百分比 （2）硼的退火效应 ■ 低温下，载流子浓度受点缺 陷密度控制 ■ 退火温度上升，点缺陷消除， 自由载流子浓度提高 ■ 500～600℃时，点缺陷扩散 率提高，聚集成团，形成扩 展缺陷 ■ 高温下，扩展缺陷被消除， 激活的载流子浓度接近注入 浓度。 ■ 以下层晶格结构为样板重新生长晶体，此时，靶的本体原子 与注入杂质同时进入新生长的晶格结构中。 ■ 非晶层的SPE过程可在600℃下完成，此时可使非晶层中 的杂质被激活 ■ 非晶层SPE再生长的问题是残余缺陷(扩展缺陷)，需要 进行高温退火来减轻(不能完全消除)，同时高温退火也 可使非晶层外的注入杂质激活。 ■ 为避免高温退火带来的杂质扩散，一般先进行一个低温退 火来消除点缺陷。 （3）非晶层的退火过程：固相外延(Solid Phase Epitaxy) 图5.16 100Kev，不同剂量砷注入硅中的损伤密度分布 由于非晶层可能是埋层结构，因此，SPE过程有可能从非 晶层的两个界面开始，两个外延面相交时，可能产生缺陷。 图5.17 不同剂量磷注入的等时退 火效果与退火温度的关系 在非晶化条件下， 550℃下大部分杂 质已被激活 （4） 瞬时退火效应： 注入损伤造成高浓度自填隙原子和空位等缺陷，因此使杂质 原子的扩散异常增强，从而使退火后杂质的再分布现象严重。 不同温度下退火的硼原子浓度分布图 高温退火时出现的异常扩散 *