离子注入技术(Implant)
Ion Implantation离子注入
Hong Xiao, Ph. D.
Comparison of Implantation and Diffusion
Diffusion Ion Implantation
High temperature, hard mask Isotropic dopant profile Cannot independently control of the dopant concentration and junction depth Batch process
Low temperature, photoresist mask Anisotropic dopant profile Can independently control of the dopant concentration and junction depth Both Batch and single wafer process
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 14
Misalignment of the Gate
Metal Gate Gate Oxide Metal Gate
n-Si
p+ S/D Aligned
n-Si
p+ S/D Misaligned
Chapter 8 Ion Implantation
Hong Xiao, Ph. D. hxiao89@
/HongXiao/Book.htm
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 1
/HongXiao/Boo k.htm 2
Hong Xiao, Ph. D.
Ion Implantation
• • • • • Introduction Safety Hardware Processes Summary
离子注入培训教程
离子注入培训教程上帝在调情发表于: 2010-5-28 10:45 来源: 半导体技术天地1．什么是离子注入?离子注入（Ion Implant）是一种把高能量的掺杂元素的离子注入半导体晶片中，以得到所需要的掺杂浓度和结深的方法。
2．离子注入安全操作应注意什么?1）本工艺所接触的固源、气源的安全操作固体磷、固体砷、三氟化硼气体均为有毒有害化学品，进行一切与之发生接触的操作维护时，都必须戴好防毒面具、乳胶手套、袖套、围裙等安全防护用品，在通风柜中进行。
2）设备安全操作①离子注入机在高电压下工作，维护维修时必须关闭电源，拔下操作面板钥匙，防止有人误操作，打开设备门，用放电棒对离子源气柜、离子源头部件、高压电缆、灯丝电极等部位放掉高压静电，并将放电棒挂在源法兰上，才可进行维护维修操作。
②离子注入机工作时有少量放射线产生，注片过程中严禁打开门，或过分接近设备后部，更不能进入注入机下面的格栅。
③离子注入机离子源工作时产生高温，必须等离子源部件降温后才可进行维护维修操作。
3．请写出离子注入常用源材料、常用离子种类及其AMU（原子质量单位）数值。
离子注入常用源材料：固体磷、固体砷、三氟化硼气体、氩气常用离子种类：B+—11，BF2+—49，P+—31，As+—75，Ar+—404．哪些工艺在大束流注入机上进行生产? 哪些工艺在中束流注入机上进行生产? 试举例说明。
注入剂量大于5e14cm-2的注入工艺在大束流注入机上进行生产，如MOS电路的源漏注入、电容注入、多晶互连注入等。
注入剂量小于1e14cm-2的注入工艺在中束流注入机上进行生产，如MOS电路的阱注入、场注入、PT注入、LDD注入、VT注入等等。
5．产品流程单规定的注入工艺参数有哪些?产品流程单规定的注入工艺参数有注入离子种类（AMU）、能量（Energy）、剂量（Dose）、倾斜角（TiltAngle）等。
6．注入前的来片检查应注意什么?注入前的来片检查应确认产品批号、片数与流程单一致，上道工序已完成，圆片无破损，如有异常应向带班人员报告。
第五章离子注入_572605374
x j = Rp + ΔRp
2 ln⎜⎜⎝⎛
1
φ ⎟⎞
2π ΔRp N B ⎟⎠
（假设0 ≤ x ≤ Rp时，均有N(x) > NB）
23
实际的入射离子分布问题
沟道效应 横向分布 复合靶注入
24
沟道效应：在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时，有 部分离子可能会行进很长距离，造成较深的杂质分布。
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。
静电光栅扫描：适于中低束流机 机械扫描：适于强束流机
剂量控制
法拉第杯：捕获进入的电荷，测
量离子流
注入剂量：
Dose =
1 A
∫
I q
dt
