离子注入上
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当剂量固定时，束流越大，扫描时间越短，机器产能越高 扫描时间太短，会影响注入的均匀性(一般最短扫描时间l0s)
（6）杂质剂量与杂质浓度的关系
三、射程与入射离子的分布
1、射程的概念
■ 高能离子进入靶材料后，与靶原子核及其电子碰撞，损失 能量，发生散射，最后停止下来。
■ 离子在靶中的行进路线及其停止位置是随机的。 ■ 射程R：离子在靶中行
■ 对于硼的分布，采用Pearson IV分布描述。
■ 用蒙特卡洛法模拟杂质分布在
离子注入计算机模拟工具中十
分常见。
(a) 标准高斯分布 (b) 峰值略向深处偏移，尾部向表面延伸 (c) 峰值平坦化
不同能量硼离子注入的分布及其与标准高斯分布的差异
四、实际的入射离子分布问题
■ 沟道效应 ■ 横向分布 ■ 复合靶注入
■ 离子注入工艺是IC制造中占主导的掺杂技术 ■ 离子注入：将杂质离化，通过电场加速，将这些离化
的杂质直接打入硅片中，达到掺杂的目的 ■ 一般CMOS工艺流程需6～12次离子注入 ■ 典型的离子注入工艺参数：能量约5～200keV，
剂量约1011～1016/cm2。
（二）MOSFET工艺中的离子注入
■ 放电室：低气压、分解离化气体 BF3 B，B+，BF2+，F+， ……
■ 引出狭缝：负电位，吸引出离子
离子束流量(最大mA量级) 吸极电压Vext：约15～30KV，
决定引出离子的能量(速度)
（2）质量分析器： 选择注入所需的杂质成分(B+) ■ 分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的速度方向 离子运动路径：
离子注入(Ion lmplantation)
■ 概述 ■ 离子注入工艺设备及其原理 ■ 射程与入射离子的分布 ■ 实际的入射离子分布问题 ■ 注入损伤与退火 ■ 离子注入工艺的优势与限制
参考资料： 《微电子制造科学原理与工程技术》第5章离子注入
(电子讲稿中出现的图号是该书中的子注入条件计算杂质浓度的分布
（3）假设衬底为反型杂质，且浓度为NB，计算PN结结深
由N(xj)=NB 可得到结深计算公式：
4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（4）根据分布公式，计算不同深度位置的杂质浓度
5、实际杂质分布偏差描述的改善
■ 对于低浓度区的偏差，采用高斯分布的高次矩描述：
进的总距离 ■ 垂直投影射程Rp：离
子射程在靶深度轴上 的投影距离 ■ 垂直投影射程偏差△Rp： Rp的标准偏差
2、入射离子能量损失机制
■ 核碰撞：入射离子与靶原子核碰撞，因二者质量为同一数 量级，因此一次碰撞可使离子损失较多能量(Sn)， 且可能发生大角度散射。有时还引发连续碰撞。
■ 电子碰撞：入射离子与核外电子碰撞，因质量相差很大，因 此每次碰撞离子损失很少能量(Se)，且都是小角 度散射。
1、沟道效应：在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时，
有部分离子可能会行进很长距离，造成较深的杂质分布。
■ 当离子速度方向与晶轴方向夹角远大于临界角时， 沟道效应很小。
■ 临界角
图5.12 典型杂质在硅中 的临界角
上：<111>衬底 下：<100>衬底
■ 解决沟道效应的方法
（1）偏轴注入：一般选取5～7倾角，入射能量越小，所需 倾角越大
由下式决定
Rp与入射离子质量和能量有关； Rp与入射离子与靶原子质量比有关
注 意： Rp与Rp可由LSS表 查出
（2）入射离子的分布 ■ 对于无定形靶，离子浓度沿深度方向分布的一阶近似关系：
式中，是注入离子剂量(/cm2) ■ 深度为Rp时的离子浓度为最大值： ■ 离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量：
二、离子注入工艺设备及其原理
1、离子注入技术的三大基本要素：
(1) 离子的产生 (2) 离子的加速 (3) 离子的控制
2、离子注入系统的三大组成部分：
(1) 离子源——杂质离子的产生 (2) 加速管——杂质离子的加速 (3) 终端台——离子的控制
（1）离子源：
产生杂质离子
■ 气态源： (或固体源) BF3 AsH3 PH3 SiH4 H2
