离子注入课件

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1、核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布注入损伤注入损伤热退火热退火 离子注入发展于离子注入发展于2020世纪世纪6060年代，是一种代替高温扩散向年代，是一种代替高温扩散向半导体中引进掺杂剂的方法。离子注入已成为半导体中引进掺杂剂的方法。离子注入已成为VLSIVLSI制程上最制程上最主要的掺杂技术。一般主要的掺杂技术。一般CMOSCMOS制程，大约需要制程，大约需要612612个或更多的个或更多的离子注入步骤。离子注入步骤。离子注入离子注入是将掺杂剂通过离子注入机的离化、加速和质是将掺杂剂通过离子注入机的离化、加速和质量分析，成为一束由所需杂质离子

2、组成的高能离子流而投入量分析，成为一束由所需杂质离子组成的高能离子流而投入半导体晶片（俗称为靶）内部，并通过逐点扫描完成对晶片半导体晶片（俗称为靶）内部，并通过逐点扫描完成对晶片的注入。的注入。一、离子注入简介一、离子注入简介 离子注入中，被掺杂的材料称为离子注入中，被掺杂的材料称为靶靶，轰击靶的离子在靶表，轰击靶的离子在靶表面被反射，不能进入靶内的为散射离子；进入靶内的离子为面被反射，不能进入靶内的为散射离子；进入靶内的离子为注入离子注入离子。Two important parameters:Dose concentration Energy depthTypical implant vol

3、tages:50200 KeV,the trend is to lower voltages.Typical implant dose:10111016 cm2.二、离子注入的特点二、离子注入的特点离子经加速，到达半导体表面；离子经加速，到达半导体表面；离子经过碰撞损失能量，停留在不同深度的位置，离子经过碰撞损失能量，停留在不同深度的位置，此位置与离子能量有关；此位置与离子能量有关；离子走过的距离，即透入深度，称为射程。射程的离子走过的距离，即透入深度，称为射程。射程的大小与离子动能以及半导体的结构特性有关大小与离子动能以及半导体的结构特性有关；杂质分布对于晶体相对离子束方向的取向表现出强杂质

4、分布对于晶体相对离子束方向的取向表现出强烈的依赖性。烈的依赖性。注入的离子纯度高注入的离子纯度高可以精确控制掺杂原子数目可以精确控制掺杂原子数目温度低温度低,小于小于400,400,掩蔽材料不需耐高温掩蔽材料不需耐高温离子注入深度随离子能量的增加而增加，掺杂深度离子注入深度随离子能量的增加而增加，掺杂深度可控可控非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制低温注入，避免高温扩散所引起的热缺陷低温注入，避免高温扩散所引起的热缺陷横向扩散效应比热扩散小得多横向扩散效应比热扩散小得多离子通过硅表面的薄膜注入，薄膜起到保护膜的作离子通过硅表面的薄膜注入，薄膜起到保护膜的作用，防

5、止污染。用，防止污染。化合物半导体在高温处理时可能发生变化，采用离化合物半导体在高温处理时可能发生变化，采用离子注入可以对化合物半导体进行掺杂子注入可以对化合物半导体进行掺杂三、离子注入的优点三、离子注入的优点四、离子注入的缺点四、离子注入的缺点 产生的晶格损伤不易消除产生的晶格损伤不易消除很难进行很深或很浅的结的注入很难进行很深或很浅的结的注入高剂量注入时产率低高剂量注入时产率低设备价格昂贵（约设备价格昂贵（约200万美金）万美金）五、离子注入的应用五、离子注入的应用可以用于可以用于n/pn/p型硅的制作型硅的制作隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断调整阈值电

6、压用的沟道掺杂调整阈值电压用的沟道掺杂CMOSCMOS阱的形成阱的形成浅结的制备浅结的制备SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-raysElectronic collisionAtomic collisionDisplaced Si atomEnergetic dopant ionSilicon crystal latticeu电子碰撞电子碰撞 注入离子与靶内自由电子注入离子与靶内自由电子以及束缚电子间的碰撞。以及束缚电子间的碰撞。u核碰撞核碰撞 注入离子与靶内原子核间注入离子与靶内原子核间的碰撞。的碰撞。注入离子在靶内的分布理注入

7、离子在靶内的分布理论，简称论，简称LSSLSS理论理论。LSSLSS理论认理论认为，注入离子在靶内的能量损为，注入离子在靶内的能量损失方式有两种：失方式有两种：两者质量相差大，碰撞后注入两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，散射角离子的能量损失很小，散射角度也小，即每次碰撞都不会显度也小，即每次碰撞都不会显著地改变注入离子的动量，又著地改变注入离子的动量，又由于散射方向是随机的，虽然由于散射方向是随机的，虽然经过多次散射，注入离子运动经过多次散射，注入离子运动方向基本不变。方向基本不变。质量为同一数量级，故碰撞后注质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生大角度的散射，失入离子会发生大角