当一个离子的荷电态为m时，
∫ 注入剂量为 Dose =
1
I dt
mA q
两种注入机扫描系统
9
离子注入工艺控制参数
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 注入剂量（单位：原子数/cm2）—— 决定杂质浓度 束流（单位：mA或μA）—— 决定扫描时间
注入损伤阈值剂量：
超过某一剂量注入后，形成完全 损伤，晶体的长程有序被破坏。
04离子注入技术讲解
n+ S/D implant
Source
Drain
-----
Source
-----
Drain
n-well p+ Buried layer p+ Silicon substrate
p-well
Source Drain n-well
------------
– 4.4.离子注入工艺中的一些问题
1。离子源：汽化高压电离 多价问题 分子态—原子态问题 （产额问题） 2。选择性掺杂的掩膜 SiO2、Si3N4、光刻胶、各种金属膜
• P离子注入
Si SiO2 Si3N4
E Rp Rp Rp Rp Rp Rp (keV) (m) (m) (m) (m) (m) (m) 10 0.014 0.007 0.011 0.005 0.008 0.004 20 50 100 0.025 0.012 0.020 0.008 0.015 0.006 0.061 0.025 0.049 0.019 0.038 0.014 0.124 0.046 0.100 0.033 0.077 0.026
Electron Shower for Wafer Charging Control
-Biased aperture Secondary electron target Secondary electrons + + + + Wafer
+ + + + + + +
+ +
Electron gun
一次电子(几百eV)
– 重离子在材料中与靶原子的碰撞是“弹性” 库仑散射 4M i M t
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
离子注入技术Implant共27页
E < 10 KeV ，刻蚀、镀膜 E = 10 ~ 50 KeV，曝光 E > 50 KeV，注入掺杂
离子束加工方式可分为 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（FIB,Focus Ion Beam）
掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离 子体型离子源，其典型的有效源尺寸为100 m，亮度 为10 ~ 100 A/cm2.sr。 聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离 子源（LMIS , Liquid Metal Ion Source ）出现后才得 以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为 5 ~ 500 nm， 亮度为 106 ~ 107 A/cm2.sr 。
可
1 室温或低于400℃
900－1200 ℃
控
2
各向异性
各向同性
性
3 离可子以独注立控入度制结与深扩和浓散不能的独立比浓控度较制结深和
好
离子注入的缺点
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（一般在 1um以 内，例如对于100keV离子的平均射程的典型值约为0.1um ）； 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。
3 离子注入的应用
半导体掺杂工艺： 大规模集成电路
固体材料表面改性： 抗腐蚀、硬度、耐磨、润滑
光波导: 光纤传感器
太阳能电池
离子注入机设备与发展
中束流 μA
大束流 mA
350D NV6200A NV10-80 NV10-160 NV10-160SD NV10-180
GSD/200E2离子注入机技术指标 1.离子束能量 80KeV 形式：2 - 80KeV（也可选90KeV） 160KeV形式：5 – 160KeV(也可选180KeV) 2.80KeV注入机的最大束流
离子注入技术(Implant)
能源等领域。
新能源
离子注入技术在太阳能电池、燃 料电池等新能源领域中也有广泛 应用，通过优化材料表面的性能， 提高新能源器件的效率和稳定性。
离子注入技术的发展历程
起源
离子注入技术最早起源于20世纪 50年代的美国贝尔实验室，最初 是为了解决半导体材料的掺杂问 题而发明的。
注入机的结构
注入机通常由离子束控制 装置、注入室、注入了材 料夹具等组成，以实现精 确控制和高效注入。
