第4章离子注入_6.

● 扩散法掺杂时受到化学结合力、扩散系 数及固溶度等方面的限制，而离子注入是 一个物理过程，所以它可以注入各种元素。
● 扩散法是在高温下掺杂，离子注入法掺 杂可以在高温下进行，也可以在室温下或 低温下进行，这样可以减少高温过程对器 件产生的不良影响。
● 离子注入法可以做到高纯度的掺杂，避 免有害物质进入硅片。
（4-2）
Z是离子的电荷数
如果加速管的两端间加的电压差是V ，
则离子通过加速管所获得的能量为：
E=Z×V
（4-3）
一个电子受到1伏的电压差的加速获得的 能量是：
1ev=1.6×10-12尔格
对于IC制造中的离子注入，根据不同的工 艺，能量范围从几十kev到几百kev。
NN阱阱CCMMOOSS工工艺艺中中的的离离子子注注入入
如果束流是稳定的电流I，则：
NSS
=
It q
（4-5）
t = qNS S I
（4-6）
其中：NS 单位面积的注入剂量（个/cm2 ），S 是扫描面积（cm2 ），q 是一个离子的电荷
（1.6×10-19库仑），I 是注入的束流（安培），
t 是注入时间（秒）。
例题：如果注入剂量是5×1015，束流 1mA，求注入一片6英寸硅片的时间
一个质量数为M的正离子，以速 度v垂直于磁力线的方向进入磁场，受 洛伦茨力的作用，在磁场中作匀速圆 周运动的半径R（cm）为：
R = 1.44 MV ×10−2 （4-1） BZ
其中：V 为电压（伏特），Z 为离子的 电荷数，B 是磁场强度（特）。
正交电磁场分析器
⊕
电磁场的磁极
平行平板电极
当离子束垂直进入均匀的正交电磁场时，将同时
受到电场力和洛伦茨力的作用，这两个力的方向正好 相反，只有在某个质量为M的离子在分析器中所受的 电场力和洛伦茨力的数值相等时，不发生偏转而到达 靶室，大于或小于M的离子则被偏转掉。
加速管
加速管的作用是让离子获得能量，最
常用的方式是通过静电场加速。
如果离子所带的电荷是：
q=Ze 其中 e 是一个电子的电荷量
离子同核相碰，因两者的质量往往是 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，使靶原子核离开 原来的晶格位置。离开晶格的靶原子核变 成一个新离子，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，可以使单晶硅 严重损伤以至变成无定形硅。
离子在同靶中的电子和原子核多次碰 撞后，逐步损失能量，最后在靶中某一点 停止下来。对于每一个单独的离子来说， 停下来的位置是随机的，但是大量离子碰 撞后停下来的位置，还是有规律的。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。
一般离子注入机有两、三套真空机组，如离子 源、中间管路部分和后台靶室各有一套真空机组。
电流积分仪
在离子注入机中，利用电流积分仪测量
注入的离子总数。
∫ N
=
NSS
=
Q q
=
1 q
t
idt （4-4）
0
式中：NS 单位面积的注入剂量（个/cm2 ），S 是扫描 面积（cm2 ），q 是一个离子的电荷（1.6×10-19库仑）， Q 是注入到靶中的总电荷量（库仑），I 是注入的束流 （安培），t 是注入时间（秒）。
聚焦系统
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，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。
扫描部件
聚焦后的离子束束斑只有几毫米的直 径，要均匀地在整个硅片上进行注入，必 须采用扫描的方式。扫描方式有静电扫描、 机械扫描和混合扫描三种。
1952年美国贝尔实验室利用20-30 kev 的氢离子，轰击温度为300-400℃的 硅单晶片，结果改善了接触型二极管的 特性，做出了具有短波长响应的太阳能 电池。1954年又提出了用离子注入法制 作P-N结的专利，并预计到采用这种方 法制作基区很薄的高频晶体管。
