射程参数


RNm1 m2 4a2
(m1 m2 )2
其中，m1，m2为注入离子和靶原子的质量，N是单位体积 内的原子数，a为屏蔽长度
a

0.88a0
( Z11/ 3

Z 2/3 2
)1/ 2
由此，导出核阻止能量损失曲线。P84图4.5
13
1、注入离子能量三个区域中的阻止机制
1）低能区：核阻止 2）中能区：核阻止、电子阻止 3）高能区：电子阻止
注入离子靶原子：形成间隙-空位缺陷； 间隙靶原子靶原子：在入射离子轨迹周围形成大量
间隙-空位缺陷。
因此，须消除衬底损伤，并使注入离子处于电激 活位置，以达到掺杂目的。
31
一、级联碰撞
1、几个概念
1) 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。 弹性碰撞： 总动能守恒 注入离子能量低 非弹性碰撞：总动能不守恒 注入离子能量高 在集成电路制造中，注入离子的能量较低，弹性碰撞占 主要地位。
exp
1 2
y2

Y
2

z2 Z 2

(x Rp)2 R p 2

（4.21） 因入射靶材为各向同性的非晶材料，则在垂直入射方向的平
面内分布是对称的，即有
Y Z R 即Y方向、Z方向上的标准偏差 等于 横向离散 R 。
25
通过狭窄掩模窗口注入离子后的杂质分布情况
14
2、一级近似下的阻止机制
1)核阻止本领
S
0 n
与入射离子E能量无关；
2)电子阻止本领 Se (E)与速度成正比关系；
3)在EC处核阻止和电子阻止本领相等，不同的靶材料和不同的
注入离子, EC不同。 a)若E0>> EC，电子阻止
射程R k1E1/ 2 （4.13）s
Se (E)
S
0 n
b)若E0<< EC，核阻止
E0 Z1 m1
入射离子 p 碰撞参数
m1 E1 Z1
1
m1
m2 靶离子
2
E2
Z2
m2
二体弹性碰撞
8
碰撞参数p：运动球经过静止球附近而不被散射情况下，两 球之间的最近距离。 由上图可知，p≤R1+R2时，发生碰撞和能量转移。
当p＝0时，两球发生正面碰撞，此时传输能量最大，利用动 量守恒和动能守恒，可得
入射能量
20 40
注入硅中的离
子
60 80 100 120 140 160 180
B
RP 714 1413 2074 2695 3275 3802 4284 4745 5177
RP 276 443 562 653 726 713 855 910 959
P
RP 255 488 729 976 1228 1483 1740 1996 2256
表现为宏观热能 移位原子 移位原子，并引起其它原子移位
3) 与入射离子碰撞而发生移位的原子，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，称为第二级反冲 原子。这种不断碰撞的现象称为级联碰撞。
若级联碰撞密度不大：孤立的点缺陷； 若级联碰撞密度很高：非晶区。
33
2、注入离子在硅衬底中产生的几类损伤
第四章 离子注入
所谓“离子注入”，简单地讲，就是先使待掺杂的 原子(或分子)电离，再加速到一定能量使之“注入” 到晶体中，然后经过退火使杂质激活，达到掺杂的 目的。
离子注入和扩散技术都是对半导体进行掺杂的方法， 但离子注入掺杂具有很好的可控性和灵活性，使它 成为一种重要的、不可缺少的掺杂工艺。例如，浅 结主要是依靠离子注入技术来完成的。
数，用
S
0 n
表示。
b）若电子屏蔽函数
f ( r ) exp( r )
a
a
即托马斯-费米屏蔽函数图4.3，离子损失能量与核阻止Sn (E)
的关系如图4.2。
由图可见，低能量时，核阻止 本领随能量的增加呈线性增加。 在某个中等能量达到最大值。 高能量时，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，核阻止本领变 小。
2）远距离情况：需考虑电子屏蔽作用。靶原子外围绕着电 子，正的核势能受到部分屏蔽，不能全部作用于注入离子。 利用屏蔽函数对势函数进行修正。
V (r) q2Z1Z2 f ( r )
r
a
式中，f(r/a)是电子屏蔽函数，a为屏蔽参数。
（4.8）
10
a）若电子屏蔽函数
f(r) a ar
则，势函数与距离的平方成反比，注入离子损失能量为常
2
离子注入掺杂技术的主要特点
1、离子注入技术通过质量分析器选出单一的杂质离子，
保证了掺杂的纯度。 2、可精确控制注入离子数目，剂量在1011~1017离子/cm2
较宽的范围内，同一平面内杂质分布的均匀性远高于
扩散工艺。 3、离子注入扩大了杂质的选择范围；其掩蔽膜可采用
SiO2、金属膜或光刻胶。
4、离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，
20
在能量一定情况下轻离子比重离子的射程深
21
4、离子注入结深计算
N(xj)
NS
2 Rp
exp

