离子注入工艺
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第四章 离子注入工艺
离子注入的特点是加工温度低，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。由 于采用了离子注入技术，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 ULSI时代。
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一．离子注入工艺设备结构
离子注入机原理图
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§4.1核碰撞和电子碰撞
LSS理论:注入离子在靶内的能量损 失分为两个彼此独立的过程(1)核碰撞， （2）电子碰撞，总能量损失为它们的和。
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核碰撞和电子碰撞:
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（一）、核阻止本领
能量为 E的一个注入离子，在单位密 度靶内运动单位长度时，损失给靶原子 核的能量。
（6）离子注入时的衬底温度低，这样 就可以避免了高温扩散所引起的热缺陷。
（7）由于注入的直进性，注入杂质是 按掩膜的图形近于垂直入射，因此横向 效应比热扩散小的多，有利于器件特征 尺寸的缩小。
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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
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离子注入的杂质分布还与衬底晶向有 关系。如果注入的离子沿规则排列的晶格 方向进入硅中，离子可能要走很长一段路 途才碰到硅原子，因此，进入深度就大， 使杂质分布出现两个峰值，这种现象称为“ 沟道效应”。向<100>， <110>晶向注入 时，往往会发生这种沟道效应，而<111> 再偏离一定角度，情况就好得多。
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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。
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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。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。实践表明，用离子注入 方法在硅片内部形成杂质分布与扩散是完 全不同的。扩散法得到的杂质分布近似为 余误差函数和高斯函数分布，而用离子注 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 。
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离子注入时，由于受到高能量杂质离子的轰击， 硅片内许多晶格被破坏而出现晶格缺陷，严重时会 出现非晶层。这种缺陷一定要经过退火处理来消除， 所以退火工艺在离子注入工艺中是必不可少的。
与扩散一样，离子注入也需要掩蔽，其掩蔽物 可以是二氧化硅、氮化硅、AL2O3及AL都行，且掩 蔽膜厚度随电场强度和杂质剂量的增加而加厚。
（3）衬底温度低，一般保持在室温 ，因此，像二氧化硅、氮化硅、铝何光 刻胶等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽 膜。
（4）离子注入深度是随离子能量的
增加而增加，因此掺杂深度可以通过控
制离子束能量高低来实现。另外，在注
入过程中可精确控制电荷量，从而可精
20确21/4控/14 制掺杂浓度。
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（5）离子注入是一个非平衡过程，不 受杂质在衬底材料中的固溶度限制，原 则上对各种元素均可掺杂。
（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
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基个概念：
（1）靶：被掺杂的材料。 （2）一束离子轰击靶时，其中一部分
离子在靶面就被反射，不能进入靶内， 称这部分离子为散射离子，进入靶内的 离子成为注入离子。 （3）非晶靶成为无定形靶，本章所涉 及道德靶材料，都是按无定形来考虑。
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二、离子注入工艺的特点
(1)注入的离子是通过质量分析器选 取出来的，被选取的离子纯度高，能量 单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源 纯度的影响。另外，注入过程是在清洁 、干燥的真空条件下进行的，各种污染 降到最低水平。
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(2）可以精确控制注入到硅中的掺杂 原子数目。
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在一般情况下，杂质浓度最大值在距离 表面0.1um处，其分布有一点像高斯分布， 是由于杂质被电场加速注入到硅片内后，受 到硅原子的阻挡，使其动能完全消失，停留 在原位。但由于杂质离子具有的能量是不均 匀的，也就是使杂质离子的能量有大有小， 这样就形成了按一定的曲线分布，能量大和 能量小的都是少数，而能量近似相等的居多 数。当然注入后，能量最大的注入深，能量 小的注入浅。
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（二）电子阻止本领
同注入离子的速度成正比，即和注入 离子能量的平方根成正比。
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（三）射程的概念
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§4.2注入离子的分布
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（一）纵向分布
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* 注入离子的分布计算
1.平均投影射程Rp，标准偏差R通过查表
根据靶材（Si, SiO2, Ge），杂质离子(B，P，
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)：
Ns ＝ Qss/q =(I t) /(q A) 4.最大离子浓度：NMAX=
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三、离子注入原理
“离子” 是一种经离化的原子和分子，也称
“等离子体”，它带有一定量的电荷。“等离子 发生器”已广泛应用到CVD、金属镀膜、干法刻 蚀、光刻胶的去除等工艺中，而在离子注入的设 备中，它被用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，并且借助 于磁场来改变离子的运动方向。当经加速后的离 子碰撞一个固体靶面之后，离子与靶面的原子将 经历各种不同的交互作用，如果离子“够重”， 则大多数离子将进入固体里面去。反之，许多离 子将被靶面发射。