检测与控制系统
检测与控制系统的作用
检测与控制系统用于实时监测离子注入的过程和结果，同时对设备进行精确控制，确保 工艺参数的一致性和稳定性。
检测与控制系统的组成
检测与控制系统通常包括传感器、信号处理电路、控制电路和显示面板等组成，以实现 实时监测和控制。
离子注入技术(Implant)
• 离子注入技术概述 • 离子注入技术的基本原理 • 离子注入技术的主要设备 • 离子注入技术在半导体制造中的应
用 • 离子注入技术的挑战与未来发展
01
离子注入技术概述
定义与特点
定义
离子注入技术是一种将离子化的物质注入到固体材料表面的工艺，通过改变材 料表面的成分和结构，实现材料改性或制造出新材料的表面工程技术。
真空系统的组成
真空系统通常包括真空 室、机械泵、扩散泵、 分子泵等组成，以实现 高真空的获得和维持。
注入机
01
02
03
注入机的作用
注入机是离子注入技术的 关键设备之一，它能够将 离子束按照预设的参数注 入到材料表面。
注入方式
注入机通常采用定点注入、 扫描注入和均匀注入等方 式，以满足不同材料和工 艺的需求。
离子注入
离子注入的沟道效应
离子注入的通道效应
离子注入的沟道效应
解决沟道效应的方法 1.倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入方向，典型值为7°； 2.先重轰击晶格表面，形成无定型层； 3.表面长二氧化硅、氮化硅、氧化铝无定型薄层。 即使晶体某个晶向平行于离子注入方向,但注入离子进入晶 体前,在无定形的介质膜中多次碰撞后已经偏离了入射方向,偏 离了晶向。 在无定形靶运动的离子由于碰撞方向不断改变，因而也会有 部分离子进入沟道，但在沟道运动过程中又有可能脱离沟道， 故对注入离子峰值附近的分布并不会产生实质性的影响。
非晶层 退火方 的形成 式不同
简单晶格损伤
注入轻离子 在初始阶段，能量损失主 要是由电子阻止引起的，不产 生移位原子。注入离子能量损 失到到一定程度后，核阻止将 起主要作用，晶格损伤主要产 生于此。 注入重离子 对于重离子，主要是通过 核碰撞损失能量。
级联碰撞
级联碰撞 移位原子也称为反冲原子,与入射离子碰撞而发生移位 的原子,称为第一级反冲原子。与第一级反冲原子碰撞而移 位的原子,称为第二级反冲原子„,这种不断碰撞的现象称 单位体积内的移位原子数目 为“级联碰撞”。 接近半导体的原子密度时， 此区域称为非晶区域。 注入离子在硅衬底中产生的3类损伤 局部的非晶区域相 简单 退火方 1.在原来硅晶体中产生孤立的点缺陷或缺陷群； 晶格 互重叠形成非晶层 式相同 2.在晶体中形成局部的非晶区域； 损伤 3.由于注入离子的损伤的积累形成非晶层。
注入的离子纯度高 可以精确控制掺杂原子数目 温度低,小于400℃,掩蔽材料不需耐高温 离子注入深度随离子能量的增加而增加，掺杂深度 可控 非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制 低温注入，避免高温扩散所引起的热缺陷 横向扩散效应比热扩散小得多 离子通过硅表面的薄膜注入，薄膜起到保护膜的作 用，防止污染。 化合物半导体在高温处理时可能发生变化，采用离 子注入可以对化合物半导体进行掺杂
离子注入法介绍PPT课件
（2）已知离子注入时的注入束流I，靶面积A，注入时解第3步
计算杂质最大浓度：
求解第4步
写出杂质浓度分布公式：
第21页/共32页
4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（3）假设衬底为反型杂质，且浓度为NB，计算PN结结深 由N(xj)=NB 可得到结深计算公式：
第22页/共32页
4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（4）根据分布公式，计算不同深度位置的杂质浓度
第23页/共32页
5、实际杂质分布偏差描述的改善
■ 对于低浓度区的偏差，采用高斯分布的高次矩描述：
■ 对于硼的分布，采用Pearson IV分布描述。
■ 用蒙特卡洛法模拟杂质分布在 离子注入计算机模拟工具中十 分常见。
（2）质量分析器：
选择注入所需的杂质成分(B+)
■ 分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的速度方向
离子运动路径：
离子运动速率：
质量m+m的离子产生的位移量
■ 出口狭缝：只允许一种(m/q)的离子离开分析仪
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（3）加速管：
加速离子，获得所需能量；高真空(<10-6 Torr)
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二、离子注入工艺设备及其原理