离子运动速率：
质量m+m的离子产生的位移量
■ 出口狭缝：只允许一种(m/q)的离子离开分析仪
（3）加速管： 加速离子，获得所需能量；高真空(<10-6 Torr)
■ 静电透镜：离子束聚焦 ■ 静电加速器：调节离子能量 ■ 静电偏转系统：滤除中性粒子
（4）终端台：
控制离子束扫描和剂量
■ 离子束扫描
■ 入射离子能量损失：
■ 电子阻滞 ．
在轻离子、高能量注入条 件下占主导
■ 核阻滞
当能量较低时，E ，Sn ； 当能量较高时，E ，Sn ；
Sn在某能量处有最大值。 在重离子、低能量注入条
件下占主导
图5.8 常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系
3、核阻滞理论(射程理论，LSS 理论)
（1）离子投影射程
4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（1）已知杂质种类(P，B，As)，离子注入能量(Kev)，靶材
(Si，SiO2，Si3N4等)
求解第1步
查LSS表可得到Rp和△Rp
（2）已知离子注入时的注入束流I，靶面积A，注入时间t
求解第2步 计算离子注入剂量：
求解第3步 计算杂质最大浓度：
求解第4步 写出杂质浓度分布公式：
（2）衬底非晶化预处理：进行一次高剂量Ar+注入，使硅表面 非晶化
（3）非晶层散射：表面生长200～250Å二氧化硅(Screen Oxide) ， 使入射离子进入硅晶体前方向无序化
（4）注入杂质的自非晶化效应：重杂质(As)，高剂量注入
静电光栅扫描：适于中低束流机
机械扫描：适于强束流机
■ 剂量控制
法拉第杯：捕获进入的电荷，
测量离子流
注入剂量：
当一个离子的荷电态为m时， 注入剂量为：
图5.5 两种注入机扫描系统
（5）离子注入工艺控制参数 ■ 杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P++，B++，… ■ 注入能量(单位：Kev) —— 决定杂质分布深度和形状 ■ 注入剂量(单位：原子数/cm2) —— 决定杂质浓度 ■ 束流(单位：mA或uA) —— 决定扫描时间 ■ 注入扫描时间(单位：秒) —— 决定注入机产能
（6）杂质剂量与杂质浓度的关系
三、射程与入射离子的分布
1、射程的概念
■ 高能离子进入靶材料后，与靶原子核及其电子碰撞，损失 能量，发生散射，最后停止下来。
■ 离子在靶中的行进路线及其停止位置是随机的。 ■ 射程R：离子在靶中行
■ 对于硼的分布，采用Pearson IV分布描述。
■ 用蒙特卡洛法模拟杂质分布在
离子注入计算机模拟工具中十
分常见。
(a) 标准高斯分布 (b) 峰值略向深处偏移，尾部向表面延伸 (c) 峰值平坦化
不同能量硼离子注入的分布及其与标准高斯分布的差异
四、实际的入射离子分布问题
■ 沟道效应 ■ 横向分布 ■ 复合靶注入
■ 离子注入工艺是IC制造中占主导的掺杂技术 ■ 离子注入：将杂质离化，通过电场加速，将这些离化
的杂质直接打入硅片中，达到掺杂的目的 ■ 一般CMOS工艺流程需6～12次离子注入 ■ 典型的离子注入工艺参数：能量约5～200keV，
剂量约1011～1016/cm2。
（二）MOSFET工艺中的离子注入
■ 放电室：低气压、分解离化气体 BF3 B，B+，BF2+，F+， ……
■ 引出狭缝：负电位，吸引出离子
离子束流量(最大mA量级) 吸极电压Vext：约15～30KV，
决定引出离子的能量(速度)
（2）质量分析器： 选择注入所需的杂质成分(B+) ■ 分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的速度方向 离子运动路径：
离子注入(Ion lmplantation)
■ 概述 ■ 离子注入工艺设备及其原理 ■ 射程与入射离子的分布 ■ 实际的入射离子分布问题 ■ 注入损伤与退火 ■ 离子注入工艺的优势与限制
参考资料： 《微电子制造科学原理与工程技术》第5章离子注入
(电子讲稿中出现的图号是该书中的子注入条件计算杂质浓度的分布
（3）假设衬底为反型杂质，且浓度为NB，计算PN结结深
由N(xj)=NB 可得到结深计算公式：
