5-离子注入解析

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离子注入知识学习

⑤不受固溶度限制:原则上各种元素均可掺杂。
⑥注入深度随离子能量的增加而增加。
（诸多优点,使离子注入成为IC工艺的主要掺杂技术）
缺点:
①损伤(缺陷)较多:必须退火。
②成本高
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4.2 离子注入设备原理
离子注入设备结构
①离子源;②质量分析器;③加速器;④偏束板;⑤扫描器;⑥靶室
离子注入系统的原理示意图
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4.3 离子注入机理 -核碰撞与电子碰撞
4.3.3 射程粗略估计
LSS模型:引入简化的无量纲的能量参数ε和射程参数ρ,即 ρ=(RNM1M24πa2)/(M1+M2)2 ε= E0aM2/[Z1Z2q2(M1+M2)]
N- 单位体积的原子数; 以dε/dρ–ε1/2 作图,得图4.5
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4.3 离子注入机理 -核碰撞与电子碰撞
①注入离子与靶原子的相互作用
库仑力 F(r)=q2Z1Z2/r2
势能
V(r)=q2Z1Z2/r
Z1 、Z2 --核电荷数;r—距离。
②考虑电子的屏蔽作用
势能
V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a)
f(r/a)--屏蔽函数;a--屏蔽参数;
膜。） ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在
±1％（高浓度扩散5％－10％）;能精确控制浓度分布及结深,特别适合制作高浓度、浅结、突变型分布。
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4.1 离子注入特点
③无污染:注入离子纯度高,能量单一。
（质量分析器;背景真空度高）
④横向扩散小:有利于器件特征尺寸的缩小。
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5离子注入

• (4)束流是发散的，可以省去束流约束与扫描系统而达到大的注入面积 • 其革命性主要表现在两个方面 • 一是它的高性能 • 一是使离子注入机的结构大大简化，主要由离子源、靶室和真空系统这三部分组成
• M EVVA源金属离子注入特别适用于以下几类工模具和零部件的表面处理： • (1)金属切削工具(包括各种用于精密加工和数控加工中使用的钻、铣、车、磨等工具和硬质合金工具)，一般可以提高使用寿命3-10倍； • (2)热挤压和注塑模具，可使能耗降低 20%左右，延长使用寿命10倍左右；
2、离子注入基本原理
• 用一定能量的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。
2、离子注入基本原理
• 离子束材料改性，内容主要包括三个方面 1、改善物理性能例如改善材料发面的电磁学及光学性能，提尚超导的转变温度等； 2．改善化学性能例如提高材料表面的抗腐蚀、抗氧化件能； 3．改善机械性能例如改变材料表面的摩擦系数，提高表面硬度和抗磨损能力，改善 • 材料的疲劳性能等。
• 2）、离子注入应用于金属材料改性 70年代以后，离子注入在金属表面改性方面的应用迅速发展。 • 离子注入应用于金属材料改性，是在经过热处理或表面镀膜工艺的金属材料上，注入一定剂量和能量的离子到金属材料表面，改变材料表层的化学成份、物理结构和相态，从而改变材料的力学性能、化学性能和物理性能。 • 具体地说，离子注入能改变材料的声学、光学和超导性能，提高材料的工作硬度、耐磨损性、抗腐蚀性和抗氧化性，最终延长材料工作寿命。
• 这种退火有两种方式。 • ①高温（约 900℃）热退火为常用的方式。在集成电路工艺中，这种退火往往与注入后的其他高温工艺一并完成。这些高温工艺会引起杂质的再一次扩散，从而改变原有的杂质分布，在一定程度上破坏离子注入的理想分布，高温过程也可使过饱和的注入杂质失活。

第5章离子注入

第5章离⼦注⼊第五章离⼦注⼊15.1 概述5.2离⼦注⼊原理5.3注⼊离⼦在靶中的分布5.4 注⼊损伤5.5 退⽕5.6 离⼦注⼊设备与⼯艺5.7 离⼦注⼊的其它应⽤5.8 离⼦注⼊与热扩散⽐较及掺杂新技术5.1 概述2什么是离⼦注⼊：将原⼦电离，在强电场作⽤下离⼦被加速射⼊靶材料的表层，以改变这种材料表层的性质。

