第五章 离子注入低温掺杂
11-利用离子注入技术改善晶硅太阳能电池性能
个重要原因。
3 技术优势
3.1 低表面浓度发射极 低表面浓度发射极是改善电池光转化效率 的一个重要途径， 表面杂质浓度的大小直接 决定了表面复合速率 s 的大小。研究表明， 表面复合速率 s 是表面掺杂浓度的函数。在 表面浓度 2E15/cm3 到 1E18/cm3 范围内, s 随 着表面掺杂浓度增加呈亚线性增加趋势， 在 4E18/cm3 到 1E20/cm3 区间内是线性增加关 系[10]。因此降低表面掺杂浓度可以有效降 低太阳能电池的表面复合， 尤其对于较高表 面浓度的发射极。 采用离子注入的方式进行硅片前表面 掺杂， 该掺杂方式不受热扩散中所面临的固 溶度限制， 掺入杂质的浓度分布可以通过离 子注入的能量、剂量和退火工艺来调节，因 而可以实现低表面浓度掺杂。 为了说明这一 点，图 1 给出了 ECV 测量的不同注入剂量 和不同退火温度下的硅片表面的杂质浓度 分布。可以发现在同样的退火温度下（图中 的标准温度），发射极的表面浓度随着注入 剂量的降低而下降，对于注入剂量 2.3E15/cm2，其表面浓度为 3.4E20/cm3,远远 低于 POCl3 扩散形成的 8.5E20/cm3 的表面浓
图 1. ECV 测量的不同注入剂量和能量下的硅片表面的杂质浓度分布，如图曲线 1-5 所示。曲线 6 为热扩散后硅片表面的杂质浓度分布。
3.2 热氧钝化层 利用离子注入方法对半导体掺杂后， 需要高 温通氧的环境下退火激活杂质离子， 因此退 火后的硅片表面将会生长出较为致密的二 氧化硅钝化层， 从而进一步减少硅片表面的 复合。由于表面复合速率 s 是表征发射极反 向饱和电流 Joe 和少子有效寿命eff 的一个非 常重要的参数。由图 1 可以知道，随着注入 剂量的降低， 发射极的表面浓度也随之降低， 因此，反向饱和电流 Joe 也将随着降低，少 子寿命增加。 表 2 给出用 WCT-120 测量的双面离子 注入、退火、PECVD 氮化硅后的暗电压、 发射极反向饱和电流 Joe、和有效寿命eff。 通过对比可以发现，随着注入剂量的增加， 暗电压、有效寿命eff 逐渐降低、发射极反 向饱和电流 Joe 也逐渐增加，这主要是由于 发射极表面浓度增大导致表面复合增加的 缘故。对于 POCl3 扩散形成的发射极，由于 其较高的表面浓度并且没有热氧钝化层， 因 此相应的有效少子寿命eff、Joe 都会变差，
第五章 薄膜的化学气相沉积.
术中用来做发射极 4. 填充介质隔离技术中的深槽或浅槽。 5. 通过掺杂改变多晶硅的功函数，从而调整MOS器件的阈值
电压
5.3 CVD多晶硅的特性和制备方法
气体的流速分布和边界层,即泊 松流。
在化学气相沉积过程中，衬底表面的气体也要形成 相应的边界层，由于在边界层内，气体处于一种流 动性很低的状态，而反应物和反应产物都需要经过 扩散过程通过边界层，因此边界层的存在限制了沉 积的速度。根据
（x) 5x
Re( x)
Re(x) v0 x
（提高Re，降低边界层厚度）
4、化合反应:只要所需物质的先驱物可以气态存在并具有反 应活性，就可以利用化学反应沉积其化合物，如
SiCl4(g) + CH4(g) = SiC(s) + 4HCl(g) (1400℃) 3SiH4+4NH3=Si3N4+12H2 BCl3+NH3=BN+HCl
5.2 边界层理论
一、流动气体的边界层及影响因素
质量输运控制的CVD 质量输运过程是通过气体扩散完成的，扩散速度 与气体的扩散系数和边界层内的浓度梯度有关。 质量输运速率控制的薄膜沉积速率与主气流速度 的平方根成正比，增加气流速度可以提高薄膜沉 积速率，当气流速率大到一定程度时，薄膜的沉 积速率达到一稳定值不再变化。沉积速率转变为 由表面反应速度控制
（一般是热壁型的）
维持低压
低压CVD装置图
2、PECVD和HDPCVD
（1）PECVD使用辉光放电等离子体的能量来产生并维 持化学反应。PECVD的反应气压与LPCVD的气压差不多 （5-500Pa），但PECVD的沉积温度比LPCVD的沉积温度 低 很 多 。 如 LPCVD 沉 积 Si3N4 的 温 度 800-900C ， 而 用 PECVD只需350C。因为等离子体可以促进气体分子的分 解、化合、激发和电离过程，促进反应活性基团的形成， 因而显著降低了反应沉积温度。
现代半导体器件物理与工艺(杂质掺杂详解~)
现代半导体器件物理与工艺Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices杂质掺杂杂质掺杂所谓杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内。
杂质掺杂的实际应用主要是改变半导体的电特性。
扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。
方式高温扩散：一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由高温的扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高温面杂质浓度将从表面到体内单降杂质分布由高与扩散时间来决定。
离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注入能量决定。
扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，因为二者互补不足，相得益彰。
基本扩散工艺杂质扩散通常是在经仔细控制的石英高温炉管中放入半导体硅晶片并通入含有所需掺杂剂的气体混合物。
硅的温度在800-1200℃；砷化镓的温6001000扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气体混合物中度在600-1000℃。
扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气体混合物中的杂质分压有关。
对硅而言型掺杂剂它们在硅中都有极对硅而言，B 、P 和As 分别是常用的p 型和n 型掺杂剂，它们在硅中都有极高的固溶度，可高于5×1020cm-3。
引入方式有：固态源（BN 、As2O3、P2O5）；液态源（BBr3、AsCl3、POCl3）；气体源（B2H6、AsH3、PH3 ），其中液态源最常用。
使用液态源的磷扩散的化学反应如下：3225243 26POCl O P O Cl +→+在硅晶片上形成层玻璃并由硅还原出磷氯气被带走P2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。
25225 45P O Si P SiO +→+对砷化镓的扩散工艺而言，因砷的蒸汽压高，所以需要特别的方式来防止砷的分解或蒸发所造成的损失。
Ion implantation
离子注入深度
2 M 1M 2 ∆R p ≈ Rp 3 M1 + M 2
1. 离子注入靶中，其射程是一条十分曲折的路径； 离子注入靶中， 射程是一条十分曲折的路径 是一条十分曲折的路径； 2. 但在微电子工艺中，所关注的是射程在靶片法线方向上的 但在微电子工艺中， 则是投影射程的标准偏差 标准偏差， 投影长度， 投影射程R 投影长度，叫投影射程 p；△Rp则是投影射程的标准偏差， 反应了射程的分散宽度，也就是离子主要分布在Rp 反应了射程的分散宽度， 也就是离子主要分布在Rp±△Rp 范围内。 范围内。
微电子工艺学
第五章 离子注入 Ion Implantation
离子注入定义
定义：将掺杂剂通过离子注入机的离化、 定义 ： 将掺杂剂通过离子注入机的离化 、 加速和质量分析， 加速和质量分析 ， 形成一束由所需杂质 离子组成的高能离子流， 离子组成的高能离子流 ， 打入半导体晶 片内部， 片内部 ， 并通过逐点扫描完成对整块晶 片的注入。 片的注入。 离子注入的设想始于20世纪 年代， 世纪50年代 离子注入的设想始于 世纪 年代， 年代进入实用阶段。 于70年代进入实用阶段。 年代进入实用阶段
2 MVext 1 M r= 2 Vext ⇒ B = 2 B q q×r 2 × 28 ×1.67 ×10 × 20000 = −19 2 1.6 × 10 × 0.3 = 0.36T
−27
离子注入的过程
1. 从离子注入机中出来的高能离子投射到靶 的表面，绝大部分离子会进入靶内。 的表面，绝大部分离子会进入靶内。 2. 进入靶内的离子不断遭受靶原子的阻挡作 用而逐步损失能量，最终能量耗尽， 用而逐步损失能量，最终能量耗尽，停止 在靶内某处。 在靶内某处。
第五章 离子注入
Distribution according to Gaussian function
x2 QT C x, t exp 4 Dt Dt
第五章 离子注入 实 际 工 艺 中 二 步 扩 散
第一步 为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition） （称为预沉积或预扩散） 控制掺入的杂质总量
电荷/动量交换导致入射离子运 动方向的改变（<核间作用）
把固体中的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气 体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平 方根成正比。 1/ 2 15 1/ 2 2
Se E Cvion kE , k 0.2 10 eV cm
第五章 离子注入
ETrans 4 m1m2 E 2 (m 1 m2 )
核阻止能力的一阶近似为：
m——质量， Z——原子序数 下标1——离子，下标2——靶 例如：磷离子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅 Z2 = 14, m2 = 28, 计算可得： Sn ~ 550 keV-m2
Sn E 2.8 10
15
Z1Z 2
23 Z12 3 Z 2
m1 eV cm2 m1 m2
摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295
第五章 离子注入
第五章 离子注入
电子阻止本领
第五章离子注入低温掺杂
• 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，形成一定的杂质 分布。
• 离子在硅体内的注入深度和分布状态与射入时 所加的电场强度、离子剂量、衬底晶向等有关
第五章离子注入低温掺杂
第五章离子注入ห้องสมุดไป่ตู้温掺杂
How can we form ultrashallow junction in today’s CMOS devices?
