离子注入说课材料.ppt

4.1 离子注入特点 定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。 特点: ①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,<400℃。 （避免了高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜。） ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在±1％（高浓度扩散5％－10％）；能精确控制浓度分布及结深，特别适合制作高浓度、浅结、突变型分布。 4.1 离子注入特点 ③无污染:注入离子纯度高，能量单一。 （质量分析器；背景真空度高） ④横向扩散小：有利于器件特征尺寸的缩小。 ⑤不受固溶度限制:原则上各种元素均可掺杂。 ⑥注入深度随离子能量的增加而增加。 （诸多优点，使离子注入成为IC工艺的主要掺杂技术） 缺点： ①损伤(缺陷)较多:必须退火。 ②成本高 4.2 离子注入设备原理 离子注入设备结构 ①离子源；②质量分析器；③加速器；④偏束板；⑤扫描器；⑥靶室 离子注入系统的原理示意图 1.离子源 作用：产生注入用的离子。 原理：杂质原子高能电子轰击（电子放电）注入离子 类型：高频，电子振荡，溅射 2.磁分析器（质量分析器） 作用：将所需离子分选出来。 原理：带电离子在磁场中受洛伦磁力作用，运动轨迹发生弯曲。 4.2 离子注入设备原理 3.加速器 作用：使离子获得所需的能量。 原理：利用强电场，使离子获得更大的速度。 4.偏束板 作用：使中性原子束因直线前进不能达到靶室。 原理：用一静电偏转板使离子束偏转5o--8o作用再进入靶室。 4.2 离子注入设备原理 ⑤扫描器 作用：使离子在整个靶片上均匀注入。 方式：①靶片静止，离子束在X,Y方向作电扫描。②粒子束在Y方向作电扫描，靶片在X方向作机械运动。③粒子束静止，靶片在X,Y方向作机械运动。 ⑥靶室（工作室）：高温靶（800℃），低温靶（液氮温度），冷却靶（小于120 ℃）。 4.2 离子注入设备原理 靶：被掺杂的材料。有 晶体靶：Si片； 无定形靶：SiO2、Si3N4、光刻胶等。 无定形靶：可精确控制注入深度。 能量损失机制 核阻挡 – 与晶格原子的原子核碰撞 – 大角度散射（离子与靶原子质量同数量级） – 可能引起晶格损伤（间隙原子和空位） 电子阻挡 – 与晶格原子的自由电子及束缚电子碰撞 – 注入离子路径基本不变 – 能量损失很少 – 晶格损伤可以忽略 典型的注入能量：5 - 500keV 4.3 离子注入机理-核阻挡与电子阻挡 4.3.1 核阻挡本领Sn(E) （能量为E的注入离子） Sn(E)=(dE/dx)n (dE/dx)n --核阻挡能量损失率. 4.3 离子注入机理-核碰撞与电子碰撞 ①注入离子与靶原子的相互作用 库仑力 F(r)=q2Z1Z2/r2 势能 V(r)=q2Z1Z2/r Z1 、Z2 --核电荷数；r—距离。 ②考虑电子的屏蔽作用 势能 V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a) f(r/a)--屏蔽函数；a--屏蔽参数； 最简单（一级近似）：f(r/a)=a/r， 则Sn=Sn0=常数（图4.2，虚线）； 更精确：托马斯-费米屏蔽函数 （图4.2，实线）。 4.3 离子注入机理-核碰撞与电子碰撞 4.3.2 电子阻挡本领 LSS模型：电子是自由电子气，类似黏滞气体。 Se(E)=(dE/dx)e=CV=ke(E)1/2 (dE/dx)e --电子阻挡能量损失率； V - 注入离子速度；C - 常数； ke- 与Z1、Z2、M1、M2有关的常数： {对非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1； 对非晶AsGa：ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1；} 4.3 离子注入机理-核碰撞与电子碰撞 注入离子的阻挡本领与注入能量关系 4.3.3 射程粗略估计 LSS模型：引入简化的无量纲的能量参数ε和射程参数ρ，即 ρ=(RNM1M24πa2)/(M1+M2)2 ε= E0aM2/[Z1Z2q2(M1+M2)] N- 单位体积的原子数； 以dε/dρ–ε1/2 作图，得图4.5 4.3 离子注入机理-核碰撞与电子碰撞 注入离子能量与阻挡本领 ①高能区：电子阻挡占主要，核阻挡可忽略。 ②中能区：核阻挡占与电子阻挡相当； ③低能区：核阻挡占主要，电子阻挡可忽略； 4.3 离子注入机理-核碰撞与电子碰撞 4.3 离子注入机理-核碰撞与电子碰撞 临界能量（交叉能量）Ene( Ec): Sn