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离子注入
Beam in Voltage 25 keV I+ 300 kV 25 keV I++ 300 kV
Beam Out 325 keV 25+300*2= 625KeV ?
用高价离子注入可以增加注入能量，使注入深度 增加；但是由于高价离子产生较少，其束流较小 第七章 离子注入
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e)聚焦和扫描系统 (deflection and scanning ) 离子束 离开加速管后进入控制区，先由静电聚焦透镜使其 聚焦。再进行x-y两个方向扫描，然后进入偏转系统， 束流被偏转注到靶上。
R
Rp
第七章 离子注入
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注入离子如何在体内静止？
注入离子通过库仑散射(Coulomb Scattering)失去能量从而静止 – 离子和靶内的自由电子及束缚电子相互作用(通常对较轻的 离子和高能量注入） – 离子和靶内原子核作用(通常对重离子和低能量离子注入） 第七章 离子注入
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核阻挡本领与电子阻挡本领-LSS理论
32
R
E
Nuclear Stopping
理论基础：两体碰撞 入射离子与靶内原子核之间 是弹性碰撞，两粒子之间的 相互作用力是电荷作用，忽 略两粒子之间的电子屏蔽作 用，而且势能函数V只与两粒 子之间的距离有关，势能函 数可近似为
V( r ) q Z1Z2 r exp( ) 4r a
2
Z1和Z2分别为两个 粒子的原子序数
Monte –Carlo simulation, SRIM software 第七章 离子注入
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•射程 (range) 离子在靶内的总路线长度 •投影射程 (projected range) R在入射方向上的投影
•射程分布
离子注入获奖课件
Typical implant voltages: 50~200 KeV, the trend is to lower voltages.
Typical implant dose: 1011~1016 cm2.
离子注入
二、离子注入旳特点
离子经加速，到达半导体表面； 离子经过碰撞损失能量，停留在不同深度旳位置， 此位置与离子能量有关；
Si Displaced Si ato去m 一定旳能量。靶原子也因碰撞 Si Si Si 而取核得碰能撞量，假如取得旳能量不
小于原注子入束离缚子能与，靶就内会原离子开核原间来
所旳在碰晶撞格。位置，进入晶格间隙，
并留下一种空位，形成缺陷。
核碰撞和电子碰撞
核阻止本事：能够了解为能量为E旳一种注入离子，在单位
产生沟道效应旳原因 当离子注入旳方向=沟道方向时,离子因为没有遇到晶格
而长驱直入，故注入深度较大。
沟道效应产生旳影响 在不应该存在杂质旳深度发觉杂质。
离子注入旳沟道效应
离子注入旳通道效应
离子注入旳沟道效应
处理沟道效应旳措施
1.倾斜样品表面，晶体旳主轴方向偏离注入方向，经典值为7°； 2.先重轰击晶格表面，形成无定型层； 3.表面长二氧化硅、氮化硅、氧化铝无定型薄层。
一级近似下，核阻止本事与入射离子旳能量无关。
注入离子在无定形靶中旳分布
注入离子在靶内分布是与注入方向有着一定旳关系， 一般来说，粒子束旳注入方向与靶垂直方向旳夹角比较小。
注入离子在靶内受到旳碰撞是随机过程。假如注入旳 离子数量很小，它们在靶内旳分布是分散旳，但是大量注 入离子在靶内旳分布是按一定统计规律分布。
虽然晶体某个晶向平行于离子注入方向,但注入离子进入晶 体前,在无定形旳介质膜中屡次碰撞后已经偏离了入射方向,偏 离了晶向。
离子注入技术Implant-PPT精选文档
各向同性
可以独立控制结深和浓 不能独立控制结深和 离子注入与扩散的比较 3 度 浓度
一 言 以 蔽 之 ： 可 控 性 好
离子注入的缺点
1、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷； 2、离子注入难以获得很深的结（一般在
1um以 内，例如对于 100keV离子的平均射程的典型值约为 0.1um ）；
3、离子注入的生产效率比扩散工艺低；
4 总结
未来电子技术发展水平的瓶颈；
未来高精工艺的发展方向；
未来尖端技术如航空航天、军事等领域 所必须的基础。
Thank you!
