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        離子注入原理

        離子注入是一種向襯底中引入可控制數量的雜質,以改變其電學性能的方法;是一個物理過程,不發生化學反應。離子注入在現代硅片制造過程中有廣泛應用,其中主要的用途是摻雜半導體,離子注入能夠重復控制雜質的濃度和深度。以下為離子注入的原理和優缺點:

        1、阻滯機制

        當離子轟擊進入硅襯底后,與晶格原子碰撞將逐漸失去能量,然后停留在硅襯底內。有兩種阻滯機制,一種是注入的離子與晶格原子的原子核發生碰撞,經過這種碰撞將引起明顯的散射并將能量轉移給晶格原子,這種過程稱為原子核阻滯,在這種“硬”碰撞過程中,晶格原子可以獲得足夠的能量而從晶格束縛能中脫離出來,這將引起晶體結構的混亂和損傷。另一種阻滯過程為入射離子與晶格電子產生碰撞,在電子碰撞過程中,入射離子的路徑幾乎不變,能量轉換非常小,而且晶體結構的損傷也可以忽略。這種“軟”碰撞稱為電子阻滯??傋铚?,即離子在襯底內移動單位距離時的能量損失,可以表示為:Stotal=Sn+Se其中,Sn為原子核阻滯力;Se為電子阻滯力。

        圖1 不同的阻滯示意圖

        圖2 阻滯機理與離子速率的關系

        離子注入過程的離子能量范圍從極淺結(Ultra-Shallow Junction,USJ)的0.1keV低能量到阱區注入的1MeV高能量,這個能量范圍如圖2中的I區域所示。從圖的左邊可以看出對于低能量與高原子序數的離子注入過程,主要的阻滯機制為原子核阻滯。對于高能量、低原子序數的離子注入,電子阻滯機制比較重要。

        2、離子射程

        帶能量的離子穿過標靶后逐漸通過與襯底原子碰撞失去能量,并停留在襯底中。一般情況下,離子的能量越高,就越能深入襯底。然而,即使具有相同的注入能量,所有離子也無法在襯底內剛好停留在相同的深度,因為每個離子與不同的原子產生撞擊。投影離子射程通常都有一個分布區域(見圖4)。具有較高能量的離子束可以穿透到襯底較深的位置,所以有較長的投影離子射程。因為較小的離子有較小的碰撞截面,所以較小的離子可以進入襯底和遮蔽層材料較深的位置。

        圖3 離子的軌跡和投影射程

        圖4 投影離子的分布區域

        投影離子射程是離子注入技術的一個重要參數,因為它可以表明某一種摻雜物結深所需的離子能量,也能決定離子注入過程中所需的注入阻擋層厚度??梢钥闯?,當離子能量為200keV時,硼離子需要較厚的遮蔽層。這是因為硼具有較低的原子序數、較小的原子尺寸和較大的投影離子射程,所以具有比任何其他摻雜離子更深的注入停留位置。對于低原子序數的原子,例如硼,高能量時的主要阻滯機制是電子阻滯,原子核阻滯是高原子序數摻雜物原子的主要阻滯機制。同樣,有較高原子序數的摻雜離子銻,具有較高的阻滯力和短的投影射程,因此需要較薄的遮蔽層材料。

        圖5 硅中摻雜離子的投影射程

        圖6 200keV摻雜離子所需的阻擋層厚度

        3、通道效應

        離子在非晶態材料內的投影射程通常遵循高斯分布,即所謂的常態分布。單晶硅中的晶格原子整齊排列,而且在特定的角度具有很多通道。如果一個離子以正確的注入角度進入通道,它只要具有很少的能量就可以行進很長的距離(見圖7)。這個效應稱為通道效應。通道效應將使離子穿透到單晶硅襯底深處,并在常態摻雜物分布曲線上出現“尾狀”。

        圖7 通道效應

        4、離子注入的優點

        1)精確控制雜質含量:能在很大范圍內控制注入雜質濃度,從1010到 1017  ions/cm2,誤差在±2%之間。擴散在高濃度控制雜質含量誤差在5%到10%以內,但濃度越小誤差越大。

        2)很好的雜質均勻性:用掃描的方法控制雜質的均勻性。

        3)對雜質穿透深度有很好的控制:通過控制注入過程離子能量,控制雜質的 穿透深度,增大了設計的靈活性,如埋層,較大雜質濃度在埋層里,較小 濃度在硅片表面。

        4)產生單一離子束:質量分離技術產生沒有沾污的純離子束,不同的雜質能夠被選出進行注入,高真空保證較少沾污。

        5)低溫工藝:注入在中等溫度(小于125℃)下進行,可以使用不同的光刻掩膜,包括光刻膠。

        6)注入的離子能穿過薄膜:雜質可以通過薄膜注入,如氧化物或氮化物,這就允許MOS晶體管閾值電壓調整在生長柵氧化層之后進行,增大了注入的靈活性。

        7)無固溶度極限: 注入雜質含量不受硅片固溶度限制。

        5、離子注入的缺點

        一是高能雜質離子轟擊硅原子將對晶體結構產生損傷,二是離子注入設備的復雜性。

                                                                                                                                                                                                                                                                                   來源:半導體材料與工藝






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