8、度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞去一定的能量。靶原子也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大而获得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离开原来所于原子束缚能，就会离开原来所在晶格位置，进入晶格间隙，并在晶格位置，进入晶格间隙，并留下一个空位，形成缺陷。留下一个空位，形成缺陷。nndxdEES)()()(ESESdxdEen)()()()(ESESdEESESdERenEooenoEo电子阻止本领：电子阻止本领：在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为损失的能量则为：注入离子在靶内运动的总路程：注入离子在靶内运动的总路程：

9、eedxdEES)(核阻止本领：核阻止本领：可以理解为能量为可以理解为能量为E E的一个注入离子，在单位的一个注入离子，在单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。E E0 0为注入离子的起始能量。为注入离子的起始能量。选用托马斯选用托马斯-费米函数时，核阻止与粒子能量的关系如下费米函数时，核阻止与粒子能量的关系如下图：图：图中，图中，低能量低能量时核阻止本领随注入离子能量增加时核阻止本领随注入离子能量增加线性线性增加增加；在；在高能量高能量时，因快速运动的离子没有足够的时间与时，因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，所

10、以靶原子进行有效的能量交换，所以核阻止本领变小核阻止本领变小。2/1)()(EkCVESee 式中，式中，V V为注入离子速度，系数为注入离子速度，系数K Ke e与注入离子和靶的原子与注入离子和靶的原子序数、质量有微弱关系，粗略估计下，可近似为常数。序数、质量有微弱关系，粗略估计下，可近似为常数。电子阻止本领同注入离子的速度成正比，即与注入离子电子阻止本领同注入离子的速度成正比，即与注入离子能量的平方根成正比：能量的平方根成正比：将电子看为自由电子气，电子的阻止类似于粘滞气体的将电子看为自由电子气，电子的阻止类似于粘滞气体的阻力。阻力。低能区中能区高能区一级近似下，核阻止本领与入射离子的能量

11、无关。一级近似下，核阻止本领与入射离子的能量无关。注入离子在靶内分布是与注入方向有着一定的关系，注入离子在靶内分布是与注入方向有着一定的关系，一般来说，粒子束的注入方向与靶垂直方向的夹角比较小。一般来说，粒子束的注入方向与靶垂直方向的夹角比较小。注入离子在靶内受到的碰撞是随机过程。如果注入的注入离子在靶内受到的碰撞是随机过程。如果注入的离子数量很小，它们在靶内的分布是分散的，但是大量注离子数量很小，它们在靶内的分布是分散的，但是大量注入离子在靶内的分布是按一定统计规律分布。入离子在靶内的分布是按一定统计规律分布。u纵向分布纵向分布 注入离子在靶内的射程和离散的注入离子在靶内的射程和离散的微分方

12、程由微分方程由LSSLSS建立。在一级近似下建立。在一级近似下用高斯函数表示为：用高斯函数表示为：2max1()exp()2ppxRn xNRn(x)距离靶表面为距离靶表面为x处的离子浓度；处的离子浓度；Nmax峰值浓度；峰值浓度；Rp平均投影射程；平均投影射程；RpRp的标准偏差。的标准偏差。211pbMRRM u纵向分布纵向分布R Rp p和和R R之间的关系一般可表示为：之间的关系一般可表示为：式中，式中，b b是是E E和和R R的缓慢变化函数，的缓慢变化函数，M M1 1和和M M2 2分别是注入离子和靶原子的分别是注入离子和靶原子的质量。质量。在核阻止占优势的能量范围内，在核阻止占

13、优势的能量范围内，当当M M1 1MM2 2时，经验规律为：时，经验规律为：2113pMRRM 121223ppM MRRMMu纵向分布纵向分布R Rp p是表征注入离子分布分散情况的是表征注入离子分布分散情况的一个量，称为一个量，称为标准偏差标准偏差，即为投影射，即为投影射程对平均值程对平均值RpRp偏离的均方根：偏离的均方根：通过靶表面单位面积注入的离子总通过靶表面单位面积注入的离子总数（剂量）数（剂量）N NS S为：为：maxmax()20.42spsspppNn x dxNRNNn xRNRR总剂量决定了峰值的浓度总剂量决定了峰值的浓度2max1()exp()2ppxRn xNR纵向