半导体进行掺杂的方法。将杂质电离成离 子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得 极高的动能后，注入到硅中（称为 “靶” ）而实现掺杂。
注：离子束（Ion Beam）用途 E < 10 KeV ，刻蚀、镀膜 E = 10 ~ 50 KeV，曝光 E > 50 KeV，注入掺杂
离子束加工方式可分为 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（FIB,Focus Ion Beam） 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100 m，亮度 为10 ~ 100 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 , Liquid Metal Ion Source ）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 。
液态金属离液态金属离液态金属离液态金属离lmislmis的类型结构和发射机理的类型结构和发射机理的类型结构和发射机理的类型结构和发射机理液态金属液态金属针尖的曲率半径为针尖的曲率半径为ro15m改变m改变e2可以调节针尖与引出极之以调节针尖与引出极之间的电场间的电场使液态金属使液态金属间的电场间的电场使液态金属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有10nm的数量级这就是lmis能产生小束斑离子束的关键
可以独立控制结深和浓 不能独立控制结深和 离子注入与扩散的比较 3 度 浓度
一 言 以 蔽 之 ： 可 控 性 好
离子注入的缺点
1、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷； 2、离子注入难以获得很深的结（一般在
1um以 内，例如对于 100keV离子的平均射程的典型值约为 0.1um ）；
3、离子注入的生产效率比扩散工艺低；
4 总结
未来电子技术发展水平的瓶颈；
未来高精工艺的发展方向；
未来尖端技术如航空航天、军事等领域 所必须的基础。
Thank you!
半导体进行掺杂的方法。将杂质电离成离 子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得 极高的动能后，注入到硅中（称为 “靶” ）而实现掺杂。
注：离子束（Ion Beam）用途 E < 10 KeV ，刻蚀、镀膜 E = 10 ~ 50 KeV，曝光 E > 50 KeV，注入掺杂
离子束加工方式可分为 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（FIB,Focus Ion Beam） 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100 m，亮度 为10 ~ 100 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 , Liquid Metal Ion Source ）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 。
液态金属离液态金属离液态金属离液态金属离lmislmis的类型结构和发射机理的类型结构和发射机理的类型结构和发射机理的类型结构和发射机理液态金属液态金属针尖的曲率半径为针尖的曲率半径为ro15m改变m改变e2可以调节针尖与引出极之以调节针尖与引出极之间的电场间的电场使液态金属使液态金属间的电场间的电场使液态金属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有10nm的数量级这就是lmis能产生小束斑离子束的关键
第4章IC工艺之离子注入ppt课件
Beam scan
Mask xj
Mask
Silicon substrate
a) Low dopant concentration (n–, p–) and shallow junction (xj)
Mask xj
Mask
Silicon substrate
b) High dopant concentration (n+, p+) and deep junction (xj)
Scanning disk with wafers
Suppressor aperture
Faraday cup
Ion beam
Current integrator
Scanning direction
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
( dE dx
） nuel
( dE dx
） e
R p ( E )
E 0
dE ( dE tot
）
E 0
dE S (E
)
dx
E
dE
0 Sn(E) Se(E)
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
– 4.3. 注入离子的激活与辐照损伤的消除
P.103~112 1）注入离子未处于替位位置 2）晶格原子被撞离格点
ET(M 4M i iM M tt） E0f()Ea
Ea为原子的位移阈能 大剂量——非晶化 临界剂量（P。111） 与什么因素有关？ 如何则量？
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：
第21页/共32页
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：
第22页/共32页
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
第23页/共32页
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
第8页/共32页
第9页/共32页
（3）加速管：
加速离子，获得所需能量；高真空(<10-6 Torr)
第3页/共32页
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
第4页/共32页
第5页/共32页
（1）离子源：
图5.8 常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系
第16页/共32页
集成电路工艺基础——离子注入课件
2
通过离子注入技术，可以在光学材料中制造出各 种光电子器件，如激光器、光放大器、光调制器 等。
3
离子注入技术还可以用于制造光子晶体、光子集 成电路等新型光电子器件，提高光电子器件的性 能和集成度。
离子注入在传感器中的应用
传感器是实现智能化、自动化 的重要器件，离子注入技术在 传感器制造中也有着重要的应 用。
通过离子注入技术，可以在传 感器材料中制造出各种敏感元 件，如压力传感器、温度传感 器、气体传感器等。
离子注入技术还可以用于制造 生物传感器、化学传感器等新 型传感器，提高传感器的灵敏 度和稳定性。
CHAPTER
04
离子注入的未来发展
新型离子注入设备的研究
研发更高效、精确的 离子注入设备是未来 的重要研究方向。
与硅材料相比，化合物半导体材 料的离子注入工艺较为复杂，需
要更高的技术和设备条件。
离子注入化合物半导体材料在光 电子器件、高速电子器件和微波 器件等领域具有广泛的应用前景
。
离子注入金属材料
金属材料在集成电路制造中主要用于 互连线、电极和引脚的制造，离子注 入金属材料可以改变其表面特性和导 电性能。
离子注入硅材料的方法具有较高的精度和可重复性，可以实现对硅材料的微细加工 。
离子注入硅材料还可以提高硅材料的机械性能和化学稳定性，使其更适应于集成电 路制造中的各种工艺条件。
离子注入化合物半导体材料
化合物半导体材料是集成电路制 造中的另一种重要材料，离子注 入化合物半导体材料可以改变其
电子结构和光电性能。