1、离子注入技术的三大基本要素：
(1) 离子的产生 (2) 离子的加速 (3) 离子的控制
2、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
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（1）离子源：
图5.8 常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系
第16页/共32页
5离子注入
20
dE dE dE ( ) n ( ) e N(Sn (E) Se (E)) dx dx dx dE dx N(Sn (E) Se (E)) 1 E0 dE R dx 0 S (E) S (E) N n e 0
Scanning disk
Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side
10
离子源（Nielsen 系统）：
11
磁质量分析器：
Ion source Extraction assembly Analyzing magnet Ion beam Lighter ions
27
2、注入离子的横向分布
离子进入靶时的侧向扩展用侧向散布来表征。它对于决定离
子在掩膜边缘处的Байду номын сангаас透以及用离子注入制成的结的曲率都是
很重要的。当离中注入是通过一特别狭窄的掩膜窗口进行时，
侧向效应也是很重要的。
28
29
通过一个窄窗口注入的离子，在y轴正方向的空间分布情况可由 下式求出：
x R 2 Q0 1 1 y a p N ( x, y , z ) exp erfc 1/ 2 (2 ) DR p 2 DR p 2DY
实际的浓度曲线为纺锤形
30
z
离子浓度 （lg坐标）
△Rt
离子束 Rp x
y
31
由边界算起的距离 （+a或－a处）
fab 离子注入
fab 离子注入在现代科学技术的改变下，我们可以利用一些特殊的技术来对一些材料进行加工处理以改变其性质。
其中，“fab离子注入”就是一种非常有用的材料加工技术，因为它可以改变材料的电学性质，并且被广泛应用于微电子、光电子、传感器等现代领域。
下面，我将分步骤阐述“fab离子注入”技术：第一步：制备样品在进行“fab离子注入”之前，我们需要先准备样品。
这个样品可以是石英、硅、蓝宝石等，而且这个样品应该在进行处理时具有一些特定的电学特性，例如具有一定的导电能力和材料的光学性质。
第二步：制备离子束装置离子束装置是用于“fab离子注入”的一种装置，它可以用于在样品上进行精确的注入操作。
在制备离子束装置时，我们需要准备一台特殊的机器，即离子注入机（ION IMPLANTER），并且安装离子注入机需要一些特殊的技术。
第三步：细节处理在进行样品处理时，我们需要进行一些特殊的设置。
通过使用计算机控制离子束速度和能量，我们可以把离子注入到样品的特定厚度和深度中，这样就可以在材料的结构中形成一种特殊的离子掺杂区域。
第四步：特殊处理“fab离子注入”在进行过程中，我们需要进行一些特殊的处理以确保注入效果的到位。
例如，在注入时我们可能需要对样品进行加热或避免样品因为离子注入而产生损伤等。
第五步：测试样品样品处理完成之后，我们需要进行测试，以确保所进行的离子注入结果符合要求，如果离子注入出现了问题则需要重新制备样品，再次进行离子注入。
总结：通过“fab离子注入”技术，我们可以在样品中形成一种掺杂区域，从而改变材料的导电性能和光学性质，使得材料更加适用于微电子、光电子和传感器等现代领域，同时也为材料的研究和进一步开发提供了一种新的方法和技术。
离子注入表面处理
N+ 注入后金属表面硬度增加量
离子注入在金属表面改性中应用
提高抗磨损、抗氧化、抗腐蚀和抗疲劳性能
通常认为离子注入使基体相晶面间距 增大,产生晶格畸变和形成新的强化相, 是材料硬度和耐磨性提高的主要原因。 常采用N、Cr、Te、Mo等离子注入来提 高金属材料的耐磨性和铁合金的表面力 学性能。
选择原子半径大的注入离子 在合适温度下尽量吸附在位 错上
注入间隙原子,如N、O或C， 以有利于形成各种复杂的化 合物,从而形成弥散强化
离子注入在金属表面改性中应用
提高表面硬度与强度
大量的实验和研究表明:离子注入可以不同程度的提高金属材料表面的强度和硬度;金属表面的硬度和强度随 着注入剂量的增加而增加。当金属中注入碳、氮、氧和磷等非金属元素时,可在金属近表面中析出碳化物、氮 化物、磷化物等弥散相,表面洛氏硬度得到提高。
基于右图，能测定用离子注入方法在硅集体上 合成的Fe-Si薄膜的各类相的深度分布
1、离子注入后形成的无定型的a-FeSi2 经过退 火后结晶形成β-FeSi2
2、样品在高能离子注入后距表面14nm到 28nm处生成三种相
