第四章 离子注入

射程参数


RNm1 m2 4a2
(m1 m2 )2
其中，m1，m2为注入离子和靶原子的质量，N是单位体积 内的原子数，a为屏蔽长度
a

0.88a0
( Z11/ 3

Z 2/3 2
)1/ 2
由此，导出核阻止能量损失曲线。P84图4.5
13
1、注入离子能量三个区域中的阻止机制
1）低能区：核阻止 2）中能区：核阻止、电子阻止 3）高能区：电子阻止
注入离子靶原子：形成间隙-空位缺陷； 间隙靶原子靶原子：在入射离子轨迹周围形成大量
间隙-空位缺陷。
因此，须消除衬底损伤，并使注入离子处于电激 活位置，以达到掺杂目的。
31
一、级联碰撞
1、几个概念
1) 注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程， 称为能量淀积过程。 弹性碰撞： 总动能守恒 注入离子能量低 非弹性碰撞：总动能不守恒 注入离子能量高 在集成电路制造中，注入离子的能量较低，弹性碰撞占 主要地位。
exp
1 2
y2

Y
2

z2 Z 2

(x Rp)2 R p 2

（4.21） 因入射靶材为各向同性的非晶材料，则在垂直入射方向的平
面内分布是对称的，即有
Y Z R 即Y方向、Z方向上的标准偏差 等于 横向离散 R 。
25
通过狭窄掩模窗口注入离子后的杂质分布情况
14
2、一级近似下的阻止机制
1)核阻止本领
S
0 n
与入射离子E能量无关；
2)电子阻止本领 Se (E)与速度成正比关系；
3)在EC处核阻止和电子阻止本领相等，不同的靶材料和不同的
注入离子, EC不同。 a)若E0>> EC，电子阻止
射程R k1E1/ 2 （4.13）s
Se (E)
S
0 n
b)若E0<< EC，核阻止
E0 Z1 m1
入射离子 p 碰撞参数
m1 E1 Z1
1
m1
m2 靶离子
2
E2
Z2
m2
二体弹性碰撞
8
碰撞参数p：运动球经过静止球附近而不被散射情况下，两 球之间的最近距离。 由上图可知，p≤R1+R2时，发生碰撞和能量转移。
当p＝0时，两球发生正面碰撞，此时传输能量最大，利用动 量守恒和动能守恒，可得
入射能量
20 40
注入硅中的离
子
60 80 100 120 140 160 180
B
RP 714 1413 2074 2695 3275 3802 4284 4745 5177
RP 276 443 562 653 726 713 855 910 959
P
RP 255 488 729 976 1228 1483 1740 1996 2256
表现为宏观热能 移位原子 移位原子，并引起其它原子移位
3) 与入射离子碰撞而发生移位的原子，称为第一级反冲原子。 与第一级反冲原子碰撞而移位的原子，称为第二级反冲 原子。这种不断碰撞的现象称为级联碰撞。
若级联碰撞密度不大：孤立的点缺陷； 若级联碰撞密度很高：非晶区。
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2、注入离子在硅衬底中产生的几类损伤
第四章 离子注入
所谓“离子注入”，简单地讲，就是先使待掺杂的 原子(或分子)电离，再加速到一定能量使之“注入” 到晶体中，然后经过退火使杂质激活，达到掺杂的 目的。
离子注入和扩散技术都是对半导体进行掺杂的方法， 但离子注入掺杂具有很好的可控性和灵活性，使它 成为一种重要的、不可缺少的掺杂工艺。例如，浅 结主要是依靠离子注入技术来完成的。
数，用
S
0 n
表示。
b）若电子屏蔽函数
f ( r ) exp( r )
a
a
即托马斯-费米屏蔽函数图4.3，离子损失能量与核阻止Sn (E)
的关系如图4.2。
由图可见，低能量时，核阻止 本领随能量的增加呈线性增加。 在某个中等能量达到最大值。 高能量时，快速运动的离子没 有足够的时间与靶原子进行有 效的能量交换，核阻止本领变 小。
2）远距离情况：需考虑电子屏蔽作用。靶原子外围绕着电 子，正的核势能受到部分屏蔽，不能全部作用于注入离子。 利用屏蔽函数对势函数进行修正。
V (r) q2Z1Z2 f ( r )
r
a
式中，f(r/a)是电子屏蔽函数，a为屏蔽参数。
（4.8）
10
a）若电子屏蔽函数
f(r) a ar
则，势函数与距离的平方成反比，注入离子损失能量为常
2
离子注入掺杂技术的主要特点
1、离子注入技术通过质量分析器选出单一的杂质离子，
保证了掺杂的纯度。 2、可精确控制注入离子数目，剂量在1011~1017离子/cm2
较宽的范围内，同一平面内杂质分布的均匀性远高于
扩散工艺。 3、离子注入扩大了杂质的选择范围；其掩蔽膜可采用
SiO2、金属膜或光刻胶。
4、离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，
20
在能量一定情况下轻离子比重离子的射程深
21
4、离子注入结深计算
N(xj)
NS
2 Rp
exp

