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离子注入原理

离子注入是一种向衬底中引入可控制数量的杂质,以改变其电学性能的方法;是一个物理过程,不发生化学反应。离子注入在现代硅片制造过程中有广泛应用,其中最主要的用途是掺杂半导体,离子注入能够重复控制杂质的浓度和深度。以下为离子注入的原理和优缺点:

1、阻滞机制

当离子轰击进入硅衬底后,与晶格原子碰撞将逐渐失去能量,最后停留在硅衬底内。有两种阻滞机制,一种是注入的离子与晶格原子的原子核发生碰撞,经过这种碰撞将引起明显的散射并将能量转移给晶格原子,这种过程称为原子核阻滞,在这种“硬”碰撞过程中,晶格原子可以获得足够的能量而从晶格束缚能中脱离出来,这将引起晶体结构的混乱和损伤。另一种阻滞过程为入射离子与晶格电子产生碰撞,在电子碰撞过程中,入射离子的路径几乎不变,能量转换非常小,而且晶体结构的损伤也可以忽略。这种“软”碰撞称为电子阻滞。总阻滞力,即离子在衬底内移动单位距离时的能量损失,可以表示为:Stotal=Sn+Se其中,Sn为原子核阻滞力;Se为电子阻滞力。

图1 不同的阻滞示意图

图2 阻滞机理与离子速率的关系

离子注入过程的离子能量范围从极浅结(Ultra-Shallow Junction,USJ)的0.1keV低能量到阱区注入的1MeV高能量,这个能量范围如图2中的I区域所示。从图的最左边可以看出对于低能量与高原子序数的离子注入过程,主要的阻滞机制为原子核阻滞。对于高能量、低原子序数的离子注入,电子阻滞机制比较重要。

2、离子射程

带能量的离子穿过标靶后逐渐通过与衬底原子碰撞失去能量,并最后停留在衬底中。一般情况下,离子的能量越高,就越能深入衬底。然而,即使具有相同的注入能量,所有离子也无法在衬底内刚好停留在相同的深度,因为每个离子与不同的原子产生撞击。投影离子射程通常都有一个分布区域(见图4)。具有较高能量的离子束可以穿透到衬底较深的位置,所以有较长的投影离子射程。因为较小的离子有较小的碰撞截面,所以较小的离子可以进入衬底和遮蔽层材料较深的位置。

图3 离子的轨迹和投影射程

图4 投影离子的分布区域

投影离子射程是离子注入技术的一个重要参数,因为它可以表明某一种掺杂物结深所需的离子能量,也能决定离子注入过程中所需的注入阻挡层厚度。可以看出,当离子能量为200keV时,硼离子需要最厚的遮蔽层。这是因为硼具有最低的原子序数、最小的原子尺寸和最大的投影离子射程,所以具有比任何其他掺杂离子更深的注入停留位置。对于低原子序数的原子,例如硼,高能量时的主要阻滞机制是电子阻滞,原子核阻滞是高原子序数掺杂物原子的主要阻滞机制。同样,有最高原子序数的掺杂离子锑,具有最高的阻滞力和最短的投影射程,因此需要最薄的遮蔽层材料。

图5 硅中掺杂离子的投影射程

图6 200keV掺杂离子所需的阻挡层厚度

3、通道效应

离子在非晶态材料内的投影射程通常遵循高斯分布,即所谓的常态分布。单晶硅中的晶格原子整齐排列,而且在特定的角度具有很多通道。如果一个离子以正确的注入角度进入通道,它只要具有很少的能量就可以行进很长的距离(见图7)。这个效应称为通道效应。通道效应将使离子穿透到单晶硅衬底深处,并在常态掺杂物分布曲线上出现“尾状”。

图7 通道效应

4、离子注入的优点

1)精确控制杂质含量:能在很大范围内控制注入杂质浓度,从1010到 1017  ions/cm2,误差在±2%之间。扩散在高浓度控制杂质含量误差在5%到10%以内,但浓度越小误差越大。

2)很好的杂质均匀性:用扫描的方法控制杂质的均匀性。

3)对杂质穿透深度有很好的控制:通过控制注入过程离子能量,控制杂质的 穿透深度,增大了设计的灵活性,如埋层,最大杂质浓度在埋层里,最小 浓度在硅片表面。

4)产生单一离子束:质量分离技术产生没有沾污的纯离子束,不同的杂质能够被选出进行注入,高真空保证最少沾污。

5)低温工艺:注入在中等温度(小于125℃)下进行,可以使用不同的光刻掩膜,包括光刻胶。

6)注入的离子能穿过薄膜:杂质可以通过薄膜注入,如氧化物或氮化物,这就允许MOS晶体管阈值电压调整在生长栅氧化层之后进行,增大了注入的灵活性。

7)无固溶度极限: 注入杂质含量不受硅片固溶度限制。

5、离子注入的缺点

一是高能杂质离子轰击硅原子将对晶体结构产生损伤,二是离子注入设备的复杂性。

                                                                                                                                                                                                                                                                           来源:半导体材料与工艺






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