3、a- Fe3Si在经过500℃ 1h退火后结晶形成晶 体Fe3Si，经过800℃ 1h退火后转化成β-FeSi2 和 FeSi
改善物 理性能
改善化 学性能
价值
改善机 械性能
离子注入技术简介
如果晶格原子从碰撞中获得足够的能 量(大于移位阀功即克服断键能和克服 势垒作功之和),则被撞击原子将越过 势垒而离开晶格位置进入原子间隙成 为间隙原子
如果反冲原子获得的反冲 能量远远超过移位阀功,它 会继续与晶格原子碰撞,产 生新的反冲原子,发生“级 联碰撞”
Implant关键词汇及术语
I m p l a n t关键词汇及术语IMP Ion Implantation 离子植入(注入)1.Antimony(Sb)锑2. Argon(Ar)氩3. Arsenic(As)砷4. Arsenic trioxide(As2O3)三氧化二砷5. Arsine(AsH3)砷烷6. Beam Current 离子束电流7.Cycle time：晶片做完某段工艺或设定工艺段所需要的时间。
通常用来衡量流通速度的快慢。
8. Damage：损伤。
对于单晶体来说，有时晶格缺陷在表面处理后形成无法修复的变形也可以叫做损伤。
9.die(singular or plural单数或复数)：硅片中一个很小的单位，包括了设计完整的单个芯片以及芯片邻近水平和垂直方向上的部分划片槽区域。
10.DIW De-Ionized water 去离子水11.Dose （搀杂的）剂量12. Dopant 搀杂物13.能量(Energy)：决定注入杂质的深度；14.束流(Beam Current)：决定注入时间；在注入剂量一定的情况下，束流大，注入时间短，束流小，注入时间长；15.剂量(Dose)：决定注入的杂质浓度，剂量与注入时间和束流的乘积成正比；16.注入角度：一般为7度，防止产生沟道效应；17.电子浴设定：防止因电荷积累而产生的Charge-up现象，因高电流的注入剂量较大，束流较大，注入时间较长，因此多采用电子浴。
18.真空度：离子注入须在高真空的环境下进行，如果注入Chamber存在残余气体分子，则会由于与注入离子的碰撞而产生其它种类的离子，引起Faraday对注入剂量的误判，造成过注入。
19.Dummy Wafer擋片,假片，通常放在批次式機台內部特定位置用以控制全批產品的均勻性或是补填禁Run產品的位置.20.Exhaust 排气21.Four Point Probe 四點探針是量測晶片片阻值(Sheet Resistance)Rs的儀器。
离子注入
原理
等离子体基离子注入PBⅡ装置示意图离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表 面改性技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，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，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。 此项技术由于其独特而突出的优点，已经 在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益 和社会效益。
集成电路前道制程中有许多光刻层之后的工艺是离子注入（ion implantation），这些光刻层被称为离子注 入光刻层（implant layers）。离子注入完成后，晶圆表面的光刻胶必须被清除掉，清除离子注入后的光刻胶是 光刻工艺中的一个难点。
优势
高能离子注入的优势 多样性：原则上任何元素都可以作为注入离子；形成的结构可不受热力学参数（扩散、溶解度等）限制； 不改变：不改变工件的原有尺寸和粗糙度等；适合于各类精密零件生产的最后一道工序； 牢固性：注入离子直接和材料表面原子或分子结合，形成改性层，改性层和基底材料没有清晰的界面，结合 牢靠，不存在脱落的现象； 不受限：注入过程在材料温度低于零下、高到几百上千度都可以进行；可对那些普通方法不能处理的材料进 行表面强化，如塑料、回火温度低的钢材等；
(2)热挤压和注塑模具，可使能耗降低20%左右，延长使用寿命10倍左右；
(3)精密运动耦合部件，如抽气泵定子和转子，陀螺仪的凸轮和卡板，活塞、轴承、齿轮、涡轮涡杆等，可 大幅度地降低摩擦系数，提高耐磨性和耐蚀性，延长使用寿命最多可以达到100倍以上；
(4)挤压合成纤维和光导纤维的精密喷嘴，可以大大提高其抗磨蚀性和使用寿命；
低能大束流离子注入机原理
低能大束流离子注入机原理低能大束流离子注入机（Low Energy High Current Ion Implanter）是一种用于半导体器件制造的关键设备，其原理基于离子注入技术。
离子注入是一种将离子束直接注入到半导体材料中的方法，以改变材料的导电性和其他性能。