离⼦注⼊⼯艺：⽤离⼦注⼊⽅法，将⼀定剂量的Ⅲ、Ⅵ族杂质注⼊到半导体晶⽚的特定区域，再进⾏退⽕，激活杂质，修复晶格损伤，从⽽获得所需的杂质浓度，形成pn结。

离⼦注⼊⼯艺特点3杂质浓度分布与总量可控性好；是⾮平衡过程，不受固溶度限制；注⼊杂质纯度⾼，能量单⼀，洁净度好；室温注⼊，避免了⾼温过程对靶⽚的影响；杂质分布的横向效应⼩，有利于器件尺⼨的缩⼩；离⼦注⼊会造成晶格缺陷，甚⾄⾮晶化，即使退⽕也以难完全消除；是单⽚⼯艺，⽣产效率低、成本⾼；设备复杂、价格昂贵。

5.2离⼦注⼊原理射程R ：离⼦在靶内移动的总路线长度；投影射程x P ：在⼊射⽅向上离⼦射程的投影距离射程的横向分量x i ：在与⼊射⽅向垂直的⽅向上离⼦射程的投影距离45.2.1 与注⼊离⼦分布相关的⼏个概念R =l 1+l 2+l 3…5.2.1 与注⼊离⼦分布相关的⼏个概念射程分布：⼤量⼊射离⼦投影射程的统计分布，即靶内⼊射离⼦浓度分布平均投影射程（R p ）：正是离⼦浓度最⼤值位置投影射程标准偏差（?R p ）：是平均投影射程的统计波动横向标准偏差（?R ⊥）：是射程的平均横向分量的统计波动。

5注⼊离⼦的⼆维分布5.2.2 离⼦注⼊相关理论基础6在集成电路制造中，注⼊离⼦的能量⼀般为5~500keV，进⼊靶内的离⼦不仅与靶内的⾃由电⼦和束缚电⼦发⽣相互作⽤，⽽且与靶内原⼦核相互作⽤。

LSS理论认为注⼊离⼦在靶内的能量损失分为两个彼此独⽴的部分：⼊射离⼦与原⼦核的碰撞，即核阻挡的能量损失过程；⼊射离⼦与电⼦的碰撞，即电⼦阻挡的能量损失过程。

第四章离子注入介绍

离子束从<111>轴偏斜7°入射
入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟道效应, 只有当入射离子的入射角小于某一角度时才会发生, 这个角称为临界角
沟道效应与离子注入方向的关系
沟道效应与单晶靶取向的关系
硅的<110 >方向沟道开口约
1.8 Å, <100 >方向沟道开口
约11.22 Å, <111>方向沟道开口介
3. 射程估算
a. 离子注入能量可分为三个区域:
低能区— 核阻滞能力占主导地位，电子阻滞可被忽略；
中能区— 在这个比较宽的区域，核阻滞和电子阻滞能力同等重要，必须同时考虑；主导地位, 核阻滞可被忽略。超出高实能际区应—用电范子围阻；滞能力占
b.Sn(E) 和 Se(E) 的能量变化曲线都有最大值。分别在低能区和高能区；
能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，损失
给靶原子核的能量S n。E
dE dx
n
能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。
❖低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加, 而在某个中等能量达到最大值, 在高能量时, 因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, 所以核阻止变小。
❖ 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质浓度可以不受固溶度的限制。
❖ 6.离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所引起的热缺陷。
❖ 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器件特征尺寸缩小。

离子注入介绍

离子束的用途：
掺杂，曝光，刻蚀，镀膜，退火，净化，改性，打孔，切割，等。不同的用途需要不同的离子能量E，
E<10Kev 刻蚀，镀膜 E:10~50Kev 曝光 E>50Kev 注入掺杂
概述
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晶元中，达到掺杂的目的
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，因为熔点高或蒸气压高而无法制成单体LMIS。
根据冶金学原理，由两种或者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气压。
例如，金和硅的熔点分别为1063℃和1404℃，他们在此温度的蒸气压分别为1e-3Torr和1e-1Torr。当以适当的组分组成合金时，其熔点降为370℃，在此温度下，金和硅的蒸气压分别仅为1e22Torr和1e-19Torr。这就满足了LMIS的要求。
加速方式：先加速后分析前后加速，中间分析第二种方式比较常见
聚焦系统和中性束偏移器
5.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静电光栅扫描，适于中低束流机机械扫描，适于强束流机
离子束电流的测量
法拉第杯：捕获进入的电荷，测量离子电流注入剂量：
当一个离子的荷电量为m时，注入剂量为：
两种质量分析器的对比：
在E×B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，所需离子需要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。
离子加速器
产生高压静电场，用来对离子加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量，一般需要<1e-6Torr的真空环境

