第四章 离子注入
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第四章离子注入
碰撞，这种碰撞能瞬间形成电
子空穴对。由于两者的质量相
差很大，每次碰撞注入离子能
量损失小，散射角度小，运动
方向基本不变。
第四章离子注入
阻止本领（stopping power）： 材料中注入离子的能量损 失大小。单位路程上注入
离子由于核阻止（Sn(E)）
和电子阻止(Se(E) )所损失 的能量 。 核阻止本领Sn(E) ：来自靶原子 核的阻止。 电子阻止本领Se(E) ：来自靶内 自由电子和束缚电子的阻 止。
第四章 离子注入
第四章离子注入
4.1离子注入设备与工艺 4.2核碰撞和电子碰撞 4.3注入离子在无定形靶中的分布 4.4注入损伤 4.5热退火
第四章离子注入
❖ 离子注入技术是20世纪60年代开 始发展起来的掺杂工艺,它在很多方 面都优于扩散工艺.由于采用了离子 注入技术,推动集成电路的发展,从 而使集成电路进入了超大规模.
通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近； 也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中， 使杂质分布为设计形状第。四章离子注入
9
离子注入有别于扩散工艺的特点表现在以下几 个方面： ❖ 1、可以用质量分析系统获得单一能量的高纯
杂质原子束，没有沾污。因此，一台注入机 可用于多种杂质。此外，注入过程是在真空
（如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶）进行选
择掺杂。在制备不能采用扩散工艺的器件时，
这为独特的自对准掩模技术的设计提供了很
大的自由度。
❖ 4、离子束的穿透深度随离子能量的增大而增
大，因此，控制同一种或不同种的杂质进行
多次注入时的能量和剂量，可以在很大的范
围内得到不同的掺杂剂浓度分布截面。用这
种方法比较容易获得超陡的和倒置的掺杂截
第四章离子注入
4.1 核碰撞和碰撞
4.1.3 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； 1/2 作图，得图4.5 以dε/dρ–ε
4.1 核碰撞和电子碰撞
第四章 离子注入
定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的沟道掺杂， 防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。 特点: ①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,<400℃。 （避免了高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩 蔽膜。） 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。
注入离子能量与阻挡本领 ①高能区：电子阻挡占主要，核阻挡可忽略。 ②中能区：核阻挡占与电子阻挡相当； ③低能区：核阻挡占主要，电子阻挡可忽略；
4.1 核碰撞和电子碰撞
临界能量（交叉能量）Ene( Ec): Sn(E)=Se(E)处的能量。 ①Ene随注入离子原子量 的增加而增大。 ②轻离子，B: Ene≈15keV， 重离子，P: Ene≈150keV。
4.2 注入离子分布
1.总射程R 定义：注入离子在靶内走过的路径之和。 R与E的关系：根据能量的总损失率， dE dE dE , S E S E
dR dR
n
dR
e
n
e
1 E0 dE S n E S e E dE 则， R dR E0 0 dE / dR 0
第四章 离子注入
第4章离子注入
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。
离子注入
High energy High dose Slow scan speed
离子注入机
低能 低剂量 快速扫描
Ion implanter
掺杂离子
束扫描
Mask xj Beam scan
13
离子注入的应用
1.P阱或N阱注入 ~1E12 atom/cm2 2.阈值调整注入 ~1E11 atom/cm2 3.场注入 ~1E12 atom/cm2 4.源漏注入 ~1E15 atom/cm2 5.隔离注入 ~1E15 atom/cm2 6.基区注入 ~1E12 atom/cm2 7.发射、收集区注入 ~1E15 atom/cm2 8.智能剥离氢注入 ~1E16 atom/cm2 9.材料改性注入 ~1E16 atom/cm2 10. SOI埋层注入 ~1E17-1E18 atom/cm2
4.9 理论模拟。
离子注入概述
离子注入
目的：掺杂（1954年，Shockley 提出）；
应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的 沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断， 特别是浅结。
定义:离子注入是另一种对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。
17
退火处理
通常，离子注入的深度较浅且浓度较大，必 须使它们重新分布。同时由于高能粒子的撞击， 导致硅结构的晶格发生损伤。
为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行 退火处理。在退火的同时，掺入的杂质同 时向半导体体内进行再分布。
第四章离子注入
分析磁体 粒子束
加速管
工艺腔 扫描盘
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，
10~200Kev ❖ 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
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，