减少沟道效应的措施
目前常用的解决方法有三种 • （1）是将硅片相对注入的离子运动方向
倾斜一个角度，7度左右最佳； • （2）是对硅片表面铺上一层非结晶系的
（4）离子注入深度是随离子能量的增加而增加。 可精确控制掺杂浓度和深度
（5）根据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或P型 杂质进行掺杂。能容易地掺入多种杂质
（6）离子注入时的衬底温度较低（小于600℃ ），这 样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷。同时横向效 应比热扩散小得多。
（7）表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或 深结高浓度。
• 通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下， 注入的深度将随电场的强度增加而增加。
• 用离子注入法形成的分布，其浓度最大值不 在硅片表面，而是在深入硅体一定距离。这 段距离大小与注入粒子能量、离子类型等有 关。
第五章离子注入低温掺杂
离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系。
离子注入的沟道效应
沟道效应（Channeling effect）
离子注入机分类
离子注入机按能量高低分为： 低能离子注入机 中能离子注入机 高能离子注入机 兆能离子注入机
电子行业半导体制造与封测方案
电子行业半导体制造与封测方案第一章：半导体制造概述 (2)1.1 半导体制造简介 (2)1.2 半导体制造流程 (3)1.2.1 设计与仿真 (3)1.2.2 硅片制备 (3)1.2.3 光刻 (3)1.2.4 刻蚀 (3)1.2.5 离子注入 (3)1.2.6 化学气相沉积 (3)1.2.7 热处理 (3)1.2.8 封装与测试 (3)1.3 半导体制造发展趋势 (4)1.3.1 制程技术升级 (4)1.3.2 设备更新换代 (4)1.3.3 材料创新 (4)1.3.4 封装技术升级 (4)第二章：半导体材料与设备 (4)2.1 半导体材料概述 (4)2.2 半导体设备分类 (5)2.3 半导体设备选型与评价 (5)第三章：光刻技术 (6)3.1 光刻技术原理 (6)3.2 光刻机种类及特点 (6)3.2.1 深紫外光（DUV）光刻机 (6)3.2.2 极紫外光（EUV）光刻机 (6)3.2.3 光刻机其他类型 (6)3.3 光刻工艺优化 (7)3.3.1 光刻胶优化 (7)3.3.2 曝光参数优化 (7)3.3.3 显影工艺优化 (7)3.3.4 设备维护与校准 (7)第四章：蚀刻与沉积技术 (7)4.1 蚀刻技术概述 (7)4.2 沉积技术概述 (7)4.3 蚀刻与沉积工艺控制 (8)第五章：掺杂与离子注入 (8)5.1 掺杂原理 (9)5.2 离子注入技术 (9)5.3 掺杂与离子注入工艺优化 (9)第六章：半导体器件制造 (10)6.1 器件制造流程 (10)6.1.1 设计与仿真 (10)6.1.2 硅片制备 (10)6.1.3 光刻 (10)6.1.4 刻蚀 (10)6.1.5 离子注入 (10)6.1.6 化学气相沉积（CVD） (10)6.1.7 热处理 (10)6.1.8 封装 (11)6.2 器件种类及特点 (11)6.2.1 晶体管 (11)6.2.2 二极管 (11)6.2.3 集成电路 (11)6.2.4 光电器件 (11)6.3 器件制造工艺控制 (11)6.3.1 环境控制 (11)6.3.2 设备控制 (11)6.3.3 工艺参数控制 (11)6.3.4 质量控制 (11)第七章：封装技术 (12)7.1 封装技术概述 (12)7.2 封装材料与工艺 (12)7.2.1 封装材料 (12)7.2.2 封装工艺 (12)7.3 封装技术的发展趋势 (12)第八章：测试与质量控制 (13)8.1 测试原理与方法 (13)8.2 质量控制策略 (13)8.3 测试与质量控制发展趋势 (14)第九章：半导体制造项目管理 (14)9.1 项目管理概述 (14)9.2 项目进度与成本控制 (15)9.3 项目风险管理 (15)第十章：半导体制造与封测产业发展 (16)10.1 产业发展现状 (16)10.2 产业政策与规划 (16)10.3 产业发展趋势与挑战 (16)第一章：半导体制造概述1.1 半导体制造简介半导体制造是指将半导体材料经过一系列加工处理，制成具有特定功能器件的过程。
5.4 离子注入的基本原理[13页]
![5.4 离子注入的基本原理[13页]](https://img.taocdn.com/s3/m/2fb09c5083c4bb4cf7ecd187.png)
§5.4 离子注入的基本原理
一. 离子注入的定义及特点
1. 定义
先使待掺杂的原子或分，然后经过退火使杂质激活，从 而达到掺杂目的。
2. 特点
比较项目 温度
扩散法 高温（800-1200℃）
掩蔽氧化层
<100>晶向注入方向倾斜7° 先轻微的离子注入
确定Rp和⊿Rp
3. 注入分布的应用
A. 计算结深 例：用100Kev的B+注入到具有掺杂浓度为2*1016cm-3的硅靶中，注入剂量 为 5*1013cm-2,试计算结深为多少？
B. 确定注入能量E和注入剂量Φ 例：基区杂质为6*1018cm-3的硅样品中，用P+注入形成发射区，要求硅中的最 大杂质为8*1021cm-3,发射结结深为0.13 μm,试估算入射离子的能量和剂量。
离子注入 注入在中等温度下进行（小于125℃ ）
浓度控制
均匀性 结特性