第四章离子注入

1）离子束扫描： ——扫描方式：静电扫描、机械扫描和混合扫描。常用静电扫描和混合扫描。
——静电光栅扫描适于中低束流机，机械扫描适于强束流机。
两种注入机扫描系统
在盘山的取样狭缝
法拉第杯电流测量
带硅片的扫描盘
抑制栅孔径法拉第杯
粒子束
电流积分仪
扫描方向
离子注入机示意图
离子源
等离子体吸出组件
源磁铁
离子源
N
S
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
吸出组件
接地电极
抑制电极
-
-
-
-
-
+粒子束
-
-
-
-
-
-
To PA
N S
5V 灯丝
120 V 起弧
2.5 kV 抑制
60 kV 吸引
参考端 (PA电压)
2.2 质量分析器
❖ 从离子源引出的离子束里包含几种甚至十几种元素，但是需要注入的只是某一种特定元素的离子，所以需要质量分析器把该特定元素分选出来。离子注入机中采用磁分析器分析。
电极 +100 kV+80 kV+60 kV+40 kV+20 kV 0 kV
粒子束
粒子束
来自分析磁体
至工艺腔
+100 kV
100 MW 100 MW100 MW100 MW100 MW
离子从离子源到靶室中的硅片，一般要飞行几米到几十米的距离。为了减少离子在行进中的损失，必须要对离子进行聚焦。一般聚焦系统在加速管后面。最常用的有静电四极透镜和磁四极透镜。聚焦后的离子束到达硅片的束斑要尽可能小，一般直径为几毫米。静电透镜：离子束聚焦静电偏转系统：滤除中性粒子

离子注入调研报告

离子注入调研报告离子注入是一种将离子束注入到材料中的技术，主要应用于材料改性、材料表面处理和材料分析等领域。

离子注入技术具有处理速度快、操作简便、能耗低和处理效果好等优点，因此在材料工程领域得到了广泛应用。

以下是对离子注入技术的调研报告。

调研内容：1. 离子注入技术的原理和基本步骤。

2. 离子注入技术在材料改性中的应用。

3. 离子注入技术在材料表面处理中的应用。

4. 离子注入技术在材料分析中的应用。

5. 离子注入技术的优点和局限性。

调研结果：1. 离子注入技术的原理是利用加速器将离子加速到高能量，然后通过设备将离子束引导到目标材料上。

离子注入的基本步骤包括加速和选择离子、引导离子束和控制注入能量。

2. 离子注入技术在材料改性中的应用非常广泛，可以改变材料的结构和性能，使其具有更好的机械强度、耐磨性、耐腐蚀性和耐温性等特性。

常见的材料改性方法包括氮化、碳化和氧化等处理。

3. 离子注入技术在材料表面处理中可以形成各种功能性膜层，如陶瓷涂层、金属涂层和硅化膜等。

这些膜层可以提高材料的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性等特性，并且可以用于电子器件、太阳能电池和医疗器械等领域。

