lecture8a 离子注入
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解决这个问题? − 低能量? − 注入其他的物质? − 预非晶化? − 瞬态扩散? − 用固态源预淀积？ − 等离子注入?
3.155J/6.152J, 2003
29
一些其他的应用 1) 注入仅在圆片的特定部分进行: 用掩蔽层，这样RP在掩蔽材 料以内。用来形成源和漏区域，例如，MOSFET就是这样的.
B注入Si后，B在Si中 的有效扩散长度 当损伤被退火后，扩 散系数D,减少
26 3.155J/6.152J, 2003
例子:
30 kV的B 注入到本征Si中. 剂量为 1012 cm-2
-注入后杂质的分布为?
log N(x)
从图中，在Si，RP=110nm,
在ΔRSPi，=38Rnpm,=又1由10：Qn=mC,O√Δ2RπpΔR=P,可以
所产生的正离子被强电场引入质量分析器，选出所需要的离子
这些离子被加速，
通常还
聚焦成束
光栅扫描，离子打在衬底上
设备接地 分析磁场
注入
聚焦
中性束流 陷阱
X&Y扫描
加速器 中性束流
偏束板
圆片
离子源
法拉第杯
离子进入材料后会产生什么现象？
离子能量微分, dE/dx, 由两个因素决定 和核的弹性碰撞 以及 和电子的非弹性碰撞
具有一定能量的离子束射向圆片的表面。 典型的离子能量范围为 5 - 200 keV.
这样离子可以注入到衬底里面.
在衬底里面的情况是 ?
离子能够:
反射 吸收 溅射原子 (10 eV - 10 keV) 注入表面 (5 keV - 200 keV)… 产生很大的晶格损伤
3.155J/6.152J, 2003
比声音在固体中的速度快 1000 倍
因此在核有位移以前，离子已
穿
过核了，在库仑力作用下
因此入射离子速度大时
33..115555JJ//66..115522JJ,,22000033
也有损失能量的非弹 性碰撞
10
10
核散射不强; 只有当离子速度减慢
才比较明显
电子阻滞:也是库仑相互作用, 但是是非弹性的)
3.155J/6.152J, 2003
32
计算得到CO
长度
-为了使B浓度在1014 cm-3以下，需要多厚的硅掩蔽层？
log N(x) co
从: Si
Rp = 100 nm, ΔRp = 3 6 nm 从 Q 可以计算 C0 则可以查找N(x)的深度
1014 cm-3
27
3. 155J/6.152J, 2003
Rp
长度
我们 该怎样实行浅注入 (e.g. 50 nm)? e.g. B有大的投影射程, 沟道效应也是个问题.我们怎样
注入样品的剂量按照 t1/2 增 加
3.155J/6.152J, 2003
2
限定源扩散入样品
当限定源扩散入样品时，C(z, t)＝ ?
Q = 杂质初始含量 (‘剂量’), 假定是一个Δ函数
边界条件:
dC(0,t) = 0 限定源扩散是一个高斯分布. dz
•
+∞
∫ C(z,t)dz = Q = cons(# / 面积)
CpP为？浓度, RP为投影射程、 ΔRp
投影射程的标准偏差 Q为离子注入剂量 (个数/面积)
•
因此由给定的剂量决定Cp
3.155J/6.152J, 2003
17
浓 度 （cm-3）
深度
为什么轻原子有更大的投影射程RP和 标准偏差 ΔR p ?
3.155J/6.152J, 2003
18
浓 度 （cm-3）
dE dx
=
−N[Sn (E) +
Se (E)]
S i (E) 是 阻 滞 (eVcm2)
离子投影射程:
我们能否对核阻滞和电子阻滞进行讨论？
3.155J/6.152J, 2003
8
核阻滞: 库仑散射(被认为是弹性散 射)
入射离子和静止的核离子碰撞 b = 碰撞参数
E1, M1
入射球损失的能量（微观的） ¸
collisions
衬底
vion越大，越有效
Vion越小，越有 效
大多数的损伤在射程（RP）限制附件产生
注入损伤 注入的离子损伤晶体的结构,可能引起非晶化
使硅衬底非晶化 所需的剂量
需要固态外延来 再结晶非晶化的 区域
一次注入能产生多少个Si原子?