4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（4）根据分布公式，计算不同深度位置的杂质浓度
5、实际杂质分布偏差描述的改善
■ 对于低浓度区的偏差，采用高斯分布的高次矩描述：
进的总距离 ■ 垂直投影射程Rp：离
子射程在靶深度轴上 的投影距离 ■ 垂直投影射程偏差△Rp： Rp的标准偏差
2、入射离子能量损失机制
■ 核碰撞：入射离子与靶原子核碰撞，因二者质量为同一数 量级，因此一次碰撞可使离子损失较多能量(Sn)， 且可能发生大角度散射。有时还引发连续碰撞。
■ 电子碰撞：入射离子与核外电子碰撞，因质量相差很大，因 此每次碰撞离子损失很少能量(Se)，且都是小角 度散射。
1、沟道效应：在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时，
有部分离子可能会行进很长距离，造成较深的杂质分布。
■ 当离子速度方向与晶轴方向夹角远大于临界角时， 沟道效应很小。
■ 临界角
图5.12 典型杂质在硅中 的临界角
上：<111>衬底 下：<100>衬底
■ 解决沟道效应的方法
（1）偏轴注入：一般选取5～7倾角，入射能量越小，所需 倾角越大
由下式决定
Rp与入射离子质量和能量有关； Rp与入射离子与靶原子质量比有关
注 意： Rp与Rp可由LSS表 查出
（2）入射离子的分布 ■ 对于无定形靶，离子浓度沿深度方向分布的一阶近似关系：
式中，是注入离子剂量(/cm2) ■ 深度为Rp时的离子浓度为最大值： ■ 离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量：
二、离子注入工艺设备及其原理
1、离子注入技术的三大基本要素：
(1) 离子的产生 (2) 离子的加速 (3) 离子的控制
2、离子注入系统的三大组成部分：
(1) 离子源——杂质离子的产生 (2) 加速管——杂质离子的加速 (3) 终端台——离子的控制
（1）离子源：
产生杂质离子
■ 气态源： (或固体源) BF3 AsH3 PH3 SiH4 H2
离子运动速率：
质量m+m的离子产生的位移量
■ 出口狭缝：只允许一种(m/q)的离子离开分析仪
（3）加速管： 加速离子，获得所需能量；高真空(<10-6 Torr)
■ 静电透镜：离子束聚焦 ■ 静电加速器：调节离子能量 ■ 静电偏转系统：滤除中性粒子
（4）终端台：
控制离子束扫描和剂量
■ 离子束扫描
■ 入射离子能量损失：
■ 电子阻滞 ．
在轻离子、高能量注入条 件下占主导
■ 核阻滞
当能量较低时，E ，Sn ； 当能量较高时，E ，Sn ；
Sn在某能量处有最大值。 在重离子、低能量注入条
件下占主导
图5.8 常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系
3、核阻滞理论(射程理论，LSS 理论)
（1）离子投影射程
4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（1）已知杂质种类(P，B，As)，离子注入能量(Kev)，靶材
(Si，SiO2，Si3N4等)
求解第1步
查LSS表可得到Rp和△Rp
（2）已知离子注入时的注入束流I，靶面积A，注入时间t
求解第2步 计算离子注入剂量：
求解第3步 计算杂质最大浓度：
求解第4步 写出杂质浓度分布公式：
（2）衬底非晶化预处理：进行一次高剂量Ar+注入，使硅表面 非晶化
（3）非晶层散射：表面生长200～250Å二氧化硅(Screen Oxide) ， 使入射离子进入硅晶体前方向无序化
（4）注入杂质的自非晶化效应：重杂质(As)，高剂量注入
静电光栅扫描：适于中低束流机
机械扫描：适于强束流机
■ 剂量控制
法拉第杯：捕获进入的电荷，
测量离子流
注入剂量：
当一个离子的荷电态为m时， 注入剂量为：
图5.5 两种注入机扫描系统
（5）离子注入工艺控制参数 ■ 杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P++，B++，… ■ 注入能量(单位：Kev) —— 决定杂质分布深度和形状 ■ 注入剂量(单位：原子数/cm2) —— 决定杂质浓度 ■ 束流(单位：mA或uA) —— 决定扫描时间 ■ 注入扫描时间(单位：秒) —— 决定注入机产能