14、理论分布纵向理论分布)(21exp2)(2pppRRxRNsxn 实际上，高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。实际上，高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。这是因为高斯分布是在随机注入条件下得到的粗略结果，那这是因为高斯分布是在随机注入条件下得到的粗略结果，那些碰撞次数小于平均值的离子，可能停留在比些碰撞次数小于平均值的离子，可能停留在比RpRp更远处；而更远处；而碰撞次数大于平均值的离子可能停留在表面与碰撞次数大于平均值的离子可能停留在表面与RpRp之间。之间。n轻离子入射时，受到大角度的散射，轻离子入射时，受到大角度的散射，分布在峰值位置与表面一侧的离子数分布在峰值位置与表面一侧的离

15、子数量大于峰值位置的另一侧，例如量大于峰值位置的另一侧，例如B B离子离子注入硅靶中注入硅靶中,B,B与与SiSi原子相撞原子相撞,被反向散被反向散射的射的B B离子数量增多。离子数量增多。n重离子入射时，将引起在比峰值位置重离子入射时，将引起在比峰值位置更远一侧有更多的离子分布，如更远一侧有更多的离子分布，如AsAs离离子注入硅靶中。子注入硅靶中。实际注入时还有更多影响因素。实际注入时还有更多影响因素。u横向效应横向效应 横向效应是指注入离子在垂横向效应是指注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。直入射方向的平面内的分布情况。横向效应与注入离子有关，横向效应与注入离子有关，与入射离子的能量

16、有关。与入射离子的能量有关。离子注入的离子注入的横向效应比热扩横向效应比热扩散要小很多。散要小很多。u沟道效应的定义沟道效应的定义 当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿沟道运动，受到的核阻止和电子阻止作用很小，注入子将沿沟道运动，受到的核阻止和电子阻止作用很小，注入离子的能量损失率就很低，故注入深度较大，此称为离子的能量损失率就很低，故注入深度较大，此称为沟道效沟道效应。应。u产生沟道效应的原因产生沟道效应的原因 当离子注入的方向当离子注入的方向=沟道方向时沟道方向时,离子因为没有碰到晶格离子因为没有碰到晶格而长驱直入，故注入深

17、度较大。而长驱直入，故注入深度较大。u沟道效应产生的影响沟道效应产生的影响在不应该存在杂质的深度发现杂质。在不应该存在杂质的深度发现杂质。离子注入的通道效应离子注入的通道效应1 1.倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入方向，典型值为倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入方向，典型值为7 7；2.2.先重轰击晶格表面，形成无定型层；先重轰击晶格表面，形成无定型层；3.3.表面长二氧化硅、氮化硅、氧化铝无定型薄层。表面长二氧化硅、氮化硅、氧化铝无定型薄层。即使晶体某个晶向平行于离子注入方向即使晶体某个晶向平行于离子注入方向,但注入离子进入晶但注入离子进入晶体前体前,在无定形的介质膜中多次碰撞后已经偏

18、离了入射方向在无定形的介质膜中多次碰撞后已经偏离了入射方向,偏偏离了晶向。离了晶向。在无定形靶运动的离子由于碰撞方向不断改变，因而也会有在无定形靶运动的离子由于碰撞方向不断改变，因而也会有部分离子进入沟道，但在沟道运动过程中又有可能脱离沟道，部分离子进入沟道，但在沟道运动过程中又有可能脱离沟道，故对注入离子峰值附近的分布并不会产生实质性的影响。故对注入离子峰值附近的分布并不会产生实质性的影响。u解决沟道效应的方法解决沟道效应的方法解决沟道效应的方法解决沟道效应的方法形成浅结的困难是多方面的，目前采用的方法主要有形成浅结的困难是多方面的，目前采用的方法主要有：u采用分子注入法采用分子注入法u降低

19、注入离子的能量降低注入离子的能量 硼质量较轻，投影射程深，故采用硼质量较轻，投影射程深，故采用BFBF2 2分子注入法，进分子注入法，进入靶内因碰撞而发生分解，释放原子硼。但此方法因氟的入靶内因碰撞而发生分解，释放原子硼。但此方法因氟的电活性形成缺陷群电活性形成缺陷群,B,B的扩散系数高以及硼被偏转入主晶轴的扩散系数高以及硼被偏转入主晶轴方向的几率大等缺点，现采用此法正逐步减少。方向的几率大等缺点，现采用此法正逐步减少。此方法的缺点是，低能下沟道效应比较明显，且离子的此方法的缺点是，低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差，原因为带电离子的相互排斥（空间电荷效应）。稳定向较差，原因为带电离子