3.155J/6.152J, 2003
25
注入损伤 为了消除损伤和激活注入的杂质，后注入退火是十分必要的(e.g. >850~C). 引起杂质的扩散和缺陷群的形成. 扩散的瞬时效应十分重要！
Vion越大，更有效
衬底
3.155J/6.152J, 2003
核 库仑 碰撞
Vion越小更有效
0
N0
14
离子注入的阻滞效应
由于与核的相互作用，产生了损伤
将Si从晶格内位置转移所需的能量大约为15 eV， 产生晶格空位/间隙原子对 (Frankel 缺陷)
核 库仑
粘性, 非局部
电子
跃迁, 局部
电子
速度
Io离n子I注入的设备 Equipment
注入的离子是在离子源中产生 的 (从原料气, e.g. BF3, AsH3, PH3 ... or 或加热的d固so体ur源ce，, th进en入io离ni化zed室in产a生rc 正ch离am子ber by electrons from hot filament)
3.155J/6.152J, 2003
20
核阻滞
需要所有散射的总效果， e.g. 用蒙特卡洛模型. 核 阻滞, Snn 可以用 库仑散射 模拟(因此它取决于碰撞 的参数，相对质量和E)。
3.155J/6.152J, 2003
21
模型
离子注入后的分布可以用蒙特卡洛法模拟，计算得到投影射程. 包括核阻滞核电子阻滞 离子注入也可以用SUPREM模拟, 估算得到杂质分布vs.注入条 件和退火的关系图.
深度
成分分布图并不总是完整的高斯分布:存在歪斜或者变形（峰态） 使得图形为非对称的.
3.155J/6.152J, 2003
19
沟道效应
当离子速度方向平行于主晶轴时,会出现沟道效应。在这种情 况下，由于核阻滞的作用很小，离子进入沟道后，将沿其方向 继续运动，产生许多近似是弹性的，掠射性的沟道内碰撞，因 此射程要大于期望的。
衬底
Vion越大，更有效
3.155J/6.152J, 2003
Vion越小，更有效
大部分的损伤出现在投影射程附件
15
在Si
Rp
(Å)
从 Se 和 Sn,能够计算出 Rp 和DRp:
ΔRp Rp
(Å)
in Si
Rp
(Å)Leabharlann ΔRPp Rp(Å)
在 Si
ΔRp
in GaAs
ΔRp
15
离子注入的成分分布图 如果深度为x, 杂质浓度 C(x) 近似为高斯分布
3.155J/6.152J, 2003
22
通过掩蔽层的离子注入 射程, Rp* 和标准偏差, ΔR p* 为 掩蔽层的离子
对于一个有效的掩蔽层:
掩蔽层厚度:
CB为衬底浓 度
xm=射程 +some multiple, m, of std dev’n
注入掩蔽层的剂量:
3.155J/6.152J, 2003
隔离器件很有用: 为什么有用?
SOI后，形成MOSFET 衬底被注入和退火
Si 绝缘层 Si
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31
讨论
什么时候宁可采用预淀积 vs. 离子注入? 时离子注入时，什么情况可以节省工艺步骤？
为了背部掺杂，怎样进行离子注入？ 对于衬底，比如GaAs ，在离子注入时有什么特别的问题吗？
23
离子注入损伤
大部分的损伤都是与晶格原子核碰撞产生的
将Si从晶格内位置转移所需的能量大约 为15 eV，产生晶格空位/间隙原子对
V粘i性scosity, n非电o局子n域-local electrons
速度
电T子ra局n部si跃ti迁ons, local electrons
N与u核cl发e生ar库 C仑o碰u撞lomb
Plummer Ch. 8, Campbell Ch. 5
3.155J/6.152J, 2003
1
无限掺杂源 (固定表面浓度):
2
对扩散方程的讨论
边界条件:
C
(0,
t
)
=
C surf
Const
C
surf
Bound cond:
这里 erfc(x) = 1-erf(x) ， tp = 预淀积时间
剂量 Q = ( 2 / ~ p) Csurf ~Dtp
cos qsinf + cos f sin q~~
1.0 0.8
dE/E
0.4
0.2
0.0
0
2
M2/M1
46
8 10
散射角度取决于离子质量和碰撞参数. 当b = 0, f = 0时，最大损失能量为:
核阻滞:库仑散射 (假设为弹性散射)
Δ
∆E
=
E1
4M 1M (M1 + M
2 2
)2
能量为100 keV，质量为 15 amu 有速度 为vion ~ 106 m/s!
