第四章 离子注入

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
则入射离子总的能量损失为：
低能 区
中能 区
dE SnE SeE
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
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： Se E E 2
对于轻离子、高能量条件下占主导地位
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。
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
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。
定义核阻止： dE SnE
dx n
当能量较低时，E Sn 当能量较高时，E Sn
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
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。
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
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。
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
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
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
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
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
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
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


0 C(xp )dxp
0
Cmax
exp{
1 2
[
(
x
p Rp Rp
)
]2}dx
p
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。
Cmax(x Rp )
Ns 0.4NS
2 Rp Rp
注：注入剂量和杂质浓度的关系
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
损失为两者的和。
dE dx


Sn
E

S
e
E
-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
Biblioteka Baidu
C: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
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。
Se－电子阻止 dE SeE
dx e
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。
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
C(
x
p
)

Cm
ax
exp[
(
xp Rp)2 2(Rp )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
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
NS
散情况。
Rp (xp Rp )2 1/2
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。
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
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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
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