开发具有自主知识产 权的离子注入设备， 打破国外技术垄断。
利用新材料和新技术 提高设备的稳定性和 可靠性，降低生产成 本。
离子注入与其他微纳加工技术的结合
离子注入技术ppt课件
Z 1 Z 2
M 1 e V c m 2
Z 1 23 Z 2 23M 1 M 2
忽略外围电子屏蔽作用，注入
离子与靶内原子之间势函数：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
M——质量
V (r) q2Z1Z2 r
Z ——原子序数
下标1——离子 下标2——靶
整理版课件
10
核碰撞
考虑电子屏蔽时离子
与靶核之间相互作用势 函数
最简屏蔽函数
f
r
角度的散射（背散射），整会理版引课起件 在峰值位置与表面一侧有 32 较多的离子堆积；重离子散射得更深。
6.4注入损伤
晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰
撞，可能使靶原子发生位移，被位移原子还可能把能量依 次传给其它原子，结果产生一系列的空位－间隙原子对及 其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简 单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。
❖ 增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成， 沟道离子减少）
❖ 表面用SiO2层掩膜
整理版课件
28
沟道效应的防止方法
（111）硅一般采取偏离晶向7°，平行偏转15°的注入方法
整理版课件
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6.3.4影响注入离子分布的其它因素
❖ 实际上高能离子入射到衬底时，一小部分与 表面晶核原子弹性散射，而从衬底表面反射 回来，未进入衬底，这叫背散射现象.
➢ 同一平面上杂质掺杂分布非常均匀（±1% variation across an 8’’ wafer）
➢ 非平衡过程，不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度
➢ 注入元素通过质量分析器选取，纯度高，能量单一
➢ 低温过程（因此可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质）； 避免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂；
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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。
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
E3
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
引 出
E2
出，形成离子束。
极
E1
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。
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 1063 oC 和 1404 oC，它们在此 温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和 10-1 Torr。当以适当组分组 成合金时，其熔点降为 370 oC ，在此温度下，金和硅的蒸汽压 分别仅为 10-19 Torr 和 10-22 Torr。这就满足了 LMIS 的要求。
Acceleratio n column
Process chamber
Scanning disk
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 100 m ，亮度为 10 ~ 100
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 β= 106 ~ 107 A/cm2.sr 。
离子束加工方式 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束 (FIB) 方式） 掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象 扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工 艺的掩蔽膜只能是 SiO2 膜 ，而离子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜 ，也可以是光刻胶等其他薄膜。 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。
Beam scan
Mask xj
Mask
Silicon substrate
b) 高掺杂浓度与深结
聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。缺点是 生产 效率低，设备复杂，控制复杂。聚焦方式的关键技术是
1、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源； 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。
E3 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
引
E2
面上液态金属的形状，并将离
出 极
E1 子引出；E3 是加热器电源。
针尖的曲率半径为 ro = 1 ~ 5 m，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 10 nm 的数量级，这就是 LMIS 能产生小 束斑离子束的关键。
LMIS 的类型、结构和发射机理
V形
针形 螺旋形
类 型
同轴形
毛细管形
液态金属 钨针
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。
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。
Ion source
Plasma Extraction assembly Analyzing magnet Ion beam
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
灯丝
放电腔Leabharlann 磁铁 Gas吸极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。
离子注入
Ion implanter
Dopant ions Beam scan
Low energy Low dose Fast scan speed
Mask xj
Mask
Silicon substrate
a) 低掺杂浓度与浅结
Ion implanter
High energy High dose Slow scan speed
离子束的性质 离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或 磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能。 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 < 10 KeV ，刻蚀、镀膜
E = 10 ~ 50 KeV ，曝光
E > 50 KeV ，注入掺杂
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。