20、的相互排斥（空间电荷效应）。可以通过降低束流密度或缩短路径长度来降低空间电荷效应。可以通过降低束流密度或缩短路径长度来降低空间电荷效应。u预先非晶化预先非晶化 预先非晶化是实现预先非晶化是实现P+P+结的比较理想方法。如在注结的比较理想方法。如在注B B之前，先用重离子高剂量注入，使硅表面变为非晶的之前，先用重离子高剂量注入，使硅表面变为非晶的表面层。这种方法可以使沟道效应减小到最小，与重表面层。这种方法可以使沟道效应减小到最小，与重损伤注入层相比，完全非晶化层在退火后有更好的晶损伤注入层相比，完全非晶化层在退火后有更好的晶体质量；体质量；预先非晶化的预先非晶化的p-np-n结的漏电流和最终的

21、结深是与退结的漏电流和最终的结深是与退火后剩余缺陷数量以及结的位置有关。预先非晶化之火后剩余缺陷数量以及结的位置有关。预先非晶化之后再通过固相外延再结晶，会在非晶区与结晶区的界后再通过固相外延再结晶，会在非晶区与结晶区的界面形成高密度的位错环，若界面缺陷区在结的附近，面形成高密度的位错环，若界面缺陷区在结的附近，那么漏电流和杂质的扩散都会增加。那么漏电流和杂质的扩散都会增加。离子注入技术的最大优点，就是可以离子注入技术的最大优点，就是可以精确地控制掺杂精确地控制掺杂杂质的数量及深度杂质的数量及深度。但在离子注入过程中，。但在离子注入过程中，衬底的晶体结衬底的晶体结构受到损伤构受到损伤是不可避免

22、的。是不可避免的。在碰撞过程中，靶原子可能离开晶格位置进入间隙，在碰撞过程中，靶原子可能离开晶格位置进入间隙，成为间隙原子并留下一空位，形成成为间隙原子并留下一空位，形成间隙间隙-空位缺陷对空位缺陷对。间隙。间隙原子只要具有足够的能量，在运动过程中将继续与其他靶原子只要具有足够的能量，在运动过程中将继续与其他靶原子碰撞，使得原子碰撞，使得在入射离子运动轨迹的周围产生大量的缺在入射离子运动轨迹的周围产生大量的缺陷陷，晶格受到损伤。，晶格受到损伤。u移位原子移位原子因碰撞而离开晶格位置的原子称为因碰撞而离开晶格位置的原子称为移位原子移位原子。u能量淀积过程能量淀积过程 注入离子通过碰撞把能量传递给

23、靶原子核及其电子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，称为的过程，称为能量淀积过程能量淀积过程。一般来说，能量淀积可以。一般来说，能量淀积可以通过通过弹性碰撞弹性碰撞和和非弹性碰撞非弹性碰撞两种形式进行。弹性碰撞能两种形式进行。弹性碰撞能量是守恒的，非弹性碰撞将一部分动能转化为其他形式量是守恒的，非弹性碰撞将一部分动能转化为其他形式的能。的能。当注入离子的当注入离子的能量较高能量较高时，时，非弹性碰撞淀积过程起非弹性碰撞淀积过程起主要作用主要作用；离子的；离子的能量较低能量较低时，时，弹性碰撞占主要地位弹性碰撞占主要地位。在集成电路制造中，弹性碰撞占主要地位。在集成电路制造中，弹

24、性碰撞占主要地位。u移位阀能移位阀能u注入离子与靶内原子碰撞的注入离子与靶内原子碰撞的3 3种可能种可能 使一个处于晶格位置的原子发生移位所需要的最小能使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阀能，用量称为移位阀能，用E Ed d表示。表示。1.1.碰撞过程中传递的能量小于碰撞过程中传递的能量小于E Ed d,被碰原子在平衡位置振动被碰原子在平衡位置振动,将获得的能量以振动能形式传递给近邻原子将获得的能量以振动能形式传递给近邻原子,表现为宏观热表现为宏观热能；能；2.2.碰撞过程中传递的能量在碰撞过程中传递的能量在E Ed d和和2E2Ed d间间,被碰原子成为移位原被碰原子成

25、为移位原子，并留下一个空位子，并留下一个空位,但它不可能使与它碰撞原子移位；但它不可能使与它碰撞原子移位；3.3.被碰原子本身移位后被碰原子本身移位后,还具有很高的能量，在它运动过程还具有很高的能量，在它运动过程中，还可以使与它碰撞的原子发生移位。中，还可以使与它碰撞的原子发生移位。移位原子移位原子也称为也称为反冲原子反冲原子,与入射离子碰撞而发生移位与入射离子碰撞而发生移位的原子的原子,称为第一级反冲原子。与第一级反冲原子碰撞而移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位的原子,称为第二级反冲原子称为第二级反冲原子,这种不断碰撞的现象称这种不断碰撞的现象称为为“级联碰撞级联碰撞”

