soc工艺 ch6离子注入资料.ppt

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本章主要内容 6.1概述 6.2离子注入原理 6.3注入离子在靶中的分布 6.4注入损伤 6.5退火 6.6离子注入设备与工艺 6.7离子注入的其它应用 离子注入过程是一个非平衡过程,高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞,逐步损失能量,最后停下来。停下来的位置是随机的,大部分不在晶格上,因而没有电活性。 1963年,Lindhard, Scharff and Schiott首先确立了注入离子在靶内分布理论,简称 LSS理论。 LSS理论对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究。 该理论认为,注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程: (1) 核碰撞(nuclear stopping); (2) 电子碰撞 (electronic stopping) 总能量损失为两者之和。 核碰撞:能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞,离子能量转移到原子核上,结果将使离子改变运动方向,而靶原子核可能离开原位,成为间隙原子核,或只是能量增加。 核阻止本领:能量为E的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。离子在其运动路径x处的能量为E,核阻止本领Sn(E)定义为 注入离子与靶内原子之间弹性碰撞,动量和能量守恒,当p=0时发生正面碰撞,转移给M2的最大能量: 电子碰撞指的是注入离子与靶内白由电子以及束缚电子之间的碰撞。 注入离子和靶原子周围电子云通过库仑作用,使离子和电子碰撞失去能量,而束缚电子被激发或电离,自由电子发生移动。瞬时地形成电子-空穴对。定义电子的阻止本领Se(E)为: 电子的阻止本领与入射离子的速度成正比,即 注入离子在靶内受到的碰撞是随机的,所以杂质分布也是按几率分布的。 离子进入非晶层(穿入距离)的分布接近高斯分布。 设注入离子的初始能量为E0,从进入靶面到静止时所经过的总距离 横向效应指的是注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况。 假定掩膜窗口宽为2a,窗口区域为(-a, +a)内,在掩膜窗口的内侧,例子浓度较窗口中央有所减少;而在掩膜窗口边缘,离子浓度降低至最大值一半;距离大于+a或小于-a时,各处浓度按余误差分布 6.4.1级联碰撞 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。能量淀积有弹性碰撞(入射离子能量较低)和非弹性碰撞(入射离子能量较高)两种形式。 移位原子:因碰撞而离开晶格位置的原子。 移位阈能Ed:使一个处于平衡位置的原子发生移位,所需的最小能量。 (对于硅原子, Ed?15eV) 碰撞中,当转移能量2EdEEd时,只能使一个靶原子位移;若移位原子能量2Ed时,移位原子再碰撞其它原子,使其它原子再位移,这种现象称级联碰撞。 6.4.3非晶化层的形成 6.5退火 退火:将离子注入后的样品进行热处理,以消除辐射损伤,激活注入杂质,恢复晶体的电性能。 具体工艺:在某一高温下保持一段时间,使杂质通过扩散进入替位,有电活性;并使晶体损伤区域”外延生长”为晶体,恢复或部分恢复硅的迁移率,少子寿命。 6.5退火 退火的目的 去除由注入造成的损伤,让硅晶格恢复原有完美晶体结构 让间隙杂质进入电活性位置-替位位置。 恢复电子和空穴迁移率。 注意:退火过程中应避免大幅度的杂质再分布 剂量对退火的影响 QT低,简单损伤,在较低温度下退火就可以消除。QT=1013/cm2,T ≈ 300 ℃退火,缺陷基本上消除; QT增大,形成非晶区,T≈400℃退火,Si中无序群才开始分解,Sb激活率只有20-30%,非晶区的重新结晶要在550-600 ℃。在此温度Si也随着结晶形成而进入晶格,被电激活。 重结晶常伴有位错环产生,低于800℃位借环的产生随温度升高而增加。 非晶区在重新结晶时,在新结晶区与原晶体区的交界面可能发生失配现象。 6.5.2硼的退火 150keV硼以三种不同剂量注入硅的退火温度与电激活比例(自由载流子和注入剂量的比); 低剂量情况点激活比例随着温度的升高而单调增大; 高剂量退火特性与温度变化分为三个温度区; I区(500 ℃以下),无规则分布的点缺陷控制自由载流子浓度,温度升高,移动能力加强。 II区(500~600 ℃ ),点缺陷通过重新组合或结团,凝聚为位错环等缺陷团,降低其能量。 III区(600 ℃ 以上),替位硼浓度随着温度的上升而增加。 6.5.3磷的退火 实线为非晶层退火,虚线为损伤去不是非晶层的退火; 低剂量时,磷的退火与硼相似; 高剂量时,形成的无定型层出现不同的退火机理。对所有高剂量的注入,基本适合退火温度仅600 ℃,此时在单晶层上发生无定型的固相外延,此温度低于非无定形的退火温度。 6.5.4高温退火引起的杂质再分布 6.5.5 二次缺陷 退火后可能发生由几个简单损伤的再结合而形成复杂的

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