要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中
的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合，
成为中性的粒子。
对于出现在扫描 系统以前的中性粒子
没有偏转的中性束粒子继续向前
，扫描电场对它已不
200 kev 注入离子在 靶中的高斯分布图
硼原子在不同入射能量 对深度及浓度分布图
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
❖ 已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材 （衬底Si,SiO2,Si3N4等）
求解step1：查LSS表可得到Rp和ΔRp
和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量 损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-dE/dx：能量损失梯度
E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量
Sn(E)：核阻止本领
能量E的函数
Se(E)：电子阻止本领
C: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
能量为E的 入射粒子在 密度为C的 靶内走过x 距离后损失 的能量
加速管
工艺腔 扫描盘
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，
10~200Kev ❖ 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
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，
要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中
的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合，
成为中性的粒子。
对于出现在扫描 系统以前的中性粒子
没有偏转的中性束粒子继续向前
，扫描电场对它已不
200 kev 注入离子在 靶中的高斯分布图
硼原子在不同入射能量 对深度及浓度分布图
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
❖ 已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材 （衬底Si,SiO2,Si3N4等）
求解step1：查LSS表可得到Rp和ΔRp
和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量 损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-dE/dx：能量损失梯度
E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量
Sn(E)：核阻止本领
能量E的函数
Se(E)：电子阻止本领
C: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
能量为E的 入射粒子在 密度为C的 靶内走过x 距离后损失 的能量
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。
第四章离子注入
离子/cm2）内变化,且在此范围内精度可控制 到±1％。与此相反,在扩散系统中,高浓度时 杂质浓度的精度最多控制到 5 － 10 ％ , 低浓度 时比这更差。
3、离子注入时，衬底一般是保持在室温或温
度不高（≤ 400℃）， 因此，可用各种掩模 （如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶）进行选 择掺杂。在制备不能采用扩散工艺的器件时， 这为独特的自对准掩模技术的设计提供了很 大的自由度。 4、离子束的穿透深度随离子能量的增大而增 大，因此，控制同一种或不同种的杂质进行 多次注入时的能量和剂量，可以在很大的范 围内得到不同的掺杂剂浓度分布截面。用这 种方法比较 容易获得超陡的和倒置的掺杂截 面。
在 x = RP 的两侧，注入离子浓度对称地下降， 且下降速度越来越快： 峰值附近与实际分布符合较 好，当离峰值位置较远时，有较 大偏离。
注入离子的二维分布
注入离子的真实分布
真实分布非常复杂，不 服从严格的高斯分布 硼比硅原子质量轻得多， 硼离子注入就会有较多 的大角度散射。被反向 散射的硼离子数量也会 增多，因而分布在峰值 位置与表面一侧的离子 数量大于峰值位置的另 一侧，不服从严格的高 斯分布。 砷等重离子和硼轻离子 的分布正好相反。
于两者之间。因此，沟道效应 依<110 >、 <111>、 <100 >顺序减 弱。
100
倾斜旋转硅片后的无序方向
实践表明，沟道效应与多种因素有关，包括：
单晶靶的取向 离子的注入方向 离子的注入能量 注入时的靶温
注入剂量
将沟道效应降低到最小：
a. 在晶体上覆盖一层非晶体的表面层：常用非晶覆盖材料是一 层薄氧化层。使离子束方向随机化，离子以不同角度进入晶片； b. 将晶片晶向偏转：大部分注入系统将硅片倾斜7°，并从平边 扭转22°； c. 在晶片表面制作一个损伤层：在晶片表面注入大量硅或锗可 以损伤晶片表面，在晶片表面产生一个随机层。
第04章 离子注入
31
§4.2 注入离子在无定形靶中的分布
四． 1.
浅结的形成 目的：为了抑制MOSFET的穿通电 流和减小器件的短沟道效应，要求 减小CMOS的源/漏结的结深。
②
降低注入离子的能量——使用 较多
绪论
源（Source）：在半导体应用中，为了操作方便，一般 采用气体源，如 BF3，BCl3，PH3，AsH3等。如用固体或 液体做源材料，一般先加热，得到它们的蒸汽，再导入
放电区。
气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，...