26、。u级联碰撞级联碰撞u注入离子在硅衬底中产生的注入离子在硅衬底中产生的3 3类损伤类损伤1.1.在原来硅晶体中产生孤立的点缺陷或缺陷群；在原来硅晶体中产生孤立的点缺陷或缺陷群；2.2.在晶体中形成局部的非晶区域在晶体中形成局部的非晶区域；3.3.由于注入离子的损伤的积累形成非晶层。由于注入离子的损伤的积累形成非晶层。简单简单晶格晶格损伤损伤非晶层非晶层的形成的形成退火方退火方式相同式相同退火方退火方式不同式不同单位体积内的移位原子数目接近半导体的原子密度时，此区域称为非晶区域。局部的非晶区域相互重叠形成非晶层u注入轻离子注入轻离子 在初始阶段，能量损失主在初始阶段，能量损失主要是由电子阻止引起

27、的，不产要是由电子阻止引起的，不产生移位原子。注入离子能量损生移位原子。注入离子能量损失到到一定程度后，核阻止将失到到一定程度后，核阻止将起主要作用，晶格损伤主要产起主要作用，晶格损伤主要产生于此。生于此。u注入重离子注入重离子 对于重离子，主要是通过对于重离子，主要是通过核碰撞损失能量。核碰撞损失能量。Cross sectional TEM images of amorphous layer formation with increasing implant dose(300keV Si-Si)非晶的形成非晶的形成 形成非晶区与注入离子的剂量有关，注入离子的剂量形成非晶区与注入离子的剂量有关

28、，注入离子的剂量越高，产生移位原子数目也就越多，损伤也就越严重，就越高，产生移位原子数目也就越多，损伤也就越严重，就更容易形成非晶区。更容易形成非晶区。晶体非晶区非晶的形成非晶的形成 形成非晶区不但与注入离子的剂量有关，还有形成非晶区不但与注入离子的剂量有关，还有注入离注入离子的能量、质量有关子的能量、质量有关，同时也与，同时也与靶温、晶向靶温、晶向等因素有关。等因素有关。在其他条件相同的情况下，在其他条件相同的情况下，靶温越高，损伤情况越靶温越高，损伤情况越轻轻，这主要是因为在离子注入同时，存在一个，这主要是因为在离子注入同时，存在一个自退火自退火的的过程。温度高时，间隙原子振动大，也就越容

29、易与空位过程。温度高时，间隙原子振动大，也就越容易与空位复合，从而消除缺陷。复合，从而消除缺陷。形成非晶区形成非晶区与靶晶体的取向与靶晶体的取向也有着重要的关系，注也有着重要的关系，注入离子是沿着靶材料的某一晶向入射还是随机入射，对入离子是沿着靶材料的某一晶向入射还是随机入射，对形成非晶区所需临界剂量是不相同的，实验证明，在一形成非晶区所需临界剂量是不相同的，实验证明，在一定条件下，定条件下，沿某一晶向入射时形成非晶区所需的临界剂沿某一晶向入射时形成非晶区所需的临界剂量高于随机入射量高于随机入射。注入离子所造成的晶格损伤，对材料的电学性质将注入离子所造成的晶格损伤，对材料的电学性质将产生重要的

30、影响。例如，由于散射中心的增加，产生重要的影响。例如，由于散射中心的增加，使载流使载流子迁移率下降子迁移率下降；缺陷中心的增加，；缺陷中心的增加，会使非平衡少数载流会使非平衡少数载流子的寿命减少，子的寿命减少，p-np-n结的漏电流增大结的漏电流增大。离子注入被射入的杂质离子大多数离子注入被射入的杂质离子大多数处于晶格间隙位处于晶格间隙位置，起不到施主和受主的作用。置，起不到施主和受主的作用。所以，采用离子注入技术进行掺杂的硅片，必须所以，采用离子注入技术进行掺杂的硅片，必须消消除晶格损伤，并使注入的杂质转入替位位置以实现电激除晶格损伤，并使注入的杂质转入替位位置以实现电激活活。u定义定义 如

31、果将注有离子的硅片在一定温度下，经过适当时如果将注有离子的硅片在一定温度下，经过适当时间的热处理，则硅片中的损伤就可能部分或绝大部分得间的热处理，则硅片中的损伤就可能部分或绝大部分得到消除，少数载流子的寿命及迁移率也会不同程度的得到消除，少数载流子的寿命及迁移率也会不同程度的得到恢复，掺入的杂质也将得到一定比例的电激活，这样到恢复，掺入的杂质也将得到一定比例的电激活，这样的处理过程称为的处理过程称为热退火热退火。退火也叫热处理退火也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火热处理过程都可以称为退火。u热退火的