横向扩散 掺杂深度
受源温、气体流量、扩散温度、 能在很大范围内精确控制注入杂质浓度，从
时间等多种因素影 响
1010到1017个/cm2,误差 2%之间
用扫描的方式控制杂质的均匀性
适合作深结
通过控制注入能量控制注入深度，增大了设计 的灵活性
有横向扩散 受固溶度极限
很小，几乎没有 注入杂质含量不受硅片固溶度的限制
二、注入的基本原理
1. 主要参数
• 投影射程 Xp • 平均投影射程Rp • 标准偏差ΔRp • 注入剂量Φ
入射离子束
硅衬底
X Rt p Rp
2. 杂质分布公式
• Φ：注入剂量：单位面积注入进去的杂质粒子数 • 当注入杂质种类，注入能量，衬底确定后，就能
微电子专业毕业论文资料
毕业设计论文离子注入工艺及设备研究系电子信息工程系专业微电子技术姓名杨雷班级微电103 学号********** 指导教师刘锡锋职称讲师指导教师职称设计时间 2012.9.19－2013.1.4江苏信息职业技术学院毕业设计（论文）摘要：在电子工业中，离子注入现在已经成为了微电子工艺中的一种重要的掺杂技术，也是控制MOSFET阈值电压的一个重要手段。
因此在当代制造大规模集成电路中，可以说是一种必不可少的手段。
离子注入的方法就是在真空中、低温下，把杂质离子加速（对Si，电压≥105 V），获得很大动能的杂质离子即可以直接进入半导体中；同时也会在半导体中产生一些晶格缺陷，因此在离子注入后需用低温进行退火或激光退火来消除这些缺陷。
离子注入的杂质浓度分布一般呈现为高斯分布，并且浓度最高处不是在表面，而是在表面以内的一定深度处。
离子注入的优点是能精确控制杂质的总剂量、深度分布和面均匀性，而且是低温工艺（可防止原来杂质的再扩散等），同时可实现自对准技术（以减小电容效应）。
关键词：离子注入工艺；半导体；掺杂离子注入工艺及设备研究目录第一章引言 (4)第二章离子注入工艺 (5)2.1离子注入的原理 (5)2.2 离子注入的分类 (6)2.3 离子射程 (6)2.4 离子注入剂量 (7)2.5 离子注入的要求 (7)第三章离子注入的特点 (9)3.1 离子注入的特点 (9)3.2 离子注入与扩散工艺的比较 (9)第四章离子注入设备 (11)4.1 离子源 (11)4.1.1 离子源 (11)4.2.2 离子束吸取电极 (11)4.2 质量磁分析器 (12)4.2.1 E×B质量分析器 (12)4.2.2 磁质量分析器 (14)4.3加速聚焦器 (15)4.4 扫描系统 (15)4.5 终端系统 (16)第五章离子注入工艺中存在的问题 (17)5.1 沟道效应 (17)5.2 损伤 (17)5.2.1注入损伤 (17)5.2.2 离子注入层的电特性 (17)5.3退火 (18)5.4 颗粒污染 (18)第六章离子注入质量检测 (19)6.1颗粒污染 (19)6.2剂量控制 (19)6.3超浅结结深 (19)第七章总结 (20)致谢 (21)参考文献 (22)江苏信息职业技术学院毕业设计（论文）第一章引言离子注入技术是近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高新技术。
离子注入扩散掺杂技术原理及应用
离子注入扩散掺杂技术原理及应用20世纪70年代，半导体离子注入获得突破，离子注入、离子刻蚀和电子束曝光技术的结合，形成集成电路微细加工新技术，推动激光技术和红外技术飞速发展促成了今天全新的电子工业、计算机工业喝光通讯技术全面发展的新局面。
由于非半导体离子注入的材料表面处理量大，体积庞大，形状复杂，所需束流强度高，故非半导体离子注入材料改性起初发展缓慢。
随着强流氮离子注入机，特别是金属蒸发真空弧离子源( MEVV A)的问世，非半导体离子技术在20世纪80年代末期得到迅速发展。
用离子注入方法可获得高度过饱和的固溶体、亚稳定相、非晶态和平衡合金等不同组织结构形成，大大改善了工件的使用性能。
目前离子注入又与各种沉积技术、扩渗技术结合形成复合表面处理新工艺，如离子辅助沉积（IAC）、离子束增强沉积（IBED）、等离子体浸没离子注入（PSII）以及PSII—离子束混简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一个具有特殊性质的表面层（注入层）。
合等，为离子注入技术开拓了更广阔的前景。
掺杂就是使杂质进入wafer内部，并在wafer中的某区域以一定浓度分布，从而改变器件的电学性能，掺入的杂质可以是IIIA族和V A族的元素。
利用掺杂技术，可以制作PN结、欧姆接触区、以及电阻等各种器件。
什么是离子注入呢？离子注入是将被注入元素利用离子注入机电离成带正电荷的离子，经过高压电场加速后高速轰击工件表面，使之注入工件表面一定浓度的真空处理工艺。
简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一个具有特殊性质的表面层（注入层）。
离子注入技术的原理如图所示：离子注入是将离子源产生的离子经加速后高速射向材料表面，当离子进入表面，将与固体中的原子碰撞，将其挤进内部，并在其射程前后和侧面激发出一个尾迹。
04工艺-注入
碰撞
离子束
离子路程 R
投影射程 Rp
Rp
ΔRp
注入离子浓度分布
可采用高斯分布近似，类似于有限表面 源扩散的分布：
描述杂质离子浓度分布的若干参数的定义
按照高斯分布方程：
C
(
x)
=
C
p
exp(
−
(
x − Rp )2 2ΔR p 2
)
①x=Rp时，C(x)出现最大值 单位面积注入离子总数（注入剂量）
∫ Φ =
1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 Si
B