离子源（Ion Source）：灯丝（filament）发出的自由电
2
由如上描述可知，离子注入掺杂方式与扩散掺杂方式不同，杂质的最大 浓度不在固体表面，而在距表面Rp处，即次表面。
21
§4.2 注入离子在无定形靶中的分布
4.
实际的杂质纵向分布
①
真实分布非常复杂，不服从严格 的高斯分布。 轻离子注入到重原子靶中时，如 B→Si靶
由于B质量轻，会有较多的B离子 受到大角度的散射，被反向散射 的B离子数量会增多，导致在峰值 位臵靠近表面一侧有较多的离子 堆积。
1.
将某种元素的原子或携带该元素的分子 经离化变成带电的离子。 在强电场中加速，获得较高的动能后， 射入材料表层（靶）。
2.
3.
改变材料表层的物理或化学性质。
3
绪论
磁分析器 聚焦 扫描系统 靶
加速管
离 子 源
1 I dt Q A q
4
BF3：B++，B+，BF2+， F+, BF+，BF++
第四章 离子注入
作用，注入离子与靶原子之间的势函数用下面形 式表示：
V r q Z 1Z 2 r
2
r f a
其中f(r/a)为电子屏蔽函数，a为屏蔽参数。
13
二、核阻止本领与离子能量的关系
如果屏蔽函数为： f r a
a r
此时注入离子与靶原子核碰撞的能量损失率为常数，用S0n表示。
总能量损失为它们的和。
7
核碰撞：是注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。 因注入离子与靶原子的质量一 般为同一数量级，每次碰 撞之后，注入离子都可能发生大角度的散射，并失去一定的能 量。靶原子核也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子 束缚能，就会离开原来所在晶格进入间隙，并留下一个空位， 形成缺陷。
第四章 离子注入
离子注入技术是用一定能量的杂质离子束轰 击要掺杂的材料（称为靶，可以是晶体，也可以 是非晶体），一部分杂质离子会进入靶内，实现 掺杂的目的。
离子注入是集成电路制造中常用的一种掺杂 工艺，尤其是浅结，主要是靠离子注入技术实现 掺杂。
1
离子注入的发展历史：
1952年，美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善 半导体的特性。 1954年前后，shockley提出来用离子注入技术能够制造半导体 器件，并且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。 1955年，英国的W.D.Cussins发现硼离子轰击锗晶片时，可在n 型材料上形成p型层。 1960年，对离子射程的计算和测量、辐射损伤效应以及沟道效 应等方面的重要研究己基本完成，离子注入技术开始在半导体 器件生产中得到广泛应用。 1968年报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分布 的变容二极管以及铝栅自对准MOS晶体管。 1972年以后对离子注入现象有了更深入的了解，目前离子注入 技术已经成为甚大规模集成电路制造中最主要的掺杂工艺。
V r q Z 1Z 2 r
2
r f a
其中f(r/a)为电子屏蔽函数，a为屏蔽参数。
13
二、核阻止本领与离子能量的关系
如果屏蔽函数为： f r a
a r
此时注入离子与靶原子核碰撞的能量损失率为常数，用S0n表示。
总能量损失为它们的和。
7
核碰撞：是注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。 因注入离子与靶原子的质量一 般为同一数量级，每次碰 撞之后，注入离子都可能发生大角度的散射，并失去一定的能 量。靶原子核也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子 束缚能，就会离开原来所在晶格进入间隙，并留下一个空位， 形成缺陷。
第四章 离子注入
离子注入技术是用一定能量的杂质离子束轰 击要掺杂的材料（称为靶，可以是晶体，也可以 是非晶体），一部分杂质离子会进入靶内，实现 掺杂的目的。
离子注入是集成电路制造中常用的一种掺杂 工艺，尤其是浅结，主要是靠离子注入技术实现 掺杂。
1
离子注入的发展历史：
1952年，美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善 半导体的特性。 1954年前后，shockley提出来用离子注入技术能够制造半导体 器件，并且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。 1955年，英国的W.D.Cussins发现硼离子轰击锗晶片时，可在n 型材料上形成p型层。 1960年，对离子射程的计算和测量、辐射损伤效应以及沟道效 应等方面的重要研究己基本完成，离子注入技术开始在半导体 器件生产中得到广泛应用。 1968年报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分布 的变容二极管以及铝栅自对准MOS晶体管。 1972年以后对离子注入现象有了更深入的了解，目前离子注入 技术已经成为甚大规模集成电路制造中最主要的掺杂工艺。
第四章离子注入
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； 最简单（一级近似）：f(r/a)=a/r， 则Sn=Sn0=常数（图4.2，虚线）； 更精确：托马斯-费米屏蔽函数 （图4.2，实线）。
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
4.2
1.离子源
