离子注入资料
【精品】表面工程技术6离子注入
§6离子注入离子注入是核科学技术在材料工业方面的应用，其基本工艺是将几万到几十万eV 的高能离子流注入到固体材料表面，从而使材料表面的物理、化学或机械性能发生变化，达到表面改质的目的. 离子注入技术首先应用于半导体材料。
该技术使大规模集成电路的研究和生产获得了极大的成功,70年代以后才开始用于金属材料的表面改质.§6.1离子注入的原理一、离子束和材料的相互作用1、离子与靶材原子相互作用过程(1）离子与靶材原子的相互作用高能离子（20～100keV ）以高速(107～108cm/sec ）射向靶材表面，与靶材相互作用，产生核碰撞(核阻止）、电子碰撞（电子阻止），并与靶材原子进行能量交换，其中核阻止起主要作用。
阻止本领的大小（即碰撞几率的大小）用阻止截面来表示。
注入的离子损失了原有能量，停在靶材内部。
经过一次碰撞，离子传递给靶原子的最大能量为：12max 12124()m m A E m m =+m 1、m 2分别为入射离子和靶原子质量。
E 1入射离子的初始能量。
当离子传递给靶原子的能量大于点阵对原子的束缚能时（A >E d ,E d 点阵原子束缚能,约为几十eV），离子撞击使点阵原子离开正常位置，产生一个空位和间隙原子。
当A>〉E d，离子撞击使原子获得很大的能量，离开原来的位置（即离位原子或反冲原子），获得能量的反冲原子和点阵中其它原子发生碰撞,产生更多的反冲原子，形成级联碰撞过程.离子的轰击，可以使靶材发生溅射，靶材中产生大量的置换原子、间隙原子和空位（即产生缺陷）；高速运动的离子终止在靶材中会产生热效应。
在热效应作用下,点阵缺陷开始迁移，形成间隙原子团、空位团（即位错环）。
(2)离子在靶材中的分布离子注入、能量交换是一个随机过程。
注入离子的浓度在靶材中的射程(即深度）中呈高斯分布。
2、离子撞击引起的效应概括为三种：①掺杂作用:引起材料表层的原子成分发生变化，如大规模集成电路采用的离子注入。
第4章离子注入
离子注入掺杂
发展历史： 1954年肖克莱首先提出并申请了专利。 1955年英国人W. D. Gussins 用硼离子轰击 Ge晶片，在n型材料上形成p型层，但当时对 p-n结形成机理不很清楚，所以这一新技术没 有得到人们重视。 随着原子能技术的发展，对于离子束对 物质轰击效果的研究，强离子束设备的出现， 为离子注入的发展奠定了基础。
掩蔽层
Mask
xj Silicon substrate
Mask
Silicon substrate
a) 低掺杂浓度与浅结
b) 高掺杂浓度与深结
聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。
缺点是 生产效率低，设备复杂，控制复杂。聚焦方
式的关键技术是
1、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源；
2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转
液态金属
同轴形
毛细管形
钨针
对液态金属的要求 (1) 与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润；
(3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太
高的温度下既保持液态又不蒸发。
能满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn
等少数几种，其中 Ga 是最常用的一种。
E3 E1 是主高压，即离子束的 加速电压；E2 是针尖与引出极
离子注入概述
扩散掺杂
• 最先被采用的半导体掺杂技术 • 是早期集成电路制造中最重要的技术之一，高温炉 通称为“扩散炉”。 • 需在高温炉中进行 • 需使用二氧化硅作掩膜 • 无法独立控制结深和浓度 • 各向同性 • 杂质剂量控制精度较差。 自1970年中期开始离子注入技术被广泛采用。扩散技 术目前主要应用于杂质的推进，以及用于形成超浅结 （仍处于研发中）。
第四章离子注入
4.1 核碰撞和碰撞
4.1.3 射程粗略估计 LSS模型：引入简化的无量纲的能量参数ε和射程参 数ρ，即 ρ = (RNM1M24πa2)/(M1+M2)2 ε = E0aM2/[Z1Z2q2(M1+M2)] N- 单位体积的原子数； 1/2 作图，得图4.5 以dε/dρ–ε
4.1 核碰撞和电子碰撞
第四章 离子注入