P
As
Sb
SiO2 Si3N4 Al
PR
离子注入
内容
（1）离子注入与扩散掺杂 （2）注入离子的微观运动过程 （3）离子路径和浓度分布 （4）相关效应 （5）晶格损伤和修复 （6）离子注入机系统介绍 （7）离子注入的典型应用举例
离子注入优点：
1. 离子由质量分析器提纯，纯度高，不受源纯度的 影响。注入过程在高真空下进行，避免了污染。
2. 掺杂不受杂质在衬底的固溶度限制。对各种元素 都可掺杂，使掺杂更为灵活。
3. 衬底无需加热，可用光刻胶掩蔽，为自对准掩蔽 技术提供了更多灵活性，这是扩散无法相比的。 另外，衬底温度低，故离子注入时不改变内部原 杂质分布。
=
C
p
exp(−
(
x j − Rp 2ΔR p 2
)2
)
得：xj= Rp± ΔRp[2ln(Cp/ CB)]1/2 对浅注入，xj 一个值； 对深注入，xj 可能存在两个值。
分子离子注入
描述杂质分布可选的近似方法
注入掩膜层厚度的确定
第五章离子注入H-1
第五章 离子注入 ULSI 工艺原理
16
离子束的剂量测量
Faraday cup
+ Ions
- Voltage
Secondary Electrons
Wafer
Current Meter
Integrator
(7-4)
I
Q
Dose =
# ions cm 2
=
I ·t Area ·zq
设质量M，荷电zq(z是离子荷电数，q是电子电荷量)和能 量E的离子束，通过扫描和光圈限定面积A，定义剂量D 与积分电荷量Q(库仑)的关系：
在强电场中加速，获 得较高的动能后，射 入材料表层（靶）
以改变这种材料表层 的物理或化学性质
第五章 离子注入 ULSI 工艺原理
2
离子注入优点
各种杂质浓度分布与注入浓度可通过控制掺杂 剂量 (1011-1016cm-2)和能量(10-200KeV)来达到
掺杂均匀(1% variation across 8’’ wafer) 横向分布大大小于扩散方法 表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结
第五章 离子注入 ULSI 工艺原理
8
离子注入系统的组成
a) 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。
b) 离子源（Ion Source) 灯丝(filament)发出的自由 电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击 分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸 出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器
range) z 射程分布 平均投影射程Rp 标准偏差ΔRp 横向标准偏差ΔR⊥
离子注入技术(Implant)
离子注入技术摘要离子注入技术是当今半导体行业对半导体进行掺杂的最主要方法。
本文从对该技术的基本原理、基本仪器结构以及一些具体工艺等角度做了较为详细的介绍，同时介绍了该技术的一些新的应用领域。
关键字离子注入技术半导体掺杂1绪论离子注入技术提出于上世纪五十年代，刚提出时是应用在原子物理和核物理究领域。
后来，随着工艺的成熟，在1970年左右，这种技术被引进半导体制造行业。
离子注入技术有很多传统工艺所不具备的优点，比如：是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺杂种类广泛，并且易于自动化。
离子注入技术的应用，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展，从而使集成电路的生产进入了大规模及超大规模时代（ULSI）。
由此看来，这种技术的重要性不言而喻。
因此，了解这种技术进行在半导体制造行业以及其他新兴领域的应用是十分必要的。
2 基本原理和基本结构2.1 基本原理离子注入是对半导体进行掺杂的一种方法。
它是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，注入到硅中而实现掺杂。
离子具体的注入过程是：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。
在这一过程中，涉及到“离子射程”、“”等几个问题，下面来具体分析。
2.1.1离子射程图2.1.1（a ） 离子射程模型图图2.1.1（a ）是离子射入硅中路线的模型图。
其中，把离子从入射点到静止点所通过的总路程称为射程；射程的平均值，记为R ，简称平均射程 ；射程在入射方向上的投影长度，记为p x ,简称投影射程；投影射程的平均值，记为p R ，简称平均投影射程。
入射离子能量损失是由于离子受到核阻挡与电子阻挡。
定义在位移x 处这两种能量损失率分别为n S 和e S ：nn xdE S d =（1）ee e dE S k E dx==（2）则在dx 内总的能量损失为：()n e n e dE dE dE S S dx =+=+（3）P0000P 0nd d d d d R E E E ER x E x S S ===+⎰⎰⎰（4）n S 的计算比较复杂，而yxpx py pz d Ed E且无法得到解析形式的结果。
第五章离子注入_572605374
从不同方向看硅晶体的00轴沟道;
右下：倾斜并旋转硅片模拟“无规则”方向 .
沟道效应示意图
25
剂量越 大，注 入杂质 分布受 沟道效 应的影 响越不 明显
注入到<100>硅片中硼离子分布的计算机模拟。注 入条件：倾斜和旋转角度为零，注入能量为35KeV.