离子注入设备原理
作用：产生注入用的离子。 原理：杂质原子高能电子轰击（电子放电）注入离子 类型：高频，电子振荡，溅射
2.磁分析器（质量分析器）
4.6
注入退火
热退火机理：
a.无定形层（非晶层）：通过固相外延，使位移原子重构而有序 化。无定形是晶体的亚稳态，这种固相外延可在较低温度下 发生。 b.非无定形层：高温下，原子振动能增大，因而移动能力增强， 可使复杂的损伤分解为简单的缺陷，如空位、间隙原子等。 简单的缺陷能以较高的迁移率移动，相互靠近时， 就可能复合而使缺陷消失。
N ( x ) N max 1 x RP 2 exp ( ) ---高斯函数 2 ΔR P
Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值浓度（在RP处）， NS—注入剂量
4.4
注入离子分布
4.4
4.4.2 横向效应
注入离子分布
①横向效应与注入能量成正比 ②是结深的30％－50％； ③窗口边缘的离子浓度是中心处的50％；
第四章离子注入介绍
电子碰撞：指注入离子与靶内
自由电子以及束缚电子之间的 碰撞，这种碰撞能瞬间形成电 子空穴对。由于两者的质量相 差很大，每次碰撞注入离子能 量损失小，散射角度小，运动 方向基本不变。
阻止本领（stopping power）： 材料中注入离子的能量损 失大小。单位路程上注入 离子由于核阻止（Sn(E)） 和电子阻止(Se(E) )所损失 的能量 。 核阻止本领Sn(E) ：来自靶原子 核的阻止。 电子阻止本领Se(E) ：来自靶内 自由电子和束缚电子的阻 止。
1.核阻止本领
核阻止：注入离子与靶内原子核碰撞能量的损失 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。
dE S n E 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。
2.电子阻止
在LSS 理论中，把固体中的电子看作为自由 电子气，那么电子阻滞就类似于黏滞气体的 阻力，即：电子对离子的影响很像一个粒子 在流体中的移动。
dE S e E dx e
电子阻滞本领
在注入离子的常用能量范围内，电子阻滞能 力的大小与入射离子的速度成正比：
Se E Cvion kE1/ 2 , k 0.2 1015 eV1/ 2cm2
的阻滞作用取决于晶体的取向，是各向异性的，入射离子从不同方
向射入靶中将得到不同的射程。 沟道效应：当对晶体靶进行离子注入 时，如果离子注入的方向与晶体的某个晶 向平行，注入深度就有可能比较深，大于 在非晶靶中的深度，产生沟道效应。
沿<110>晶向金刚石结构模型
第4章 离子注入(掺杂工艺)精简
Se(E) ——电子阻止本领 电子阻止本领
dE S n (E ) ≡ dx n
电子信息与计算机工程系
LSS理论 理论
dE − = N Sn ( E ) + S dx
e
( E )
能量为E的 能量为 的 入射粒子在 密度为N的 密度为 的 靶内走过x 靶内走过 距离后损失 的能量
M—质量， Z—原子序数，下标 质量， 原子序数， 离子， 质量 原子序数 下标1—离子，下标 离子 下标2—靶 靶
摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295 摘自
4.1.2 电子阻止本领
例如：磷离子 例如：磷离子Z1 = 15, M1 = 31 注入 硅Z2 = 14, M2 = 28, 计算可得： 计算可得： Sn ~ 550 keV-µm2 µ
1 dE 1 dE S n (E ) = , S e (E ) = N dx n N dx e
-dE/dx：能量随距离损失的平均速率 ： E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量 ：注入离子在其运动路程上任一点 处的能量 Sn(E)：核阻止本领 ： 能量E的函数 能量 的函数 Se(E)：电子阻止本领 ： N: 靶原子密度 ～5×1022 cm-3 for Si ×
电子信息与计算机工程系
离子注入过程是一个非平衡过程， 离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶 后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量， 后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量， 最后停下来。停下来的位置是随机的， 最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在 晶格上，因而没有电活性。 晶格上，因而没有电活性。
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
——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
第四章离子注入
❖ 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，注入深度平均可达 10nm~10um
离子注入技术的特点
❖杂质纯 ❖剂量均匀 ❖温度低、掩蔽方便 ❖杂质分布灵活 ❖杂质不受固溶度的限制 ❖横向扩散小 ❖适合实现化合物半导体的掺杂 ❖缺点：造成晶格损伤、设备昂贵等
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
❖峰值浓度Cmax；
❖平均浓度
C NS Xj
❖结深Xj：假设衬底为反型杂质，且浓度 为CB，由C(Xj）=CB，可得