低能大束流离子注入机的原理可以分为以下几个关键步骤：1. 离子生成：首先，离子源产生所需的离子种类。
常见的离子源包括离子源炉、离子源发生器等。
离子源炉通常包含一个加热器和一个含有离子源材料的容器。
加热器将离子源材料加热至高温，使其释放出离子。
2. 离子加速：生成的离子通过一个加速系统，如电场加速器或磁场加速器，获得高速度和高能量。
加速系统中的电场或磁场对离子施加力，使其获得所需的能量。
3. 离子束形成：加速的离子通过一个束流形成系统，如孔径、准直器等，以形成一个稳定的离子束。
束流形成系统用于控制离子束的直径和形状，以确保注入到半导体材料中的离子分布均匀。
4. 离子注入：形成的离子束通过一个注入系统，如注入器和注入电极，将离子注入到半导体材料中。
注入系统控制离子的注入剂量和能量，以满足所需的半导体器件特性。
5. 离子分布控制：在离子注入过程中，离子的深度和浓度分布对于半导体器件的性能至关重要。
通过控制离子注入的能量、剂量和角度，可以实现所需的离子分布。
同时，还可以使用掩膜技术，在注入之前覆盖部分区域，以控制离子的分布范围。
总之，低能大束流离子注入机的原理是通过离子生成、离子加速、离子束形成、离子注入和离子分布控制等步骤，将离子注入到半导体材料中，以改变其电学特性和性能。
这种技术在半导体器件制造中具有广泛的应用，例如制备晶体管、电容器和电阻器等。
专题-6：UnitProcess–Implantation（离子植入）（转）
专题-6：UnitProcess–Implantation（离子植入）（转）今天比较累，10点刚下班。
还是写吧，马上要周末了。
主题依然是单向工艺，离子植入(Ion Implantation)。
我们一直在讲P-Si和N-Si，里面掺了硼或者磷。
那么这些掺杂的东西怎么进去的？早期都是扩散进去的，把掺杂的东西涂在wafer表面，然后丢进管子。
这个很古老，而且剂量/深度什么的都不好控制。
后来才有了implant，才能够精准的把指定数量的掺杂原子利用所需要的能量在特定的角度打入到Si的晶格中，所以剂量和数量都是精确可控的。
可以说implant直接决定了半导体器件的电性特征，因为所有的掺杂都是它打进去的，这就是为什么每次device一跑掉第一个找implant了。
这就是宿命啊！Implant三要素：掺杂原子，能量/剂量，角度。
1) 掺杂原子当然就是第三族的B、BF2、In等P-type元素，还有第五族的P, As, Sb等N-type元素。
这些原子量要记住，因为他们决定了原子质量，将来做元素筛选用的。
2) 能量、剂量: 这个决定了打入Silicon衬底的深度(Project depth)，一般根据在器件结构的作用分为三种，a. 高能(high energy) 200KeV~MeV，主要用于Well、DNW等等很深的注入。
b. 中束流(Median Current)一般能量从几KeV到200KeV之间，剂量E14 ion/cm2之内，主要用于Vt、LDD、APT、等注入。
c. 大束流(High Current)：这个主要偏重剂量，一般都在E15以上，主要用于Source/Drain implant，但energy都不高，想想如果高的话会怎么样？3) 角度(Tilt)：T00或者T07或者T45。
这个决定了后面拖尾或者doping profile。
但是大角度注入容易有阴影效应(shielding effect)，在光阻角落打不到，所以需要旋转注入(rotation)。
8.0 Implant
离子注入工艺
当你学完本章时，你应掌握以下内容： 1. 了解离子注入工序的目的. 2. 了解在离子注入工艺程序中的三个关键的参数且 了解其所指的是什么. 3. 了解离子注入设备中的七个基本部分.
M
Semiconductor Products Sector SPS Order Fulfillment Organization
Motorola Confidential Proprietary
Page 8.5
Semiconductor Processing Overview, Rev_O
系统
• • • • 高压 - 提供掺杂离子所必需的加速度. 有毒气体 - 当前的掺杂原理是有害的. 所有此工序使用的气体是有毒的. – 固体砷, 三氟化硼, 固体红磷. 高度真空 - 提供掺杂离子所需的有效率的传输环境. 机械设备： – 芯片操作手 – 离子束调节系统- 大多数调节系统是机械调节的. 冷却系统 – 源极区的主要热量来自离子束的产生, 其它离子束区的热量来自离子 轰击, 芯片的热量来自离子轰击. – 控制系统 (计算机)
加速器/减速器
• • 一个在不同电势下电极的排列. 增加或减少被电离的掺杂原子(离子束)的能量.
加速栅
法拉第
• 计算掺杂量.
晶片
• 接受掺杂的电离原子.