1 2

xj Rp Rp
2



NB
x j Rp Rp
2
ln


1
Ns
2 Rp
NB

（*2）
22
实际注入离子偏离理想高斯分布
（*1）
17
一、纵向分布
对于无定形靶（如SiO2、Si3N4、Al2O3、光刻胶等），注 入离子的纵向浓度分布可用高斯函数表示：
N ( x)

Nmax
exp

1 2

x Rp Rp
2


N(x)表示距离靶表面为x的
注入离子浓度；
（4.15）
Nmax为峰值处的浓度。
3. 解决办法：使晶体相对注入离子呈现无定形的情况。 晶体主轴方向偏离注入方向，典型值 7°左右； 晶体表面覆盖无定形材料(SiO2、Si3N4、Al2O3、光刻胶)。
29
硅晶体的原子构型
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§ 4.3 注入损伤
离子注入的最大优点是可精确控制掺杂杂质的数 量及深度；但同时，衬底晶格损伤也不可避免。
移位原子都将形成Frenkel缺陷
空位（V）、二阶空位（V2）、高阶空位（复合的空 位）、间隙（I）
三类晶格损伤
点缺陷或缺陷群 局部非晶区域 非晶层
简单晶格损伤 非晶层形成
x
xp 0
离子射程R及投影射程xp
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有关射程的概念
射程R：离子从进入靶到停止，所走过的总距离。
投影射程xp：射程在离子入射方向投影的长度。 平均投影射程Rp：所有入射离子投影射程的平均值，即
离子注入深度的平均值。
投影射程的标准偏差∆Rp：表征注入离子分布分散情况。
Rp xp Rp 2
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二、横向效应
横向效应 指 注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情 况。
Rp xp Rp 2
y
xp 0
z
x
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一束半径很小的离子束，沿垂直于靶表面的x方向入射到各 向同性的非晶靶内，考虑横向效应的注入离子空间分布函 数为
f
(x,
y,
z)

1
(2 )3/2 RpYZ
的能量为

dE dx

[Sn (E)

Se (E)]
（4.3）
离子在靶内运动的总路程R为
0
R
dE
E0
dE
E0 Sn (E) Se (E) 0 Sn (E) Se (E)
（4.4）
7
一、核阻止本领
核阻止可理解为能量为E的一个注入离子，在单位 密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子的能量。
6
引入核阻止本领Sn(E)和电子阻止本领Se(E)来说明注入 离子在靶内能量损失的具体情况。
一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则
核阻止本领定义为
S
n
(
E
)


dE dx

n
（4.1）
电子阻止本领定义为
S
e
(
E
)
Байду номын сангаас

dE dx

e
（4.2）
则在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失
因而易于制作极低的浓度和很浅的PN结。
3
5 、 注 入 温 度 一 般 不 超 过 400℃ ， 退 火 温 度 也 较 低
（650℃），避免了高温过程带来的不利（如结的推
移、热缺陷等）。
6、离子注入的横向扩散很小，利于提高集成电路的集
成度，并能制作出频率较高的MOS器件和击穿电压 较高的器件； 7、可以通过半导体表面上一定厚度的SiO2膜进行注入
2) 因碰撞而离开晶格位置的原子称为移位原子。 一个处于晶格位置的原子发生移位，所需要的最小能量 称为移位阈能Ed。（与靶材相关，硅靶：14~15eV）
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经碰撞，注入离子与靶内原子进行能量传递后，靶内原 子可出现三种情形
a) 传递能量< Ed b) Ed <传递能量< 2Ed c) 2Ed <传递能量
离子在靶内运动时，损失能量可分两类：一是核阻止，二 是电子阻止。
核阻止即核碰撞，是注入离子与靶原子核之间的相互碰撞。 因两者质量是一个数量级，一次碰撞可以损失较多能量， 且可能发生大角度散射，使靶原子核离开原来的晶格位置， 留下空位，形成缺陷。