xj RpRp
2ln
1 Ns
2Rp CB
2. 离子注入设备系统
❖ 离子注入三大基本要素： ——离子的产生 ——离子的加速 ——离子的控制
❖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
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，
要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中
❖ 典型的离子注入工艺参数：能量约5~200KeV，剂 量约1011~1016/cm2，注入深度平均可达 10nm~10um
离子注入技术的特点
❖杂质纯 ❖剂量均匀 ❖温度低、掩蔽方便 ❖杂质分布灵活 ❖杂质不受固溶度的限制 ❖横向扩散小 ❖适合实现化合物半导体的掺杂 ❖缺点：造成晶格损伤、设备昂贵等
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
❖峰值浓度Cmax；
❖平均浓度
C NS Xj
❖结深Xj：假设衬底为反型杂质，且浓度 为CB，由C(Xj）=CB，可得
xj RpRp
2ln
1 Ns
2Rp CB
2. 离子注入设备系统
❖ 离子注入三大基本要素： ——离子的产生 ——离子的加速 ——离子的控制
❖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
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，
要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中
第四章 离子注入
4.4.3 沟道效应(ion channeling)
非晶靶：对注入离子的阻挡是 各向同性；
单晶靶：对注入离子的阻挡是 各向异性；
沟道：在单晶靶的主晶轴方向 呈现一系列平行的通道， 称为沟道。
4.4 注入离子分布
沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶 靶远的多。
好处：结较深；晶格损伤小。 不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。 减小沟道效应的途径 ①注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值--70； ②淀积非晶表面层（SiO2)； ③在表面制造损伤层； ④提高靶温； ⑤增大剂量。
沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶 ①注入离子与靶原子的相互作用
对非晶AsGa：ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1；
k - 与Z 、Z 、M 、M 有关的常数： 最简单（一级近似）：f(r/a)=a/r，
e
1212
{对非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1； 对非晶AsGa：ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1；}
呈现一系列平行的通道， 3 离子注入机理
n
(dE/dx) --核阻挡能量损失率. -核碰撞与电子碰撞
n 作用：使离子获得所需的能量。
势能 V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a)
①注入离子与靶原子的相互作用
3 离子注入机理
-核碰撞与电子碰撞
损伤密度=4000/Vdam=4X1021cm-3 (占相应体积中所有原子的8%）
(杂质激活能小于Si扩散的激活能）。
4.6 注入退火
4.6.2 硼的退火特性 4.6.3 磷的退火特性 4.6.4 热退火过程的扩散效应 （以上请自学）
4.6 注入退火
4.6.5 快速退火(RTA，rapid thermal annealing)
非晶靶：对注入离子的阻挡是 各向同性；
单晶靶：对注入离子的阻挡是 各向异性；
沟道：在单晶靶的主晶轴方向 呈现一系列平行的通道， 称为沟道。
4.4 注入离子分布
沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶 靶远的多。
好处：结较深；晶格损伤小。 不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。 减小沟道效应的途径 ①注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值--70； ②淀积非晶表面层（SiO2)； ③在表面制造损伤层； ④提高靶温； ⑤增大剂量。
沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶 ①注入离子与靶原子的相互作用
对非晶AsGa：ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1；
k - 与Z 、Z 、M 、M 有关的常数： 最简单（一级近似）：f(r/a)=a/r，
e
1212
{对非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1； 对非晶AsGa：ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1；}
呈现一系列平行的通道， 3 离子注入机理
n
