离子注入+最详细的课件PPT推荐.ppt
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2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。
5.1离子注入系统,离子源:
用于离化杂质的容器。
常用的杂质源气体有BF3、AsH3和PH3等。
质量分析器:
不同的离子具有不同的质量与电荷,因而在质量分析器磁场中偏转的角度不同,由此可分离出所需的杂质离子,且离子束很纯。
加速器:
为高压静电场,用来对离子束加速。
该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。
中性束偏移器:
利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。
聚焦系统:
将离子聚集成直径为数毫米的离子束。
偏转扫描系统:
使离子束沿x、y方向扫描。
工作室(靶室):
放置样品的地方,其位置可调。
一、离子源作用:
产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。
分类:
等离子体型离子源、液态金属离子源(LMIS)。
掩模方式需要大面积平行离子束源,故一般采用等离子体型离子源,其典型的有效源尺寸为100m,亮度为10100A/cm2.sr。
聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源,当液态金属离子源(LMIS)出现后才得以顺利发展。
LMIS的典型有效源尺寸为5500nm,亮度为106107A/cm2.sr。
1、等离子体型源,这里的等离子体是指部分电离的气体。
虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一,其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同,正、负电荷数相等,宏观上仍为电中性,但其电学特性却发生了很大变化,成为一种电导率很高的流体。
产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。
大规模集成技术中使用的等离子体型离子源,主要是由电场加速方式产生的,如直流放电式、射频放电式等。
离子源,Gas,放电腔,磁铁,吸极,灯丝,2、液态金属离子源(LMIS),LMIS是近几年发展起来的一种高亮度小束斑的离子源,其离子束经离子光学系统聚焦后,可形成纳米量级的小束斑离子束,从而使得聚焦离子束技术得以实现。
此技术可应用于离子注入、离子束曝光、离子束刻蚀等。
LMIS的类型、结构和发射机理,针形,V形,螺旋形,同轴形,毛细管形,液态金属,钨针,类型,对液态金属的要求
(1)与容器及钨针不发生任何反应;
(2)能与钨针充分均匀地浸润;
(3)具有低熔点低蒸汽压,以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发。
能满足以上条件的金属只有Ga、In、Au、Sn等少数几种,其中Ga是最常用的一种。
E1是主高压,即离子束的加速电压;
E2是针尖与引出极之间的电压,用以调节针尖表面上液态金属的形状,并将离子引出;
E3是加热器电源。
E1,E2,E3,针尖的曲率半径为ro=15m,改变E2可以调节针尖与引出极之间的电场,使液态金属在针尖处形成一个圆锥,此圆锥顶的曲率半径仅有10nm的数量级,这就是LMIS能产生小束斑离子束的关键。
引出极,当E2增大到使电场超过液态金属的场蒸发值(Ga的场蒸发值为15.2V/nm)时,液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离,发射金属离子与电子。
其中电子被引出极排斥,而金属离子则被引出极拉出,形成离子束。
若改变E2的极性,则可排斥离子而拉出电子,使这种源改变成电子束源。
E1,E2,E3,引出极,共晶合金LMIS通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体LMIS。
根据冶金学原理,由两种或多种金属组成的合金,其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点,从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。
例如,金和硅的熔点分别为1063oC和1404oC,它们在此温度时的蒸汽压分别为10-3Torr和10-1Torr。
当以适当组分组成合金时,其熔点降为370oC,在此温度下,金和硅的蒸汽压分别仅为10-19Torr和10-22Torr。
这就满足了LMIS的要求。
对所引出的离子再进行质量分析,就可获得所需的离子。
LMIS的主要技术参数,
(1)亮度,亮度的物理意义为单位源面积发射的进入单位立体角内的离子束电流。
LMIS的主要优点之一就是亮度高,其典型值为=106107A/cm2.sr。
(2)能散度能散度是离子束能量分布的半高宽度。
LMIS的主要缺点是能散度大,这将引起离子光学系统的色散,使分辨率下降。
(3)离子束斑尺寸通常为5500nm。
二、质量分析系统1、质量分析器由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成,E与B的方向相互垂直。
离子不被偏转。
由此可解得不被偏转的离子的荷质比qo为,对于荷质比为qo的所需离子,可通过调节偏转电压Vf或偏转磁场B,使之满足下式,就可使这种离子不被偏转而通过光阑。
通常是调节Vf而不是调节B。
下面计算当荷质比为qo的离子不被偏转时,具有荷质比为qs=q/ms的其它离子被偏转的程度。