32、作用热退火的作用（1 1）消除晶格损伤）消除晶格损伤 高温下，原子的振动能增大，因而移动能力加强，高温下，原子的振动能增大，因而移动能力加强，可使复杂的损伤分解为点缺陷或其他形式的简单缺陷，可使复杂的损伤分解为点缺陷或其他形式的简单缺陷，简单缺陷在高温下可以较高的迁移率移动，复合后缺陷简单缺陷在高温下可以较高的迁移率移动，复合后缺陷消失。消失。（2 2）激活杂质）激活杂质 使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到激活杂质的作用。具有电活性，产生自由载流子，起到激活杂质的作用。u对于非晶区域损伤恢复首先发生在损伤区与结晶

33、区的交界面。对于非晶区域损伤恢复首先发生在损伤区与结晶区的交界面。u退火的温度和时间，退火方式等根据实际的损伤情况来确定。退火的温度和时间，退火方式等根据实际的损伤情况来确定。u低剂量造成的损伤，一般在较低温度下退火就可以消除。低剂量造成的损伤，一般在较低温度下退火就可以消除。u载流子激活所需要的温度比起寿命和迁移率恢复所需要的载流子激活所需要的温度比起寿命和迁移率恢复所需要的温度低，因为硅原子进入晶格速度比杂质原子慢。温度低，因为硅原子进入晶格速度比杂质原子慢。u500 500 以下，无规则分布的点缺陷，例如间隙原子、空位以下，无规则分布的点缺陷，例如间隙原子、空位等，随退火温度上升，移动能

34、力增强，因此间隙硼和硅原等，随退火温度上升，移动能力增强，因此间隙硼和硅原子与空位的复合几率增加，使点缺陷消失，替位硼的浓度子与空位的复合几率增加，使点缺陷消失，替位硼的浓度上升，电激活比例增大，提高了自由载流子浓度。上升，电激活比例增大，提高了自由载流子浓度。u500600 500600 范围内，点缺陷通过重新组合或结团，形成较范围内，点缺陷通过重新组合或结团，形成较大尺寸的缺陷团，降低其能量。因硼原子非常小并和缺陷大尺寸的缺陷团，降低其能量。因硼原子非常小并和缺陷团有很强的作用，很容易迁移或被结合到缺陷团中，处于团有很强的作用，很容易迁移或被结合到缺陷团中，处于非激活位置，因而会出现随温度

35、的升高而替位硼的浓度下非激活位置，因而会出现随温度的升高而替位硼的浓度下降的现象，也就是自由载流子浓度随温度上升而下降的现降的现象，也就是自由载流子浓度随温度上升而下降的现象。象。u600 600 以上，硼的替位浓度以接近于以上，硼的替位浓度以接近于5eV5eV的激活能随温度的激活能随温度上升而增加，上升而增加，u图中虚线表示损伤区还没有变为非晶层时的退火性质，实线表示非晶层的退火性质。u对于不是非晶层的损伤区，注入剂量提高时，退火温度必须相应提高。u对于非晶层，其退火温度基本固定在600度附近。u现象现象 高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展

36、宽，偏离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数衰减离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数衰减的拖尾。的拖尾。u产生的原因产生的原因 退火温度同热扩散温度相比很低，在较低的温度下，退火温度同热扩散温度相比很低，在较低的温度下，对完美晶体中的杂质来说，扩散系数是很小的，但注入区对完美晶体中的杂质来说，扩散系数是很小的，但注入区中的晶格因离子注入时造成的损伤，使硅内空位数量比完中的晶格因离子注入时造成的损伤，使硅内空位数量比完美晶体中的要大得多，且存在大量的间隙原子和其他各种美晶体中的要大得多，且存在大量的间隙原子和其他各种缺陷，故杂质的扩散系数增大，扩散效应增强。缺陷，故杂质的扩散系

37、数增大，扩散效应增强。u常规退火方法的缺点常规退火方法的缺点 常规的退火方法常规的退火方法不能完全消除缺陷不能完全消除缺陷，且又会，且又会产生二产生二次缺陷次缺陷，高剂量注入时的，高剂量注入时的电激活率也不够高电激活率也不够高，要想完全，要想完全激活某些杂质所需要的退火温度至少要达到激活某些杂质所需要的退火温度至少要达到10001000。同时，在退火过程中，整个晶片都要经受一次高温同时，在退火过程中，整个晶片都要经受一次高温处理，处理，增加了表面污染增加了表面污染，特别是高温长时间的退火会导，特别是高温长时间的退火会导致明显的致明显的杂质再分布杂质再分布，破坏了离子注入的优点，过大的，破坏了离