4. 离子注入技术在材料分析中可以用于元素分析和缺陷分析。

通过改变注入能量和注入剂量，可以定量分析材料中的元素组成和杂质含量。

此外，还可以利用离子注入技术研究材料的缺陷结构和形成机制。

5. 离子注入技术具有处理速度快、操作简便、能耗低和处理效果好等优点。

然而，这种技术的局限性包括材料收到辐照损伤、离子束束流均匀性不高以及设备成本较高等方面的问题。

结论：离子注入技术是一种重要的材料处理和分析技术，在材料工程领域有着广泛的应用前景。

然而，由于该技术存在一些局限性，还需要继续开展相关研究，以提高其应用的可靠性和经济效益。

离子注入工艺PPT课件

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•
•
当具有高能量的离子注入到固体靶面以后，这些高能粒子将与固体靶面的原子
与电子进行多次碰撞，这些碰撞将逐步削弱粒子的能量，最后由于能量消失而停止
运动，新城形成一定的杂质分布。
•
同时，注入离子和晶格原子相互作用，那些吸收了离子能量的电子，可能激
发或从原子之内游离，形成二次电子。
As, N), 能量（keV）
2.单位面积注入电荷：Qss ＝I t /A, I：注入束流，t: 时间，A：扫描面积（园片尺寸）
3.单位面积注入离子数(剂量)N：s
Ns ＝ Qss/q =(I t) /(q A) 2 R
4.最大离子浓度：第22N页/M共5A3X页=
22
*注入离子分布
• •
N(x)=Nmax
2、可能沿某些方向由原子列包围成直通道－－沟道，离子进入沟道时，沿沟道前进阻力小，射程要大
得多。
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3、沟道效应的存在，将使得对注入离子在深度上难以控制，尤其对大规模集成电路制造更带来麻烦。如MOS器件的结深通常只有0.4um左右，有了这种沟道效应万一注入距离超过了预期的深度，就使元器件失效。因此，在离子注入时，要考虑到这种沟道效应，也就是说要抑止这种现象的产生。
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• （8）离子往往是通过硅表面上的薄膜注入到硅中，因此硅表面上的薄膜起到了保护膜作用
• （9）化合物半导体是两种或多种元素按一定组分构成的，这种材料经高温处理时，组分可能发生变化。采用离子注入技术，基本不存在上述问题，因此容易实现对化合物半导体的掺杂

离子注入法介绍PPT课件

（2）已知离子注入时的注入束流I，靶面积A，注入时解第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：
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4、根据离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：
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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
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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：
■ 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。
（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
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（3）加速管：
加速离子，获得所需能量；高真空(<10-6 Torr)
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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
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（1）离子源：
图5.8 常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系
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第七章：离子注入

调节阈值电压阈值电压公式：
QBm＝q· NB· Xdm， QBm为表面耗尽层单位面积上的电荷密度

轻掺杂漏（LDD：Lightly Doped Drain ）注入

源漏注入

多晶硅栅掺杂沟槽电容器

超浅结
超浅结

绝缘体上的硅（SOI）
在硅中进行高能量氧离子注入，经高温处理后形成SOI结构（silicon on insulator）
2994 710 1238 456 582 207
3496 766 1497 528 686 241
3974 813 1757 595 791 275
4432 854 2019 659 898 308
4872 890 2279 719 1005 341
（二）各种离子在光刻胶中的Rp和△Rp 值 (Å)
分析磁体

3. 加速管
加速管用来加速正离子以获得更高的速度（即动能）。
加速管

4. 扫描系统
用于使离子束沿 x、y 方向在一定面积内进行扫描。束斑中束流的束斑：1cm2 大束流的束斑：3cm2 扫描方式 1. 固定硅片、移动束斑（中、小束流） 2. 固定束斑、移动硅片（大束流）

离子注入参数
注入剂量φ 注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数。单位：离子每平方厘米其中I为束流，单位是库仑每秒（安培） t为注入时间，单位是秒 q为电子电荷，等于1.6×10－19库仑 n为每个离子的电荷数 A为注入面积，单位为cm2

注入能量离子注入的能量用电子电荷与电势差的乘积来表示。单位：千电子伏特KEV 带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场运动，它的能量为100KEV

离子注入

原理
等离子体基离子注入PBⅡ装置示意图离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。此项技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。
集成电路前道制程中有许多光刻层之后的工艺是离子注入（ion implantation），这些光刻层被称为离子注入光刻层（implant layers）。离子注入完成后，晶圆表面的光刻胶必须被清除掉，清除离子注入后的光刻胶是光刻工艺中的一个难点。
优势
高能离子注入的优势多样性：原则上任何元素都可以作为注入离子；形成的结构可不受热力学参数（扩散、溶解度等）限制；不改变：不改变工件的原有尺寸和粗糙度等；适合于各类精密零件生产的最后一道工序；牢固性：注入离子直接和材料表面原子或分子结合，形成改性层，改性层和基底材料没有清晰的界面，结合牢靠，不存在脱落的现象；不受限：注入过程在材料温度低于零下、高到几百上千度都可以进行；可对那些普通方法不能处理的材料进行表面强化，如塑料、回火温度低的钢材等；
(2)热挤压和注塑模具，可使能耗降低20%左右，延长使用寿命10倍左右；
(3)精密运动耦合部件，如抽气泵定子和转子，陀螺仪的凸轮和卡板，活塞、轴承、齿轮、涡轮涡杆等，可大幅度地降低摩擦系数，提高耐磨性和耐蚀性，延长使用寿命最多可以达到100倍以上；
(4)挤压合成纤维和光导纤维的精密喷嘴，可以大大提高其抗磨蚀性和使用寿命；