定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的沟道掺杂， 防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。 特点: ①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,<400℃。 （避免了高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩 蔽膜。） ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在 ±1％（高浓度扩散5％－10％）；能精确控制浓度分 布及结深，特别适合制作高浓度浅结、突变型分布。
注入离子能量与阻挡本领 ①高能区：电子阻挡占主要，核阻挡可忽略。 ②中能区：核阻挡占与电子阻挡相当； ③低能区：核阻挡占主要，电子阻挡可忽略；
4.1 核碰撞和电子碰撞
临界能量（交叉能量）Ene( Ec): Sn(E)=Se(E)处的能量。 ①Ene随注入离子原子量 的增加而增大。 ②轻离子，B: Ene≈15keV， 重离子，P: Ene≈150keV。
4.2 注入离子分布
1.总射程R 定义：注入离子在靶内走过的路径之和。 R与E的关系：根据能量的总损失率， dE dE dE , S E S E
dR dR
n
dR
e
n
e
1 E0 dE S n E S e E dE 则， R dR E0 0 dE / dR 0
第四章 离子注入
第7章 离子注入
二、将硅晶 片偏离主平 面5-10度。 此方法大部 分的注入机 器将硅晶片 倾斜7度。
离子注入
晶格 不对准晶轴的入射
三、先注入大 量硅或锗原子 以破坏硅晶片 表面，可在硅 晶片表面产生 一个随机层， 这种方法需使 用昂贵的离子 注入机。
离子注入 损伤的 晶格 晶格 在单晶层上的预先损伤
§3 注入损伤和退火
分析磁体
加速管
中性束流阱
静电离子束扫描
空间电荷中和
掺杂离子
+ + + + + + + + +
二次电子
+ ƻ
+
+ +
粒子束膨胀剖面
具有空间电荷中和地粒子束剖面
离子注入的优点 1. 精确控制杂质含量； 2. 很好的杂质均匀性； 3. 对杂质穿透深度有很好的控制； 4. 产生单一粒子束； 5. 低温工艺； 6. 注入的离子能穿过掩蔽膜； 7. 无固溶度极限。
60keV As→Si
相对浓度
离子束
掩蔽层 掩蔽层 衬底 阴影区
θ
0 ° 45° 86° 70°
0 10 20 30 40 50 60 70 80
深度nm
注入阴影效应
粒子束
光刻胶
光刻胶
无倾斜的机械扫描
正常倾斜的静电扫描
高能量与大电流注入 高能量注入：使用能量高达1.5~5MeV 的离子束。可以制作低电阻埋层。
射程R为 R dx
0
R
E0
0
dE S n ( E ) Se ( E )
离子沟道效应 沿 <110> 轴的硅晶格视图
<100>
第八章：离子注入
离子注入浓度分布
LSS理论描述了注入离子在无定形靶中的浓度分布 为高斯分布其方程为
其中φ为注入剂量
χ为离样品表面的深度
Rp为平均投影射程
△Rp为投影射程的平均标准偏差
离子注入的浓度分布曲线
离子注入浓度分布的最大浓度Nmax
从上式可知，注入离子的剂量φ越大，浓度峰值越高 从浓度分布图看出，最大浓度位置在样品内的平均投 影射程处
第八章：离子注入
掺杂技术之二
8.1 引 言
离子注入的概念：
离子注入是在高真空的复杂系统中，产生电离杂质 并形成高能量的离子束，入射到硅片靶中进行掺杂 的过程。
束流、束斑
高能离子轰击（氩离子为例）
1. 离子反射（能量很小） 2. 离子吸附（<10eV） 3. 溅射（0.5keV~5keV） 4. 离子注入（>10keV）
622 252 199 84 127 43
1283 418 388 152 217 72
1921 540 586 216 303 99
2528 634 792 276 388 125
3140 710 1002 333 473 151
3653 774 1215 387 559 176
4179 827 1429 437 646 201
得能量完全相同的同种离子在靶中的投影射程也不
等，存在一个Biblioteka 计分布。离子的平均投影射程RP为
其中N为入射离子总数，RPi为第i个离子的投影射
程
离子投影射程的平均标准偏差△RP为
RP
R
P
RP,i N
2
其中N为入射离子总数 Rp 为平均投影射程 Rpi为第i个离子的投影射程
第5章离子注入
第5章离⼦注⼊第五章离⼦注⼊15.1 概述5.2离⼦注⼊原理5.3注⼊离⼦在靶中的分布5.4 注⼊损伤5.5 退⽕5.6 离⼦注⼊设备与⼯艺5.7 离⼦注⼊的其它应⽤5.8 离⼦注⼊与热扩散⽐较及掺杂新技术5.1 概述2什么是离⼦注⼊：将原⼦电离，在强电场作⽤下离⼦被加速射⼊靶材料的表层，以改变这种材料表层的性质。
离⼦注⼊⼯艺：⽤离⼦注⼊⽅法，将⼀定剂量的Ⅲ、Ⅵ族杂质注⼊到半导体晶⽚的特定区域，再进⾏退⽕，激活杂质，修复晶格损伤，从⽽获得所需的杂质浓度，形成pn结。