−∞
边界条件：C（∞，t）＝0
扩散长度
初始条件：C(z,0)＝Q（z 0）
限定源扩散
3.155J/6.152J, 2003
3.155J/6.152J, 2003
29
一些其他的应用 1) 注入仅在圆片的特定部分进行: 用掩蔽层，这样RP在掩蔽材 料以内。用来形成源和漏区域，例如，MOSFET就是这样的.
B注入Si后，B在Si中 的有效扩散长度 当损伤被退火后，扩 散系数D,减少
26 3.155J/6.152J, 2003
例子:
30 kV的B 注入到本征Si中. 剂量为 1012 cm-2
-注入后杂质的分布为?
log N(x)
从图中，在Si，RP=110nm,
在ΔRSPi，=38Rnpm,=又1由10：Qn=mC,O√Δ2RπpΔR=P,可以
所产生的正离子被强电场引入质量分析器，选出所需要的离子
这些离子被加速，
通常还
聚焦成束
光栅扫描，离子打在衬底上
设备接地 分析磁场
注入
聚焦
中性束流 陷阱
X&Y扫描
加速器 中性束流
偏束板
圆片
离子源
法拉第杯
离子进入材料后会产生什么现象？
离子能量微分, dE/dx, 由两个因素决定 和核的弹性碰撞 以及 和电子的非弹性碰撞
具有一定能量的离子束射向圆片的表面。 典型的离子能量范围为 5 - 200 keV.
这样离子可以注入到衬底里面.
在衬底里面的情况是 ?
离子能够:
反射 吸收 溅射原子 (10 eV - 10 keV) 注入表面 (5 keV - 200 keV)… 产生很大的晶格损伤
3.155J/6.152J, 2003
比声音在固体中的速度快 1000 倍
因此在核有位移以前，离子已
穿
过核了，在库仑力作用下
因此入射离子速度大时
33..115555JJ//66..115522JJ,,22000033
也有损失能量的非弹 性碰撞
10
10
核散射不强; 只有当离子速度减慢
才比较明显
电子阻滞:也是库仑相互作用, 但是是非弹性的)
3.155J/6.152J, 2003
32
计算得到CO
长度
-为了使B浓度在1014 cm-3以下，需要多厚的硅掩蔽层？
log N(x) co
从: Si
Rp = 100 nm, ΔRp = 3 6 nm 从 Q 可以计算 C0 则可以查找N(x)的深度
1014 cm-3
27
3. 155J/6.152J, 2003
Rp
长度
我们 该怎样实行浅注入 (e.g. 50 nm)? e.g. B有大的投影射程, 沟道效应也是个问题.我们怎样
注入样品的剂量按照 t1/2 增 加
3.155J/6.152J, 2003
2
限定源扩散入样品
当限定源扩散入样品时，C(z, t)＝ ?
Q = 杂质初始含量 (‘剂量’), 假定是一个Δ函数
边界条件:
dC(0,t) = 0 限定源扩散是一个高斯分布. dz
•
+∞
∫ C(z,t)dz = Q = cons(# / 面积)
CpP为？浓度, RP为投影射程、 ΔRp
投影射程的标准偏差 Q为离子注入剂量 (个数/面积)
•
因此由给定的剂量决定Cp
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17
浓 度 （cm-3）
深度
为什么轻原子有更大的投影射程RP和 标准偏差 ΔR p ?
3.155J/6.152J, 2003
18
浓 度 （cm-3）
dE dx
=
−N[Sn (E) +
Se (E)]
S i (E) 是 阻 滞 (eVcm2)
离子投影射程:
我们能否对核阻滞和电子阻滞进行讨论？
3.155J/6.152J, 2003
8
核阻滞: 库仑散射(被认为是弹性散 射)
入射离子和静止的核离子碰撞 b = 碰撞参数
E1, M1
入射球损失的能量（微观的） ¸
collisions
衬底
vion越大，越有效
Vion越小，越有 效
大多数的损伤在射程（RP）限制附件产生
注入损伤 注入的离子损伤晶体的结构,可能引起非晶化
使硅衬底非晶化 所需的剂量
需要固态外延来 再结晶非晶化的 区域
一次注入能产生多少个Si原子?