深度为Rp时的离子浓度为最大值： Cp =
Q
2π ΔRp
离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量：
∫∞
Q = N (x)dx = 0
2π ΔRpCp
16
200KeV implants
17
一个任意的杂质分布可用一系列的矩来描述：归一化的一次矩是投影射 程，二次矩是标准偏差，三次矩是偏斜度；四次矩是峭度。
1016/cm2。
2
杂质剂量与杂质浓度的关系
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
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。
3
离子注入工艺设备及其原理
33
硼的退火效应
低温下，载流子浓度受点缺
陷密度控制
退火温度上升，点缺陷消
除，自由载流子浓度提高
500～600℃时，点缺陷扩散
率提高，聚集成团，形成扩 展缺陷
高温下，扩展缺陷被消除，
激活的载流子浓度接近注入 浓度。
几种等时退火条件下，硅中注入硼离 子的激活百分比
34
非晶层的退火过程：固相外延（solid phase epitaxy）
2m
R
出口狭缝：只允许一种（m/q）的离子离开分析仪
等离子体论文1
《等离子体物理学》论文论文题目：离子注入的应用专业：核工程与核技术专业方向：光电探测科任教师：姓名：学号：200日期：2012年11月21日离子注入技术是参杂工艺中引入杂质的一种新方法。
它是继扩散工艺之后的一门新技术。
在扩散工艺的基础上有更为突出的优点，具有可观的发展前景，势必会有更为广泛的应用。
本次论文主要对象是离子注入技术的原理应用前景。
一.离子注入原理、离子注入机及工作特点：1.1离子注入原理：离子注入的方法就是在真空中、低温下，把杂质离子加速（对Si，电压≥105 V），获得很大动能的杂质离子即可以直接进入半导体中；同时也会在半导体中产生一些晶格缺陷，因此在离子注入后需用低温进行退火或激光退火来消除这些缺陷。
离子注入的杂质浓度分布一般呈现为高斯分布，并且浓度最高处不是在表面，而是在表面以内的一定深度处。
1.2离子束加工原理：离子束加工（ion beam machining，IBM）是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。
因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。
1.3离子注入机：离子注入是在一种叫离子注入机的设备上进行的。
离子注入机是由于半导体材料的掺杂需要而于上世纪60年代问世。
虽然有一些不同的类型，但它们一般都由以下几个主要部分组成：（1）离子源，用于产生和引出某种元素的离子束，这是离子注入机的源头；（2）加速器，对离子源引出的离子束进行加速，使其达到所需的能量；（3）离子束的质量分析（离子种类的选择）；（4）离子束的约束与控制；（5）靶室；（6）真空系统。
1. 4.氮注入机，只能产生气体束流（几乎只出氮)：主要用于工具的注入。
其优点如下:a.操作维修简单。
(1)束流高。
第5章 杂质工程与能带工程
（b）液态源扩散（II）
优点：系统简单、操作方便、成本低、效率高、 重复性、均匀性好
缺点：腐蚀性高，起泡器加压（易炸），对温 度敏感，携带气体纯化和干燥
少子寿命在工艺中被动改变
❖ 在氧化、扩散等高温工艺中被动产生的晶格缺陷和 被动引入的深能级杂质，使少数载流子寿命缩短
❖ 杂质原子与主体原子大小失配，重掺杂时引起缺陷 增生，使寿命下降
控制少数载流子寿命的掺杂与辐照
❖ 禁带中的深能级杂质改变少子的寿命 ❖ 利用辐照产生空位和填隙原子 ❖ 辐照不具有长期稳定性
❖ 1977年旅行者号太空探测器首次采用SiGe合金作 为温差发电材料；
❖ 在此后美国NASA的空间计划中，SiGe差不多完 全取代PbTe材料。
5.5 半导体量子阱
什么是量子阱
❖ 量子阱结构是指载流子的运动在一个方向受到约束， 即这个方向的尺寸与电子的德布罗意波长相比拟或 更小，载流子只能在二维平面内自由运动 。
第五章 杂质工程与能带工程
河南科技大学
第五章 杂质工程与能带工程
❖ 5.1 常规掺杂 ❖ 5.2 自补偿效应 ❖ 5.3 少子寿命控制 ❖ 5.4 半导体固溶体 ❖ 5.5 半导体量子阱 ❖ 5.6 扩散掺杂及工艺 ❖ 5.7 离子注入及工艺
5.1 常规掺杂（pg148）
原位掺杂：在制备材料中掺入杂质
❖ 常用磷源 5POCl3→3PCl5+P2O5（600℃） 4PCl5+5O2→2P2O5+10Cl2 2P2O5+5Si→4P+5SiO2
半导体工艺离子注入
主要内容：
1、离子注入 2、离子束的性质 3、离子束加工方式 4、离子注入系统 5、离子注入的特点 6、沟道效应及避免方法 7、离子与衬底原子的相互作用 8、注入损伤 9、退火 10、离子注入的 优缺点
1、离子注入：
离子注入出现：随着集成电路集成度的提高，对器 件源漏结深的要求，且传统的扩散已无法精确控制杂 质的分布形式及浓度了。
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深； 3、离子注入的生产效率比扩散工艺低； 4、离子注入系统复杂昂贵。
END
THANK YOU!