38、子注入的优点，过大的温度梯度也可能造成硅片的温度梯度也可能造成硅片的翘曲变形翘曲变形，这些都限制了常，这些都限制了常规的退火方法在规的退火方法在ULSIULSI中的应用。中的应用。u快速热退火快速热退火-Raptid Thermal Processing(Anneal)(RTP或RTA)在氮气或惰性气体的气氛下，极短的时间内，把晶片温度在氮气或惰性气体的气氛下，极短的时间内，把晶片温度加热到所需的温度，并在较短的时间内完成退火。加热到所需的温度，并在较短的时间内完成退火。u作用作用消除由注入所产生的晶格损伤；消除由注入所产生的晶格损伤；恢复材料少子寿命和载流子迁移率；恢复材料少子寿命和载流子迁

39、移率；杂质激活。杂质激活。u目的目的通过降低退火温度，或者缩短退火时间完成退火。通过降低退火温度，或者缩短退火时间完成退火。u方法方法 快速退火技术目前有脉冲激光、脉冲电子束与离子束、连续快速退火技术目前有脉冲激光、脉冲电子束与离子束、连续波激光以及非相干宽带光源等。波激光以及非相干宽带光源等。l若激光辐射区域仍为固相，非晶区是通过固相外延再生长过程变为晶体若激光辐射区域仍为固相，非晶区是通过固相外延再生长过程变为晶体结构，称为固相外延模型；液相则为液相外延。液相外延的退火效果比结构，称为固相外延模型；液相则为液相外延。液相外延的退火效果比固相的好，但因注入区变为液相，杂质扩散情况更严重。固相

40、的好，但因注入区变为液相，杂质扩散情况更严重。l激光退火的特点时间短，杂质几乎不扩散，衬底中及其他电学参数基本激光退火的特点时间短，杂质几乎不扩散，衬底中及其他电学参数基本不受影响。可选择局部退火，通过选择波长和改变能量密度，可在深度不受影响。可选择局部退火，通过选择波长和改变能量密度，可在深度上和表面上进行不同的退火过程，在同一硅片上制造出不同结深或不同上和表面上进行不同的退火过程，在同一硅片上制造出不同结深或不同击穿电压的器件。较好的消除缺陷，使注入杂质的电激活率很高。击穿电压的器件。较好的消除缺陷，使注入杂质的电激活率很高。u定义定义 利用高能量密度的激光束辐射退火材料表面，从而引起被利

41、用高能量密度的激光束辐射退火材料表面，从而引起被照区域的温度突然升高，达到退火效果。照区域的温度突然升高，达到退火效果。u特点特点u电子束退火电子束退火 退火机理同激光退火一样。优点是在较短的时间内升退火机理同激光退火一样。优点是在较短的时间内升到较高的温度，束斑均匀性较激光好，能量转换率高，但到较高的温度，束斑均匀性较激光好，能量转换率高，但在氧化层中产生中性缺陷。在氧化层中产生中性缺陷。u非相干宽带频光源非相干宽带频光源 设备简单，生产效率高，没有光干涉效应，又能保持快设备简单，生产效率高，没有光干涉效应，又能保持快速退火技术的所有优点。速退火技术的所有优点。Isothermal RTA

42、SystemTungsten-halogen(钨钨-卤素）卤素）lamps heating the wafer from one or both side.Furnace RTA System A thermal gradient is established by adjusting the power supplied to different zones of the bell jar,with the hottest zone on top,and the sample is moved into and out of the heated zone to achieve RTA.几种

43、快速退火技术的比较脉冲脉冲激光激光连续波连续波激光激光电子束电子束宽带非相干光宽带非相干光退火退火机理机理固固-液液外延外延固固-固固外延外延固固-液液外延外延退火退火效果效果极 大 的极 大 的激 活 杂激 活 杂质 与 消质 与 消除缺陷，除缺陷，引 起 明引 起 明显 杂 质显 杂 质再分布。再分布。杂 质 无 明杂 质 无 明显再分布，显再分布，退 火 均 匀退 火 均 匀性 差，生性 差，生产率低。产率低。极大的激活杂极大的激活杂质与消除缺陷。质与消除缺陷。引起明显杂质引起明显杂质再分布再分布,在在SiOSiO2 2中产生缺陷中产生缺陷,束束斑均匀性好斑均匀性好,生生产率不高。产率不

44、高。杂质激活率高杂质激活率高,无明显杂质再无明显杂质再分布。分布。1.1.离子注入掺杂纯度高，是因为（离子注入掺杂纯度高，是因为（）A.A.杂质源的纯度高杂质源的纯度高 B.B.注入离子是通过质量分析器选出来的注入离子是通过质量分析器选出来的2.2.离子注入与热扩散相比，哪个要求温度低（离子注入与热扩散相比，哪个要求温度低（）A.A.离子注入离子注入 B.B.热扩散热扩散3.3.离子注入与热扩散相比，哪个高浓度掺杂不受固溶度限制（离子注入与热扩散相比，哪个高浓度掺杂不受固溶度限制（）A.A.离子注入离子注入 B.B.热扩散热扩散5.5.离子注入与热扩散相比，哪个掺杂均匀性好（离子注入与热扩散相