3.155J/6.152J, 2003
25
注入损伤 为了消除损伤和激活注入的杂质，后注入退火是十分必要的(e.g. >850~C). 引起杂质的扩散和缺陷群的形成. 扩散的瞬时效应十分重要！
Vion越大，更有效
衬底
3.155J/6.152J, 2003
核 库仑 碰撞
Vion越小更有效
0
N0
14
离子注入的阻滞效应
由于与核的相互作用，产生了损伤
将Si从晶格内位置转移所需的能量大约为15 eV， 产生晶格空位/间隙原子对 (Frankel 缺陷)
核 库仑
粘性, 非局部
电子
跃迁, 局部
电子
速度
Io离n子I注入的设备 Equipment
注入的离子是在离子源中产生 的 (从原料气, e.g. BF3, AsH3, PH3 ... or 或加热的d固so体ur源ce，, th进en入io离ni化zed室in产a生rc 正ch离am子ber by electrons from hot filament)
3.155J/6.152J, 2003
20
核阻滞
需要所有散射的总效果， e.g. 用蒙特卡洛模型. 核 阻滞, Snn 可以用 库仑散射 模拟(因此它取决于碰撞 的参数，相对质量和E)。
3.155J/6.152J, 2003
21
模型
离子注入后的分布可以用蒙特卡洛法模拟，计算得到投影射程. 包括核阻滞核电子阻滞 离子注入也可以用SUPREM模拟, 估算得到杂质分布vs.注入条 件和退火的关系图.
深度
成分分布图并不总是完整的高斯分布:存在歪斜或者变形（峰态） 使得图形为非对称的.
3.155J/6.152J, 2003
19
沟道效应
当离子速度方向平行于主晶轴时,会出现沟道效应。在这种情 况下，由于核阻滞的作用很小，离子进入沟道后，将沿其方向 继续运动，产生许多近似是弹性的，掠射性的沟道内碰撞，因 此射程要大于期望的。
衬底
Vion越大，更有效
3.155J/6.152J, 2003
Vion越小，更有效
大部分的损伤出现在投影射程附件
15
在Si
Rp
(Å)
从 Se 和 Sn,能够计算出 Rp 和DRp:
ΔRp Rp
(Å)
in Si
Rp
(Å)Leabharlann ΔRPp Rp(Å)
在 Si
ΔRp
in GaAs
ΔRp
15
离子注入的成分分布图 如果深度为x, 杂质浓度 C(x) 近似为高斯分布
3.155J/6.152J, 2003
22
通过掩蔽层的离子注入 射程, Rp* 和标准偏差, ΔR p* 为 掩蔽层的离子
对于一个有效的掩蔽层:
掩蔽层厚度:
CB为衬底浓 度
xm=射程 +some multiple, m, of std dev’n
注入掩蔽层的剂量:
3.155J/6.152J, 2003
隔离器件很有用: 为什么有用?
SOI后，形成MOSFET 衬底被注入和退火
Si 绝缘层 Si
3.155J/6.152J, 2003
31
讨论
什么时候宁可采用预淀积 vs. 离子注入? 时离子注入时，什么情况可以节省工艺步骤？
为了背部掺杂，怎样进行离子注入？ 对于衬底，比如GaAs ，在离子注入时有什么特别的问题吗？
23
离子注入损伤
大部分的损伤都是与晶格原子核碰撞产生的
将Si从晶格内位置转移所需的能量大约 为15 eV，产生晶格空位/间隙原子对
V粘i性scosity, n非电o局子n域-local electrons
速度
电T子ra局n部si跃ti迁ons, local electrons
N与u核cl发e生ar库 C仑o碰u撞lomb
Plummer Ch. 8, Campbell Ch. 5
3.155J/6.152J, 2003
1
无限掺杂源 (固定表面浓度):
2
对扩散方程的讨论
边界条件:
C
(0,
t
)
=
C surf
Const
C
surf
Bound cond:
这里 erfc(x) = 1-erf(x) ， tp = 预淀积时间
剂量 Q = ( 2 / ~ p) Csurf ~Dtp
cos qsinf + cos f sin q~~
1.0 0.8
dE/E
0.4
0.2
0.0
0
2
M2/M1
46
8 10
散射角度取决于离子质量和碰撞参数. 当b = 0, f = 0时，最大损失能量为:
核阻滞:库仑散射 (假设为弹性散射)
Δ
∆E
=
E1
4M 1M (M1 + M
2 2
)2
能量为100 keV，质量为 15 amu 有速度 为vion ~ 106 m/s!
−∞
边界条件：C（∞，t）＝0
扩散长度
初始条件：C(z,0)＝Q（z 0）
限定源扩散
3.155J/6.152J, 2003