微细加工-5-离子注入

掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是生产效率高，设备相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是需要制作掩蔽膜。
Ion implanter
Dopant ions Beam scan
Low energy Low dose Fast scan speed
Mask xj
Mask
Silicon substrate
(3) 离子束斑尺寸
通常为 5 ~ 500 nm。
二、质量分析系统
1、E B 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。
y
Vf
v
O B
d
E
Fe Fm
光阑
j
D
Db z
i
k
Lf
Ld
y
Vf
v
O B
d
E
Fe Fm
光阑
j
D
Db z
i
k
Lf
Ld
Fe
qE
q Vf d
A/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
5 ~ 500 nm，亮度为 106 ~ 107 A/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。
a) 低掺杂浓度与浅结
Ion implanter
High energy High dose Slow scan speed

半导体工艺之离子注入（精）

半导体工艺之离子注入（精）半导体离子注入工艺09电科A柯鹏程 0915221019离子注入法掺杂和扩散法掺杂对比来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。

当前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。

离子注入是一种将带点的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程。

注入能量介于1eV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm~10um。

相对扩散工艺，粒子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质参杂、可重复性和较低的工艺温度。

1.离子注入原理:离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。

可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。

离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量，能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。

离子通过与硅原子的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。

杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。

2.离子射程离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。

入射离子能量越高，射程就会越长。

投影射程是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。

有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。

3.离子注入剂量注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过下面的公式计算得出 Q=It/enA ，式中，Q是剂量；I是束流，单位是安培；t是注入时间，单位是秒；e是电子电荷，1.6×10-19C；n是电荷数量；A是注入面积，单位是。

4.离子注入工艺（1）沟道效应入射离子与wafer之间有不同的相互作用方式，若离子能量够高，则多数被注入到wafer内部；反之，则大部分离子被反射而远离wafer。

离子注入(PDF课件)

2010-5 -12 7
Z1 Z 2 M1 2 2 1 ( Z1 3 Z 2 3 ) 2 M1 M2
(eV • cm )
2
硅靶核阻止能量损失率
dE dR
2010-5 -12
n
196
Z 1Z 2 M1 2 2 1 (Z1 3 14 3 ) 2 M 1 28
(keV/ m)
可见，核阻挡本领与核阻止能量损失率均与能量E无关。无关。
公用工艺 1. 增强扩散 2. 损伤吸杂 3. 增速腐蚀 ( 利用损伤)
XAUT
2
主要内容
5-1 1 离子注入系统（离子注入系统（5.5 ） 5-2 2 能量损失机构（能量损失机构（5.2 ）核碰撞和电子碰撞离子注入的特征量 5-3 3 离子在非晶靶、单晶靶和双层靶中的分布 * 离子在非晶靶中的分布离子在单晶靶中的分布离子在双层靶中的分布注入损伤与退火特性（ 5.3 ～ 5.4） 5-4 4 注入损伤与退火特性（注入损伤退火特性 5-5 5 离子注入工艺参数的计算与工艺设计* * 离子注入工艺参数的计算离子注入工艺的设计 5-6 6 掺杂技术小结
— —— — 称为称为核阻止能量损失率核阻止能量损失率。。
根据能量守恒定律和库仑引力的屏蔽作用得到得到核阻挡本领为：核阻挡本领为：
S n S0 2 .8 10
15
假设入射离子的原子序数为 Z1 ，质量为M M1，能量为能量为E；； 1，固体靶的原子密度为N N、原子序数为原子序数为Z Z2、质量为M2；入射离子进入靶内经过一个微小的位移段dR，，该入射离子和NdR个靶核碰撞而失去的能量为个靶核碰撞而失去的能量为-dE|n dE|n，则，则平均每个平均每个靶原子对入射离子的核阻挡作用称为阻挡本领 S(E)：