离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面， 这个现象叫做溅射；
当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹回来， 或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；
离子束射到固体材料以后，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，这一现象就叫做离 子注入。
4、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：不同离子具有不同的电荷质量比， 因而在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。
2、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，能在高压下加速而获得很高 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
半导体制作工艺----掺杂概述
C( x, t )ΔsΔx C( x, t Δt )ΔsΔx C( x, t Δt ) C( x, t )ΔsΔx
在t时刻，体积元内的杂质浓度为C(x, t)，在t+Δt时刻 杂质浓度为C(x, t+Δt) 。经过Δt时间，该体积元内杂质 变化量为
设杂质在x和x+Δx处的扩散流密度分别为J(x,t) 和J(x+Δx,t)，则在Δt时间内， 通过x处和x+Δx处的杂质流量差为
P Wi / kT ) i ν0 exp(
温度越高，间隙杂质的跳跃率越高，间隙式扩散越容易。 室温下，Pi 约每分钟一次。
5.2.2 替位（空位）扩散
高温下，晶格处原子在平衡格点作热振动，它有一定几 率获得足够的能量，离开格点，形成空位，即空格点。临近 的杂质原子移动到空位上，而逃逸出来的原子进入间隙或跑 到晶片表面
菲克第一定律：如果在一个有限的基体中杂质浓度C(x, t)存在梯 度分布，则杂质将会产生扩散运动，杂质的扩散流密度 J 正比 于杂质浓度梯度C/ x ，比例系数D定义为杂质在基体中的扩 散系数。
扩散流密度的一维表达式为：
C x, t J D x
C x, t J D x
xj
2Cs 1 2 CB 1 C B exp erfc erfc Cs Cs π xj
处的杂质浓度梯度就越小。
由上式可以看出，在Cs和CB一定的情况下，pn结越深，在结
2、 有限表面源扩散
有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先沉积
一层杂质，在整个扩散过程中这层杂质作为扩散的 杂质源，不再有新源补充，这种扩散方式称为有限 表面源扩散。
间隙杂质一般情况下只能在势能极小 位臵附近做热振动，振动频率约为 1013~1014/s,室温下平均振动能只有 0.026eV，也就是在1200度的高温下也 只有0.13eV。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
分析磁体 粒子束
加速管
工艺腔 扫描盘
从离子源引出的离子经过磁分析器选择出需要的离子， 离子源引出的离子经过磁分析器选择出需要的离子， 经过磁分析器选择出需要的离子 分析后的离子加速以提高离子的能量，再经过两维偏转 离子加速以提高离子的能量 分析后的离子加速以提高离子的能量，再经过两维偏转 使离子束均匀的注入到材料表面， 扫描器使离子束均匀的注入到材料表面 扫描器使离子束均匀的注入到材料表面，用电荷积分仪 可精确的测量注入离子的数量 离子的数量， 可精确的测量注入离子的数量，调节注入离子的能量可 注入深度。 精确的控制离子的注入深度 精确的控制离子的注入深度。
16
How can we form ultrashallow junction in today’s CMOS devices?
减少沟道效应的措施
目前常用的解决方法有三种
（1）是将硅片相对注入的离子运动方向倾 斜一个角度， 度左右最佳； 斜一个角度，7度左右最佳； （2）是对硅片表面铺上一层非结晶系的 材料，使入射的注入离子在进入硅片衬底之前， 材料，使入射的注入离子在进入硅片衬底之前， 在非结晶层里与无固定排列方式的非结晶系原 子产生碰撞而散射，这样可以减弱沟道效应； 子产生碰撞而散射，这样可以减弱沟道效应； 表面用SiO2层掩膜） 层掩膜） （表面用
23
注入材料形态选择
材料 硼 磷 砷 锑 气态 BF3 PH3 AsH3 － 固态 红磷 固态砷，As2O3 Sb2O3
24
离子源（ 用来产生离子的装置。 离子源（Ion Source) 用来产生离子的装置。 原理是利用灯丝 利用灯丝(filament)发出的自由电子在 发出的自由电子 原理是利用灯丝 发出的自由电子在 电磁场作用下，获得足够的能量后撞击分子或 电磁场作用下，获得足够的能量后撞击分子或 原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出， 原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出，由 初聚焦系统聚成离子束， 初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器
25
b)质量分析器（磁分析器magnet b)质量分析器（磁分析器magnet analyzer) 质量分析器 利用不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的 利用不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的 不同将离子分离，选出所需的杂质离子。 不同将离子分离，选出所需的杂质离子。被 选离子束通过可变狭缝，进入加速管。 选离子束通过可变狭缝，进入加速管。
18
5.3离子注入设备 5.3离子注入设备
Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side
19
离子注入机分类
离子注入机按能量高低分为： 离子注入机按能量高低分为： 低能离子注入机 中能离子注入机 高能离子注入机 兆能离子注入机 离子注入机按束流大小分为： 离子注入机按束流大小分为： 小束流离子注入机 中束流离子注入机 强流离子注入机 超强流离子注入机
9
5.2
离子注入原理
在离子注入的设备中， 等离子体发生器” ♣在离子注入的设备中，用“等离子体发生器” 来制造工艺所要注入的离子。 来制造工艺所要注入的离子。 ♣因为离子带电荷，可以用加速场进行加速，并 因为离子带电荷，可以用加速场进行加速， 且借助于磁场来改变离子的运动方向。 且借助于磁场来改变离子的运动方向。
第五章 离子注入低温掺杂
离子注入(Ion Implantation) 离子注入
1
5.1 什么是离子注入
什么是离子注入
离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层， 离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层， 以改变这种材料表层的物理或化学性质
离子注入的基本过程
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， 在强电场中加速，获得较高 的动能后， 的动能后，射入材料表层 （靶） 以改变这种材料表层的物理 或化学性质
10