45、比，哪个掺杂均匀性好（）A.A.离子注入离子注入 B.B.热扩散热扩散6.6.离子注入与热扩散相比，哪个可精确控制掺杂浓度，分布离子注入与热扩散相比，哪个可精确控制掺杂浓度，分布和注入深度（和注入深度（）A.A.离子注入离子注入 B.B.热扩散热扩散7.7.离子注入与热扩散相比，哪个横向效应小（离子注入与热扩散相比，哪个横向效应小（）A.A.离子注入离子注入 B.B.热扩散热扩散8.8.减弱或消除沟道现象的措施有（减弱或消除沟道现象的措施有（）(1)(1)入射方向偏离沟道轴向；入射方向偏离沟道轴向；(2)(2)入射方向平行沟道轴向；入射方向平行沟道轴向；(3)(3)样品表面淀积一层二氧化硅；样

46、品表面淀积一层二氧化硅；(4)(4)样品表面淀积一层氮化硅。样品表面淀积一层氮化硅。A A(1)(3)B.(2)(3)C.(1)(3)(4)D.(2)(3)(4)(1)(3)B.(2)(3)C.(1)(3)(4)D.(2)(3)(4)9.9.离子注入所造成的晶格损伤会直接影响半导体材料和器件的离子注入所造成的晶格损伤会直接影响半导体材料和器件的特性，主要影响有（特性，主要影响有（）(1)PN(1)PN结反向漏电流增大结反向漏电流增大 (2)(2)载流子迁移率下降载流子迁移率下降 (3)(3)少子寿命下降少子寿命下降 (4)(4)杂质原子大多处于间隙位置不杂质原子大多处于间隙位置不能提供导电性能

47、能提供导电性能 A.(2)(3)B.(1)(2)(4)C.(2)(3)(4)D.(1)(2)(3)(4)A.(2)(3)B.(1)(2)(4)C.(2)(3)(4)D.(1)(2)(3)(4)10.10.入射离子的两种能量损失模型为：入射离子的两种能量损失模型为：_碰撞和碰撞和_碰撞。碰撞。1 1.阐述离子注入掺杂技术与常规热掺杂技术的不同之处。阐述离子注入掺杂技术与常规热掺杂技术的不同之处。2.2.阐述离子注入技术的应用。阐述离子注入技术的应用。3.3.什么是沟道效应？采取的消除方法有哪些？什么是沟道效应？采取的消除方法有哪些？4.4.注入离子在硅衬底中产生的损伤主要有哪注入离子在硅衬底中产

48、生的损伤主要有哪3 3种？种？5.5.简述退火工艺的定义和目的。简述退火工艺的定义和目的。6.6.简述快速退火的目的和目前快速退火的方法。简述快速退火的目的和目前快速退火的方法。7.7.假设硼以假设硼以100keV100keV、每平方厘米、每平方厘米5 510101414个离子的注入剂个离子的注入剂量进入直径为量进入直径为200mm200mm的硅晶片，试计算峰值浓度。如果的硅晶片，试计算峰值浓度。如果注入在注入在1min1min内完成，求离子束电流。已知此条件下的投内完成，求离子束电流。已知此条件下的投影射程为影射程为0.310.31m m，投影偏差为，投影偏差为0.070.07m m。8.8

49、.假设直径假设直径100mm100mm砷化稼硅晶片在固定离子束电流砷化稼硅晶片在固定离子束电流1010A A下均匀地注入下均匀地注入100keV100keV的锌离子达的锌离子达5min5min，请问单位面积上，请问单位面积上的离子剂量与离子浓度的峰值。的离子剂量与离子浓度的峰值。已知此条件下的投影射已知此条件下的投影射程为程为0.040.04m m，投影偏差为，投影偏差为0.020.02m m。9.9.通过氧化层上所开的窗口注入通过氧化层上所开的窗口注入100keV100keV的硼到硅中形成的硼到硅中形成p-np-n结，如果硼的剂量是结，如果硼的剂量是2 210101515cmcm-2-2，而，而n n型衬底的浓度型衬底的浓度是是10101515cmcm-3-3，试求冶金结的位置。，试求冶金结的位置。21417205 101.57 102 1717191.57 101.57 101.6 1041860qIAt14203max45 102.74 10220.07 10spNNcmR7.（1）根据）根据离子注入峰值浓度公式：离子注入峰值浓度公式：将数值代人得：将数值代人得：离子束电流离子束电流max2spNNR（2）注入离子的总剂量）注入离子的总剂量8.9.