离⼦注⼊⼯艺特点3杂质浓度分布与总量可控性好；是⾮平衡过程，不受固溶度限制；注⼊杂质纯度⾼，能量单⼀，洁净度好；室温注⼊，避免了⾼温过程对靶⽚的影响；杂质分布的横向效应⼩，有利于器件尺⼨的缩⼩；离⼦注⼊会造成晶格缺陷，甚⾄⾮晶化，即使退⽕也以难完全消除；是单⽚⼯艺，⽣产效率低、成本⾼；设备复杂、价格昂贵。
5.2离⼦注⼊原理射程R ：离⼦在靶内移动的总路线长度；投影射程x P ：在⼊射⽅向上离⼦射程的投影距离射程的横向分量x i ：在与⼊射⽅向垂直的⽅向上离⼦射程的投影距离45.2.1 与注⼊离⼦分布相关的⼏个概念R =l 1+l 2+l 3…5.2.1 与注⼊离⼦分布相关的⼏个概念射程分布：⼤量⼊射离⼦投影射程的统计分布，即靶内⼊射离⼦浓度分布平均投影射程（R p ）：正是离⼦浓度最⼤值位置投影射程标准偏差（?R p ）：是平均投影射程的统计波动横向标准偏差（?R ⊥）：是射程的平均横向分量的统计波动。
5注⼊离⼦的⼆维分布5.2.2 离⼦注⼊相关理论基础6在集成电路制造中，注⼊离⼦的能量⼀般为5~500keV，进⼊靶内的离⼦不仅与靶内的⾃由电⼦和束缚电⼦发⽣相互作⽤，⽽且与靶内原⼦核相互作⽤。
LSS理论认为注⼊离⼦在靶内的能量损失分为两个彼此独⽴的部分：⼊射离⼦与原⼦核的碰撞，即核阻挡的能量损失过程；⼊射离⼦与电⼦的碰撞，即电⼦阻挡的能量损失过程。
第四章离子注入介绍
离子束从<111>轴偏斜7°入射
入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟 道效应, 只有当入射离子的入射角小于某 一角度时才会发生, 这个角称为临界角
沟道效应与离子注入方向的关系
沟道效应与单晶靶取向的关系
硅的<110 >方向沟道开口约
1.8 Å, <100 >方向沟道开口
约11.22 Å, <111>方向沟道开口介
3. 射程估算
a. 离子注入能量可分为三个区域:
低能区— 核阻滞能力占主导地位，电子阻滞可被忽略；
中能区— 在这个比较宽的区域，核阻滞和电子阻滞能力同等重要， 必须同时考虑； 主导地位, 核阻滞可被忽略。 超出高实能际区应—用电范子围阻；滞能力占
b.Sn(E) 和 Se(E) 的能量变 化曲线都有最大值。分别在低 能区和高能区；
能量为E的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S n。E
dE dx
n
能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到 原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可 能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。
❖低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加, 而在某个中等能量达到最大值, 在高 能量时, 因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换, 所以核阻止 变小。
❖ 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子 浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶 格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质 浓度可以不受固溶度的限制。
❖ 6.离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所引 起的热缺陷。
❖ 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的 图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器 件特征尺寸缩小。
离子注入介绍
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<10Kev 刻蚀，镀膜 E:10~50Kev 曝光 E>50Kev 注入掺杂
概述
离子注入工艺是IC制造中占主导的掺杂技术
离子注入：将杂质离化，通过电场加速，将这些离化的杂质直接 打入晶元中，达到掺杂的目的
共晶合金LMIS
通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素，因为熔点高或蒸气压高而无法制成单体LMIS。
根据冶金学原理，由两种或者多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属 的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸气压。