1 2

xj Rp Rp
2



NB
x j Rp Rp
2
ln


1
Ns
2 Rp
NB

（*2）
22
实际注入离子偏离理想高斯分布
（*1）
17
一、纵向分布
对于无定形靶（如SiO2、Si3N4、Al2O3、光刻胶等），注 入离子的纵向浓度分布可用高斯函数表示：
N ( x)

Nmax
exp

1 2

x Rp Rp
2


N(x)表示距离靶表面为x的
注入离子浓度；
（4.15）
Nmax为峰值处的浓度。
3. 解决办法：使晶体相对注入离子呈现无定形的情况。 晶体主轴方向偏离注入方向，典型值 7°左右； 晶体表面覆盖无定形材料(SiO2、Si3N4、Al2O3、光刻胶)。
29
硅晶体的原子构型
30
§ 4.3 注入损伤
离子注入的最大优点是可精确控制掺杂杂质的数 量及深度；但同时，衬底晶格损伤也不可避免。
移位原子都将形成Frenkel缺陷
空位（V）、二阶空位（V2）、高阶空位（复合的空 位）、间隙（I）
三类晶格损伤
点缺陷或缺陷群 局部非晶区域 非晶层
简单晶格损伤 非晶层形成
x
xp 0
离子射程R及投影射程xp
16
有关射程的概念
射程R：离子从进入靶到停止，所走过的总距离。
投影射程xp：射程在离子入射方向投影的长度。 平均投影射程Rp：所有入射离子投影射程的平均值，即
离子注入深度的平均值。
投影射程的标准偏差∆Rp：表征注入离子分布分散情况。
Rp xp Rp 2
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二、横向效应
横向效应 指 注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情 况。
Rp xp Rp 2
y
xp 0
z
x
24
一束半径很小的离子束，沿垂直于靶表面的x方向入射到各 向同性的非晶靶内，考虑横向效应的注入离子空间分布函 数为
f
(x,
y,
z)

1
(2 )3/2 RpYZ
的能量为

dE dx

[Sn (E)

Se (E)]
（4.3）
离子在靶内运动的总路程R为
0
R
dE
E0
dE
E0 Sn (E) Se (E) 0 Sn (E) Se (E)
（4.4）
7
一、核阻止本领
核阻止可理解为能量为E的一个注入离子，在单位 密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子的能量。
6
引入核阻止本领Sn(E)和电子阻止本领Se(E)来说明注入 离子在靶内能量损失的具体情况。
一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则
核阻止本领定义为
S
n
(
E
)


dE dx

n
（4.1）
电子阻止本领定义为
S
e
(
E
)
Байду номын сангаас

dE dx

e
（4.2）
则在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失
因而易于制作极低的浓度和很浅的PN结。
3
5 、 注 入 温 度 一 般 不 超 过 400℃ ， 退 火 温 度 也 较 低
（650℃），避免了高温过程带来的不利（如结的推
移、热缺陷等）。
6、离子注入的横向扩散很小，利于提高集成电路的集
成度，并能制作出频率较高的MOS器件和击穿电压 较高的器件； 7、可以通过半导体表面上一定厚度的SiO2膜进行注入
2) 因碰撞而离开晶格位置的原子称为移位原子。 一个处于晶格位置的原子发生移位，所需要的最小能量 称为移位阈能Ed。（与靶材相关，硅靶：14~15eV）
32
经碰撞，注入离子与靶内原子进行能量传递后，靶内原 子可出现三种情形
a) 传递能量< Ed b) Ed <传递能量< 2Ed c) 2Ed <传递能量
离子在靶内运动时，损失能量可分两类：一是核阻止，二 是电子阻止。
核阻止即核碰撞，是注入离子与靶原子核之间的相互碰撞。 因两者质量是一个数量级，一次碰撞可以损失较多能量， 且可能发生大角度散射，使靶原子核离开原来的晶格位置， 留下空位，形成缺陷。