但是，由于当时对高速离子轰击所造成的 晶格缺陷缺乏认识，另外热扩散技术在半 导体制造工艺方面获得了很大的成功，所 以人们的兴趣都转向热扩散法，致使离子 注入技术的发展在一段时间内受到一定的 阻碍。随着对电子器件性能要求的提高、 热扩散法一些弱点的暴露，因而人们再次 注意到离子注入。六十年代得到迅速发展。
根据公式（4-6） t = qN S S I
t=（1.6×10-19×5×1015× 3.14×7.52）/ 1× 10-3 =141秒
4.2 注入离子的射程分布
固体由原子核和电子组成，高能离子 射入固体（俗称：靶）后将同原子核及其 核外电子发生碰撞。
离子和核外电子碰撞，使原子电离或 激发，由于离子质量比电子质量大很多， 每次碰撞离子能量损失很少，且是小角度 散射。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。
硅片
在静电扫描中，
即使扫描电源的三
角波线性度很好，
束流的入射方向与
硅片表面的法线之பைடு நூலகம்
间的角度变化，也
会造成硅片中心与
φ
φ 2
1
边缘之间的注入剂 量有差别，如图所
示，显然φ ＞φ 。
2
1
假设注入时束流的入射方向同硅片的法线 之间有一个很大的夹角，则在大尺寸硅片的边 缘，有可能不但会出现注入剂量不均匀，而且 会出现注入的源漏区偏离栅区，如下图所示：
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、 扫描等很长距离，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。
对于在进入扫描系统以前已经成为中 性的粒子，扫描电场对它已不起作用。由 于它是中性的，计算注入离子数量的电荷 积分仪也不能检测到，所以这些中性粒子 进入硅片后就将造成局部区域的浓度比其 它地方高。
N阱注入 场区注入 VTN调整注入
N－ 注 入 P－ 注 入 N+ 注 入 P+ 注 入
P+ ：100 Kev 6 E12 B+ ：50 Kev 2.5 E13 P+ ：180 Kev 6 E11 B+ ：33 Kev 2 E12 P+ ：45 Kev 2 E13 BF2+ ：40 Kev 2 E13 As+ ：100 Kev 5 E15 B+ ：33 Kev 2.5 E15
解决的办法是让中性粒子不要打到硅 片上。所以在扫描板上加一个直流电场， 把离子偏转一个角度后注入到硅片。
没有偏转的中性束粒子继续向前 扫描范围
X方向扫描板
+
-
Y方向扫描板 中性束偏转板
进片 真空锁
进片盒 待注硅片
靶 室
Varian 公司DF-4注入机后台
出片 真空锁
出片盒 已注硅片
Varian公司的DF-4离子注入机的后台
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
混合扫描-1
旋转
在水平方向机械扫描的系统中，当转盘以角速度ω 旋转时，硅片左右两边边缘速度V2显然大于硅片中心的 速度V1 。于是造成边缘与中心的注入剂量有差别。
硅片
束流
V1
V2
ω
θ
ω旋转
扫描偏转板
水平扫描板
在水平方向电扫描的系统中，当转盘以角速度ω旋转时， 远离转盘圆心的硅片边缘速度显然大于靠近转盘圆心的 硅片边缘的速度，于是造成硅片中注入剂量有差别。
硅片边缘 的注入情况
φ
磁分析器
加速管 硅片升降装置
静电反射板
狭缝 离子源磁铁 离子源
透镜磁铁
后台
VARIAN公司的EXTRION 500 高能、中束流注入机
VARIAN公司的SCH-80 200mm和300mm大束流注入机
硅片
线形束流
硅片上下 匀速运动
如果硅片作上下匀速运动的情况下，束流 以一条平行于硅片的线条方式射向硅片， 则在整个硅片上得到完全一致的离子注入。
检查离子注入的质量最主要的技术指 标是注入剂量，其次是均匀性。
注入的均匀性是离子注入机的一项综 合性指标，它有多方面的因素所决定，如 离子源的稳定性、高压电源及磁分析器电 源的稳定性都有所影响，但主要因素是沟 道效应、扫描和中性粒子束的影响。