该种离子在y方向受到的加速度为,该种离子在受力区域(0Lf)内的运动方程为,从上式消去时间t,并将ay代入,得,由此可得偏转量Db为,将前面的B的表达式代入Db,得,讨论
(1)为屏蔽荷质比为qs的离子,光阑半径D必须满足,
(2)若D固定,则具有下列荷质比的离子可被屏蔽,,而满足下列荷质比的离子均可通过光阑,,以上各式可用于评价质量分析器的分辨本领。
2、磁质量分析器,光阑1,光阑2,为向心力,使离子作圆周运动,其,半径为,从上式可知,满足荷质比的离子可通过光阑2。
或者对于给定的具有荷质比为qo的离子,可通过调节磁场B使之满足下式,从而使该种离子通过光阑2,,另外,若固定r和Va,通过连续改变B,可使具有不同荷质比的离子依次通过光阑2,测量这些不同荷质比的离子束流的强度,可得到入射离子束的质谱分布。
其余的离子则不能通过光阑2,由此达到分选离子的目的。
两种质量分析器的比较在质量分析器中,所需离子不改变方向,但在输出的离子束中容易含有中性粒子。
磁质量分析器则相反,所需离子要改变方向,但其优点是中性粒子束不能通过。
三、加速器产生高压静电场,用来对离子束加速。
四、聚焦系统和中性束偏移器用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束,并利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。
五、偏转扫描系统用来使离子束沿x、y方向在一定面积内进行扫描。
扫描系统,全电扫描和混合扫描系统示意,全电扫描,混合扫描,六、工作室(靶室)放置样品的地方,其位置可调。
七、离子束电流的测量,离子注入机的种类,离子注入过程:
入射离子与半导体(称为靶)的原子核和电子不断发生碰撞,其方向改变,能量减少,经过一段曲折路径的运动后,因动能耗尽而停止在靶中的某处。
5.2平均投影射程,射程:
离子从入射点到静止点所通过的总路程平均射程:
射程的平均值,记为R投影射程:
射程在入射方向上的投影长度,记为xp平均投影射程:
投影射程的平均值,记为RP投影射程的标准偏差:
平均投影射程与初始能量的关系,由此可得平均投影射程为,入射离子能量损失的原因是受到核阻挡与电子阻挡。
核阻挡本领,电子阻挡本领,一个入射离子在dx射程内,由于与核及电子碰撞而失去的总能量为,Se的计算较简单,离子受电子的阻力正比于离子的速度。
Sn的计算比较复杂,而且无法得到解析形式的结果。
下图是数值计算得到的曲线形式的结果。
在E=E2处,Sn=Se。
(2)当E0大于E2所对应的能量值时,SnSe,以电子阻挡为主,此时散射角较小,离子近似作直线运动,射程分布较为集中。
随着离子能量的降低,逐渐过渡到以核阻挡为主,离子射程的末端部分又变为折线。
(1)当入射离子的初始能量E0小于E2所对应的能量值时,SnSe,以核阻挡为主,此时散射角较大,离子运动方向发生较大偏折,射程分布较为分散。
Rp与RP的关系,式中,M1、M2分别是入射离子和靶原子的质量。
在实际工作中,平均投影射程RP及标准偏差RP与注入能量E的关系可从图5.9或下表查到。
硅中离子注入能量(KeV)与平均投影射程()的对应关系,一、非晶靶中注入离子的浓度分布非晶靶中注入离子的浓度分布为高斯分布,,5.3注入离子的浓度分布,式中,Q为注入离子的剂量,,注入离子浓度分布的主要特点1、最大浓度位置在样品内的平均投影射程处而不是表面,,注入离子的剂量Q越大,浓度峰值Nmax就越高;
注入离子的能量E越大,RP、RP就越大,Nmax就越低。
2、在x=RP的两侧,注入离子的浓度对称地下降,且下降速度越来越快,,3、结深,得,4、注入杂质的表面浓度,令,5、杂质的横向扩展比扩散工艺要小得多注入离子浓度在空间的三维分布为,在表面x=0处,,在平均投影射程x=Rp处,,注入离子沿y方向的横向结深的计算。
在表面处,令,得表面处的横向结深为,横向结深在x=Rp处达到最大。
在x=Rp处,令,得x=Rp处的横向结深为,与纵向结深相比,,可知横向结深明显小于纵向结深。
将x=Rp处的最大横向结深,二、双层靶中注入离子的浓度分布,目的1、在实际工艺中,常常让离子穿过表面的薄膜注入到下面的衬底中;
2、确定能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的厚度。
以“SiO2-Si”双层靶为例。
设注入的总剂量为Qt,进入SiO2中和进入Si中的剂量分别为QO和QS,SiO2的厚度为dO,杂质在SiO2和Si中的平均投影射程和标准偏差分别为,则SiO2中的注入离子的浓度分布为,进入SiO2中的注入离子的剂量为,利用Si中的等效平均投影射程的概念,可得到Si中的注入离子浓度分布和进入Si中的注入离子的剂量分别为,若设,则可算出,当m分别为2、3、4时,QS分别比Qt小约2个数量级、3个数量级和5个数量级。
三、注入离子浓度分布理论的应用,1、在已知注入离子的能量、剂量和衬底杂质浓度时,可以计算出表面浓度和结深。
2、当注入杂质的最大浓度超过其在靶中的固溶度时,可以计算出杂质浓度超过固溶度的区域的范围。
3、可以计算出当以不同的能量和剂量分几次进行离子注入时,所得到的合成杂质浓度分布。
4、可以计算出能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的最小厚度。
5.4沟道效应,晶体靶对入射离子的阻挡作用是各向异性的,与靶的晶体取向有关。
当沿着晶体的某些低指数晶向观察时,可以看到一些由原子列包围成的直通道,好象管道一样,称为沟道。
当离子沿着沟道方向入射时,其射程会比在非晶靶中大得多,从而偏离高斯函数分布,使注入分布产生一个较长的拖尾。
避免沟道效应的措施1、使离子的入射方向偏离沟道方向710度;
2、在掺杂注入前先用高剂量的Si、Ge、F或Ar离子注入来
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