(dE/dx) --核阻挡能量损失率. -核碰撞与电子碰撞
n 作用：使离子获得所需的能量。
势能 V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a)
①注入离子与靶原子的相互作用
3 离子注入机理
-核碰撞与电子碰撞
损伤密度=4000/Vdam=4X1021cm-3 (占相应体积中所有原子的8%）
(杂质激活能小于Si扩散的激活能）。
4.6 注入退火
4.6.2 硼的退火特性 4.6.3 磷的退火特性 4.6.4 热退火过程的扩散效应 （以上请自学）
4.6 注入退火
4.6.5 快速退火(RTA，rapid thermal annealing)
第四章离子注入
❖ 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。
Sn
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第的四时章离间子与注靶入原子进行有效的能量交换，所以核阻 止变小。
硅的<110 >方向沟道开口约1.8
Å， <100 >方向沟道开口
110
111
约11.22 Å， <111>方向沟道开口介
于两者之间。因此，沟道效应
依<110 >、 <111>、 <100 >顺序减
弱。
100
倾斜旋转硅片后的无序方向
第四章离子注入
实践表明，沟道效应与多种因素有关，包括：
单晶靶的取向
❖ 8、离子注入是通过硅表面的薄膜入射到硅中， 该膜起到了保护作用，防止污染。
❖ 9、容易实现化合物半导体材料的掺杂。 第四章离子注入
缺点
会在晶体中引入晶格损伤 产率低 设备复杂，投资大
第四章离子注入
基本概念
❖ 靶：被掺杂的材料称为靶 ❖ 散射离子：一束离子轰击靶时，其中一部分离
子在靶表面就被反射了，不能进入的离子称散 射离子。 ❖ 注入离子：进入靶内的离子称注入离子
第四章离子注入
横向效应不但与注入离子的种类有关，也与入射离子的能量有关。
第四章离子注入
35 keV As注入
120 keV As注入
横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。 （扫描电镜照片）
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❖ 根据LSS射程分布的理论，离子注入非晶靶后的杂质浓度 以高斯函数的形式分布
C(xp)Cmaex x p([2 x(p RRpp)2 )2]
ΔRp ：标准偏差
RP：平均投影射程
xp ：投影射程
Cmax：峰值处的离子浓度
C(xp)：表示距靶表面深度为xp处的注入离子浓度
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如果把杂质浓度分布公式对 xp 积分，就得到 单位面积的表面层中注入的总离子数，即注入剂量NS
低能 区
中能 区
dESnESeE
dx
高能 区
核阻止本领和电子阻止本领曲线
(1)低能区：Sn(E)占主要地位，Se(E)可忽略 (2)中能区：Sn(E)和Se(E)同等重要 (3)高能区：Se(E) 占主要地位， Sn(E) 可忽略
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1.2几个基本概念：射程、投影射程及 标准偏差
射程R : 离子从进入靶开始到停止点所通
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3) 离子注入的能量损失机制
获得一定能量后的靶原子核可能离开原来 的晶格位置。 ——若进入晶格间隙，留下空位，形 成缺陷； ——还可以继续碰撞另外一个原子核， 使一系列核离开晶格位置，造成晶体损 伤。 ——当剂量很高时，甚至可以使单晶 硅严重损伤以至变成无定形硅。
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❖单位路程上注入离子由于核阻止（Sn(E)） 和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量
过的总路程叫射程。
投影射程xp : 射程在离子入射方向的投影长度
称作投影射程。
射程横向分量Xt： 射程在垂直于入射 方向的平面内的投 影长度
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射程、投影射程及标准偏差
❖ 平均投影射程RP ：虽然入射到靶内的是同一种离子、具
有的能量也相同，但是各个入射离子进入靶后所经历的碰 撞过程是一个随机过程，所以各个离子的射程和投影射程 不一定相同。大量入射离子投影射程的统计平均值称作平
N S0 C (xp)dp x0 C me axx 1 2 p [(xp { R R pp)]2 } dpx
经变换和简化后，可以得到注入剂量、 标准偏差和峰值浓度之间的近似关系：深度为 Rp时的离子浓度为最大值。
Cma(xxRp)
Ns 0.4NS
2Rp Rp
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注：注入剂量和杂质浓度的关系
均投影射程，用RP表示。 ❖ 标准偏差ΔRp：各个入射离子的投影射程 xp 分散地分布
在平均投影射程 RP 周围，用标准偏差ΔRp 表示 xp 的分
散情况。
1/2
R p(xpR p)2
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1.3 注入离子的分布