当具有高能量的离子注入到固体靶面以后， 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 这些碰撞将逐步削弱粒子的能量， 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，形成一定的杂质分布。 能量消失而停止运动，形成一定的杂质分布。 离子在硅体内的注入深度和分布状态 注入深度和分布状态与射入时所 离子在硅体内的注入深度和分布状态与射入时所 加的电场强度 离子剂量、衬底晶向等有关 电场强度、 加的电场强度、离子剂量、衬底晶向等有关
3
离子注入技术优点
是随离子能量的增加而增加。 （4）离子注入深度是随离子能量的增加而增加。 ）离子注入深度是随离子能量的增加而增加 可精确控制掺杂浓度和深度 型或P型 （5）根据需要可从几十种元素中挑选合适的 型或 型 ）根据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或 杂质进行掺杂。 杂质进行掺杂。能容易地掺入多种杂质 温度较低（ （6）离子注入时的衬底温度较低（小于600℃ ），这 ）离子注入时的衬底温度较低 小于600℃ 样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷。同时横向效 样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷。同时横向效 避免高温扩散所引起的热缺陷 应比热扩散小得多。 应比热扩散小得多。 表面浓度不受固溶度限制， （7）表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或 深结高浓度。 深结高浓度。
12
离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系。 离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系。 与衬底晶向有关系
离子注入的沟道效应
沟道效应（Channeling effect） 沟道效应（ ）
当离子沿晶轴方向注入时， 当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运 几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变， 动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变， 可以走得很远。 可以走得很远。
匀掺杂
温度低， （3）离子注入温度低，衬底一般是保持在室温或低于 ）离子注入温度低 400℃。因此，像二氧化硅、氮化硅、光刻胶,铝等都可 ℃ 因此， 二氧化硅、氮化硅、光刻胶, 以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。对器件制造中的自对准掩 以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。对器件制造中的自对准掩 蔽技术给予更大的灵活性 这是热扩散方法根本做不到的。 给予更大的灵活性， 蔽技术给予更大的灵活性，这是热扩散方法根本做不到的。
20
离子注入系统的组成
离子源 （Ion Source) 磁分析器 (Magnetic analyzer) 加速管 （Accelerator) 聚焦和扫描系统 (Focus and Scan system) 工 艺 腔 ( 靶 室 和 后 台 处 理 系 统 Target Assembly)
21
离子源 等离子体 吸出组件
2
离子注入技术优点
离子注入技术主要有以下几方面的优点： 离子注入技术主要有以下几方面的优点： 主要有以下几方面的优点 （1）注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的 ）注入的离子是通过质量分析器选取出来的， 离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源 离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源 即掺杂纯度高。 纯度的影响即掺杂纯度高 纯度的影响即掺杂纯度高。 离子／ 的较宽范围内， （2）注入剂量在 11一1017离子／cm2的较宽范围内，同一 ）注入剂量在10 平面内的杂质均匀度可保证在 杂质均匀度可保证在± 的精度。 平面内的杂质均匀度可保证在±1％的精度。大面积均
8
退火处理
通常，离子注入的深度较浅且浓度较大， 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 必须使它们重新分布。同时由于高能粒子的撞 导致硅结构的晶格发生损伤 晶格发生损伤。 击，导致硅结构的晶格发生损伤。
为恢复晶格损伤， 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， 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 再分布。 时向半导体体内进行再分布
6
离子注入掺杂分为 两个步骤 两个步骤： 离子注入掺杂 ---离子注入 离子注入 ---退火再分布 退火再分布。 退火再分布
7
离子注入
在离子注入中，电离的杂质离子经静电场加速 离子注入中 打到晶圆表面。在掺杂窗口处， 打到晶圆表面。在掺杂窗口处，杂质离子被注入裸 露的半导体本体， 露的半导体本体，在其它部位杂质离子则被半导体 上面的保护层屏蔽。 上面的保护层屏蔽。 通过测量离子电流可严格控制剂量 测量离子电流可严格控制剂量。 通过测量离子电流可严格控制剂量。 通过控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度 控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度。 通过控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度。
13
沿 <110> 轴的硅晶格视图
Used with permission from Edgard Torres Designs
Figure 17.28
14
110
111
100
倾斜旋转硅片后的无序方向
15
沟道效应的存在， 沟道效应的存在，将使得对注入离子在深度 上难以控制， 上难以控制，尤其对大规模集成电路制造 更带来麻烦。 更带来麻烦。如MOS器件的结深通常只有 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 左右， 左右 离超过了预期的深度，就使元器件失效。 离超过了预期的深度，就使元器件失效。 因此，在离子注入时， 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 抑止这种现象的产生。 效应，也就是说要抑止这种现象的产生。
11
通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下， 通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下， 注入的深度将随电场的强度增加而增加。 注入的深度将随电场的强度增加而增加。 用离子注入法形成的分布， 浓度最大值不在 用离子注入法形成的分布，其浓度最大值不在 硅片表面，而是在深入硅体一定距离。 硅片表面，而是在深入硅体一定距离。这段距 离大小与注入粒子能量、离子类型等有关。 离大小与注入粒子能量、离子源 吸出 组件 分析磁体 粒子束 较轻离子