离子注入工艺原理11

RP RP
As
RP RP
离子注入设备
主要部分结构离子源分析器加速器扫描器
离子束发生装置
离子源通常会产生多种离子，必须对输出的离子束进行质量分离是离子具有足够的能量来穿越并注入靶体内部实现大面积的均匀离子束注入
靶室和偏束板
真空排气系统电子控制装置
离子源等离子体吸出组件分析磁体加速管离子束
高能量高浓度慢速扫描
掺杂离子束扫描束扫描
掩蔽层
xj
掩蔽层
掩蔽层
掩蔽层
xj
硅衬底硅衬底
a) 底掺杂浓度 (n–, p–) 和浅结深 (xj)
b) 高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结深(xj)
控制杂质浓度和深度
离子注入掺杂技术的特点
注入的杂质离子是通过磁性质量分析器选取出来的离子注入的剂量可以任意调节离子注入的环境温度较低，避免产生热缺陷离子注入的深度是随离子能量的增加而增加的离子注入有着很好的各项异性效果

硅单晶退火
离子束
修复硅晶格结构并激活杂质—硅键
a) 注入过程中损伤的硅晶格
b) 退火后的硅晶格
热退火特性：将欲退火的硅片置于真空或高纯气体的保护下，
加热到某原子的振动能较大，导致原子的移动能加强，可使复杂的缺陷分解点缺陷，当它们相互靠近时就可能复合而使缺陷消失。
工艺腔
扫描盘
离子注入机示意图
离子注入的特点及参数
（一）优点 1、离子注入扩大了杂质的选择范围；掩蔽膜可用SiO2、金属膜或光刻胶。 2、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）。 3、离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，易制作极低浓度和浅结。 4、离子注入可选出单一的杂质离子，保证了掺杂的纯度。 5、离子注入的横向扩散很小，集成度高，高频特性好。 6、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。 7、无固溶度限制。

离子注入实验报告分析

离子注入实验报告材料科学与工程1 实验目的：（1）了解离子注入原理，掌握注入完成后的退火仪器原理及操作。

（2）学会在样品上制作欧姆接触，四探针法测量样品退火前后的薄层电阻；用热电笔法测量退火前后样品的导电类型，熟悉霍尔测量的原理和装置。

2 离子注入原理：离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。

一般的说,离子能量在1－5KeV的称为离子镀；0.1-50KeV称作离子溅射；10－几百KeV称为离子注入。

离子注入在半导体掺杂领域有很多优点：注入杂质不受把材料固溶度的限制，杂质的面密度和掺杂深度精确可控)，横向扩散小，大面积均匀性好，掺杂纯度高，能够穿透一定的掩蔽膜，在化合物半导体工艺中有特殊意义。

同时离子注入还可应用于金属改性和加工，生物研究等领域。

3离子注入设备离子注入设备通常由离子源、分析器、加速聚焦体系统和靶室等组成。

如下图所示：1．离子源：由产生高密度等离子体的腔体和引出部分（吸极）组成。

通常使用的有高频等离子源、电子振荡型等离子源（潘宁源）、双等离子源等、双彭源、转荷型负离子源、溅射型负离子源等。

2．加速器：产生强的电场，将离子源出来的离子加速到所需要的能量。

3．分析器：离子分选器。

离子源产生的离子束中往往有几种离子。

用分析器可以从这些离子中选择出所需要的。

磁分析器：在离子通道上加磁场，离子在磁场中偏转。

磁场一定时离子在磁场中的运动半径由离子的荷质比和能量决定。

让选中离子的偏转半径正好可以准直地进入管道。

4．偏转扫描离子注入机中应该保持高真空。

实际上其中不可避免的有残留的气体分子，离子在行进过程中可能和其碰撞并且交换电荷变成中性原子。

中性原子的能量、电荷属性和离子不同，注入到靶材料上会引起注入不均匀。

偏转扫描是在离子束进入靶室前给其施加电场，电场使其中的离子偏转进入靶室，中性原子则不被偏转而不进入靶室。

从而去掉了中性粒子。