M
Semiconductor Products Sector SPS Order Fulfillment Organization
Motorola Confidential Proprietary
• •
M
Semiconductor Products Sector SPS Order Fulfillment Organization
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LMIS 的类型、结构和发射机理
针尖的曲率半径为 ro = 1 ~ 5 m，改变 E2 可 液态金属 以调节针尖与引出极之 间的电场，使液态金属 在针尖处形成一个圆锥， 钨针 此圆锥顶的曲率半径 仅 有 10 nm 的数量级， 这就是 LMIS 能产生小 束斑离子束的关键。
2.2 注入离子浓度分布
GSD/200E2离子注入机技术指标 1.离子束能量
80KeV 形式：2 - 80KeV（也可选90KeV）
160KeV形式：5 – 160KeV(也可选180KeV)
2.80KeV注入机的最大束流
GSD/200E2离子注入机技术指标 3.160KeV注入机的最大束流
离子注入机设备与发展
离子注入机设备与发展
4、离子注入系统复杂昂贵。
3
离子注入的应用
半导体掺杂工艺： 大规模集成电路 固体材料表面改性： 抗腐蚀、硬度、耐磨、润滑 光波导: 光纤传感器 太阳能电池
离子注入机设备与发展
中束流 μA 350D
NV6200A
NV10-80
大束流 mA NV10-160 NV10-160SD NV10-180
基本结构：离子注入系统（传统）
聚焦系统：用来将加速后的离子聚集 成直径为数毫米的离子束。 偏转扫描系统：用来实现离子束 x、 y 方向的一定面积内进行扫描。 工作室：放置样品的地方，其位置可 调。
离子注入系统示意图
离子注入系统实物图
2.1 离子源
作用：产生所需种类的离子并将其引出 形成离子束。 分类：等离子体型离子源、液态金属离 子源（LMIS, Liquid Metal Ion Source ）。
基本结构：离子注入系统（传统）
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（离子能量为100keV量级)。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分 离中性原子。
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。
注：离子束（Ion Beam）用途 E < 10 KeV ，刻蚀、镀膜 E = 10 ~ 50 KeV，曝光 E > 50 KeV，注入掺杂
离子束加工方式可分为 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（FIB,Focus Ion Beam） 掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离 子体型离子源，其典型的有效源尺寸为100 m，亮度 为10 ~ 100 A/cm2.sr。 聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离 子源（LMIS , Liquid Metal Ion Source ）出现后才得 以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为 5 sr 。
各向同性
可以独立控制结深和浓 不能独立控制结深和 离子注入与扩散的比较 3 度 浓度
一 言 以 蔽 之 ： 可 控 性 好
离子注入的缺点
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（一般在
1um以 内，例如对于 100keV离子的平均射程的典型值约为 0.1um ）；
3、离子注入的生产效率比扩散工艺低；
目前最大的几家IMP设备厂商是VARIAN（瓦 里安 ）, AXCELIS, AIBT（汉辰科技 ）, 而全球最大的设备厂商AMAT（应用材料）基 本退出了IMPLANTER的领域，高能离子注入 机以AXCELIS为主，主要为批量注入，而 Varian则占领了Single的市场 。
22nm以下的离子注入机
离子注入技术(Implant)
姓名：张贺
学号：1081120115
1 综述 2 基本原理和基本结构 3 技术指标 4 应用及结论
1
综述
• 最早应用于原子物理和核物理研究
• 提出于1950’s • 1970’s中期引入半导体制造领域
2
基本原理和基本结构
基本原理：离子注入（Implant）是一种对
离子注入过程：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。 离子浓度呈高斯分布。
x
y
0
z
注入离子分布(高斯型)
RP：投影射程，射 程的平均值
2.3 退火工艺
• 注入离子会引起晶格损伤（一个高能离子可以 引起数千个晶格原子位移）。 • 离子注入后需要将注入离子激活。
4 总结
未来电子技术发展水平的瓶颈；
未来高精工艺的发展方向；
未来尖端技术如航空航天、军事等领域 所必须的基础。
Thank you!
离子注入后必须进行退火处理，目的是消除 注入损伤和激活杂质。在半导体制造行业通 常采用快速热退火 (RTA，Rapid Thermal Annealing )。
一个离子引起的晶格损伤
轻离子
重离子
退火前后的比较
退火前
退火后
离子注入
扩散
1 2
低温，光刻胶掩膜 室温或低于400℃
各向异性
高温，硬掩膜 900－1200 ℃