离子注入的特点是加工温度低，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。由 于采用了离子注入技术，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 ULSI时代。
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一．离子注入工艺设备结构
离子注入机原理图
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§4.1核碰撞和电子碰撞
LSS理论:注入离子在靶内的能量损 失分为两个彼此独立的过程(1)核碰撞， （2）电子碰撞，总能量损失为它们的和。
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核碰撞和电子碰撞:
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（一）、核阻止本领
能量为 E的一个注入离子，在单位密 度靶内运动单位长度时，损失给靶原子 核的能量。
（6）离子注入时的衬底温度低，这样 就可以避免了高温扩散所引起的热缺陷。
（7）由于注入的直进性，注入杂质是 按掩膜的图形近于垂直入射，因此横向 效应比热扩散小的多，有利于器件特征 尺寸的缩小。
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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
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离子注入的杂质分布还与衬底晶向有 关系。如果注入的离子沿规则排列的晶格 方向进入硅中，离子可能要走很长一段路 途才碰到硅原子，因此，进入深度就大， 使杂质分布出现两个峰值，这种现象称为“ 沟道效应”。向<100>， <110>晶向注入 时，往往会发生这种沟道效应，而<111> 再偏离一定角度，情况就好得多。
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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。
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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。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。实践表明，用离子注入 方法在硅片内部形成杂质分布与扩散是完 全不同的。扩散法得到的杂质分布近似为 余误差函数和高斯函数分布，而用离子注 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 。
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离子注入时，由于受到高能量杂质离子的轰击， 硅片内许多晶格被破坏而出现晶格缺陷，严重时会 出现非晶层。这种缺陷一定要经过退火处理来消除， 所以退火工艺在离子注入工艺中是必不可少的。
与扩散一样，离子注入也需要掩蔽，其掩蔽物 可以是二氧化硅、氮化硅、AL2O3及AL都行，且掩 蔽膜厚度随电场强度和杂质剂量的增加而加厚。
（3）衬底温度低，一般保持在室温 ，因此，像二氧化硅、氮化硅、铝何光 刻胶等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽 膜。
（4）离子注入深度是随离子能量的
增加而增加，因此掺杂深度可以通过控
制离子束能量高低来实现。另外，在注
入过程中可精确控制电荷量，从而可精
20确21/4控/14 制掺杂浓度。
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（5）离子注入是一个非平衡过程，不 受杂质在衬底材料中的固溶度限制，原 则上对各种元素均可掺杂。
（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
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基个概念：
（1）靶：被掺杂的材料。 （2）一束离子轰击靶时，其中一部分
离子在靶面就被反射，不能进入靶内， 称这部分离子为散射离子，进入靶内的 离子成为注入离子。 （3）非晶靶成为无定形靶，本章所涉 及道德靶材料，都是按无定形来考虑。
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二、离子注入工艺的特点
(1)注入的离子是通过质量分析器选 取出来的，被选取的离子纯度高，能量 单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源 纯度的影响。另外，注入过程是在清洁 、干燥的真空条件下进行的，各种污染 降到最低水平。
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(2）可以精确控制注入到硅中的掺杂 原子数目。
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在一般情况下，杂质浓度最大值在距离 表面0.1um处，其分布有一点像高斯分布， 是由于杂质被电场加速注入到硅片内后，受 到硅原子的阻挡，使其动能完全消失，停留 在原位。但由于杂质离子具有的能量是不均 匀的，也就是使杂质离子的能量有大有小， 这样就形成了按一定的曲线分布，能量大和 能量小的都是少数，而能量近似相等的居多 数。当然注入后，能量最大的注入深，能量 小的注入浅。
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（二）电子阻止本领
同注入离子的速度成正比，即和注入 离子能量的平方根成正比。
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（三）射程的概念
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§4.2注入离子的分布
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（一）纵向分布
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* 注入离子的分布计算
1.平均投影射程Rp，标准偏差R通过查表
根据靶材（Si, SiO2, Ge），杂质离子(B，P，
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)：
Ns ＝ Qss/q =(I t) /(q A) 4.最大离子浓度：NMAX=
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三、离子注入原理
“离子” 是一种经离化的原子和分子，也称
“等离子体”，它带有一定量的电荷。“等离子 发生器”已广泛应用到CVD、金属镀膜、干法刻 蚀、光刻胶的去除等工艺中，而在离子注入的设 备中，它被用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，并且借助 于磁场来改变离子的运动方向。当经加速后的离 子碰撞一个固体靶面之后，离子与靶面的原子将 经历各种不同的交互作用，如果离子“够重”， 则大多数离子将进入固体里面去。反之，许多离 子将被靶面发射。