LSS理论：有很多科学家对于离子注入后的杂质分布做了深 入的研究，其中最有名的也是最成功的是LSS理论。它是 Linhard、Scharff和Schiott三人首先确立的。
损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-dE/dx：能量损失梯度
E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量
Sn(E)：核阻止本领
能量E的函数
Se(E)：电子阻止本领
C: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
能量为E的
入射粒子在 密度为C的
靶内走过x
距离后损失 的能量
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则入射离子总的能量损失为：
剂量（个数/面积）：往 下看，单位面积下所有深 度内有多少条鱼
浓度（个数/体积）：特定区 域单位体积内有多少条鱼
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常用离子在硅中的射程等数据
能量（Kev）
B
RP
ΔRp
P
RP
ΔRp
As
RP
ΔRp
பைடு நூலகம்
20
662 283 253 119 159
59
50 100 120 160 200
1608 2994 3496 4432 5297 504 710 766 854 921 607 1238 1497 2019 2539 256 456 528 659 775 322 582 686 898 1114 118 207 241 308 374
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离子注入基本原理
离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不 断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停 下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因 而没有电活性。
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1.1 离子的碰撞
1）离子和核外电子的碰撞：可看成非弹性碰 撞。由于离子质量比电子质量大很多，每 次碰撞损失很少的离子能量，且是小角度 散射。
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200 kev 注入离子在 靶中的高斯分布图
硼原子在不同入射能量 对深度及浓度分布图
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
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根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
❖ 已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材 （衬底Si,SiO2,Si3N4等）
对于轻离子、高能量条件下占主导地位
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2）离子与靶原子核碰撞：可看作弹性碰 撞。因两者的质量往往是同一个量级， 一次碰撞可以损失较多能量，且可能发 生大角度散射。
定义核阻止： dE SnE
dxn
当能量较低时，E Sn 当能量较高时，E Sn
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能量损失率与离子能量的关系
Sn在某个能量处有极大值，重离子、低能量时核阻 止占主导地位
❖ 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，注入深度平均可达10nm~10um
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离子注入技术的特点
❖杂质纯 ❖剂量均匀 ❖温度低、掩蔽方便 ❖杂质分布灵活 ❖杂质不受固溶度的限制 ❖横向扩散小 ❖适合实现化合物半导体的掺杂 ❖缺点：造成晶格损伤、设备昂贵等
LOGO
第四章 离子注入
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本章内容
❖概述 ❖离子注入基本原理 ❖射程与注入离子的分布 ❖离子注入设备系统 ❖实际的入射离子分布问题 ❖注入损伤与退火 ❖离子注入在MOS IC中的应用
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概述
❖ 离子注入技术是六十年代发展起来，目前在IC制造 中占主导地位的一种掺杂技术
基本原理——将杂质原子经过离化变成带电的杂质 离子，并使其在电场中加速，获得一定能量后，直 接轰击到半导体基片内，使之在体内形成一定的杂 质分布，起到掺杂的作用。
Se－电子阻止 dE SeE
dxe
散射方向是随机的，多次散射的结果，离子 运动方向基本不变。
阻止本领：材料中注入离子的能量损失大小。
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而吸收离子能量的电子，将会： ——使原子的外层电子脱离靶材，
产生二次电子； ——使原子中的电子能级发生跃迁，
回落时，释放能量，放出光子而发光。
1
电子阻止： SeE E 2