扫描电源一般使用锯齿波或三角波， 多数采用三角波。波形的线性度、机械扫 描的速度均匀性等都会影响注入的均匀性。 有些功能在硅片尺寸小的时候影响不大， 在硅片尺寸越来越大后就将影响其注入的 均匀性。
射射程程、、投投影影射射程程及及标标准准偏偏差差
LSS理论研究的对象是非晶靶，对于单 晶硅材料，如果注入的时候偏离晶体的主 轴的话，可以把它假设为是非晶靶。
在工艺制造中，关注的是杂质在靶中 的分布情况。
射程R
⊕ ⊕
投影射程xp Si
射程R : 离子从进入靶起到停止点所通过 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。
按束流分 中束流注入机：1 mA以下 大束流注入机：1 mA以上
其它技术指标 扫描范围 质量分辨率
元素质量数 最大出片量
注入均匀性 （片内剂量均匀性和片间与批间均匀性）
4.1.3 离子注入机主要部件
离子源
质量分析器
加速管
扫描部件
聚焦系统
注入靶室 真空系统 电流积分仪
质量分析器
加速管
聚焦系统
XY扫描板
第
本章内容
四
4.1 离子注入装置
章
离
4.2 注入离子的射程分布
子
4.3 离子注入的损伤和退火效应
注 入
4.4 离子注入的沟道效应
4.5 离子注入在MOS IC中的应用
4.1 离子注入装置
4.1.1 离子注入技术简介
离子注入：将某种元素的原子进行电离， 并使其在电场中进行加速，获得一定的 速度后射入固体材料表面，以改变这种 材料表面的物理或化学性能的一种技术。
● 热扩散时只能采用SiO2 等少数耐高温的 介质进行局部掺杂，但是离子注入法可以 采用光刻胶作为掩蔽膜，进行局部注入掺 杂。
● 热扩散时，杂质在纵向扩散的同时进行 横向扩散，两者几乎一样，而离子注入的 横向扩散很小。
掩蔽层
Si 扩散区
注入法
Si
扩散法
4.1.2 离子注入机主要技术指标
按能量分 低能注入机：100 kev 以下 中能注入机： 100～ 300 kev 高能注入机： 300 kev 以上
现在常用的是静电扫描和混合扫描。
静电扫描
X方向扫描
扫描范围
Y方向扫描
静电扫描一般采用三角波电源，为了 避免扫描线重合，两个方向扫描的三角波 频率不能成整数倍。
混合扫描-1
旋转
混合扫描-2
旋转
ω
垂直方向电扫描，水平方向机械扫描
水平扫描板
水平方向电扫描，垂直方向机械扫描。
离离子子注注入入均均匀匀性性的的控控制制
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 用磁分析器和正交电磁场分析器两种。
磁分析器
可变狭缝
v
⊕
一个质量数为M的正离子，以速度v垂直于磁力 线的方向进入磁场，受洛伦茨力的作用，在磁场中作 匀速圆周运动的半径为R。
硅片
真空泵
可变狭缝 中性束偏转板
离子源
法拉第杯
离子源
把注入元素的原子电离成为离子，并 在吸极电压的作用下形成离子流，从离子 源引出，形成离子束。
根据结构不同，离子源的种类有尼尔 逊源、中空阴极源、潘宁源、双等离子源、 弗利曼源等。
起弧室
离子源 磁铁
气瓶
灯丝 电源
350D注入机 离子源
灯丝
离子流
加速 电极 加速 电源
VARIAN公司350D离子注入机外形
10-80大束流注入机
真空系统
离子束要在真空系统中进行传输，否则离子会 和空气的气体分子发生碰撞而被散射或中和掉。系 统的真空度至少要优于1×10-5乇（毫米水银柱）， 注入靶室的真空度要求优于1×10-6乇（毫米水银 柱）。为了避免沾污硅片，一般使用涡轮分子泵或 冷凝泵等无油泵，如果采用扩散泵，最好要有液氮 冷阱以防止油蒸汽进入真空系统中去。
离离子子注注入入与与热热扩扩散散法法
● 离子注入可以通过分别调节注入离子 的能量、数量，精确地控制掺杂的深度和 浓度，所以可以制备理想的杂质分布。
● 热扩散法对于这两个量都不能独立控 制，特别是浅结制作中，热扩散是很难实 现的，而离子注入则可以保证掺杂的精确 性和重复性，片内的掺杂均匀性可以控制 在3%以内，片与片之间的均匀性也能达 到5%以内。