例如，金和硅的熔点分别为1063℃和1404℃，他们在此温度的蒸气压分别为1e-3Torr和1e-1Torr。 当以适当的组分组成合金时，其熔点降为370℃，在此温度下，金和硅的蒸气压分别仅为1e22Torr和1e-19Torr。这就满足了LMIS的要求。
加速方式： 先加速后分析 前后加速，中间分析 第二种方式比较常见
聚焦系统和中性束偏移器
5.偏转扫描系统
用来使离子束沿X,Y方向在一定面积内进行扫描 静电光栅扫描，适于中低束流机 机械扫描，适于强束流机
离子束电流的测量
法拉第杯：捕获进入的电荷，测量离子电流 注入剂量：
当一个离子的荷电量为m时，注入剂量为：
两种质量分析器的对比：
在E×B质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有中性粒子，磁质量分析 器则相反，所需离子需要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。
离子加速器
产生高压静电场，用来对离子 加速。该加速能量是决定离子 注入深度的一个重要参量，一 般需要<1e-6Torr的真空环境
离子注入
43
热退火过程中的扩散效应 热退火过程中的扩散效应
高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏 离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数 衰减的拖尾
44
快速热退火（ RTA） 快速热退火（ RTA） 传统热退火的缺点
不能完全消除缺陷，产生二次缺陷
28
解决办法
怎么解决？？？
29
阴影效应
离子束
掺杂区域
阴影区域
30
阴影效应消除
退火和扩散后
31
注入损伤过程 注入后发生了什么………
晶格损伤和无定型层
靶原子在碰撞过程中，获得能量，离开晶格位置，进 入间隙，形成间隙－空位缺陷对；
脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可使得 被碰靶原子脱离晶格位置。 缺陷的存在使得半导体中载流子的迁移率下降，少子 寿命缩短，影响器件性能。
非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程相联系 在再生长过程中，Ⅴ族原子实际上与硅原子难以区分，它们在再 结晶的过程当中，作为替位原子被结合在晶格位置上。所以在相 对很低的温度下，杂质可被完全激活。
41
热退火过程中的扩散效应
热退火的温度与热扩散的温度相比，要低得多。
但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度下
退火温度可以分为三个区域
• 500℃以下，电激活比例又随温度上升而增加 • 500～600℃范围内，出现逆退火特性
– 晶格损伤解离而释放出大量的间隙Si原子，这些间隙Si原 子与替位B原子接近时，可以相互换位，使得B原子进入晶 格间隙，激活率下降。
• 600℃以上，电激活比例又随温度上升而增加
39
核碰撞和电子碰撞
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
第04章 离子注入
31
§4.2 注入离子在无定形靶中的分布
四． 1.
浅结的形成 目的：为了抑制MOSFET的穿通电 流和减小器件的短沟道效应，要求 减小CMOS的源/漏结的结深。
②
降低注入离子的能量——使用 较多
绪论
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。
气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，...
离子源（Ion Source）：灯丝（filament）发出的自由电
2
由如上描述可知，离子注入掺杂方式与扩散掺杂方式不同，杂质的最大 浓度不在固体表面，而在距表面Rp处，即次表面。
21
§4.2 注入离子在无定形靶中的分布
4.
实际的杂质纵向分布
①
真实分布非常复杂，不服从严格 的高斯分布。 轻离子注入到重原子靶中时，如 B→Si靶
由于B质量轻，会有较多的B离子 受到大角度的散射，被反向散射 的B离子数量会增多，导致在峰值 位臵靠近表面一侧有较多的离子 堆积。
1.
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，获得较高的动能后， 射入材料表层（靶）。
2.
3.
改变材料表层的物理或化学性质。
3
绪论
磁分析器 聚焦 扫描系统 靶
加速管
离 子 源
1 I dt Q A q
4
BF3：B++，B+，BF2+， F+, BF+，BF++
离子注入培训资料
离子注入技术具有非接触、非热力学平衡、可精确控制注入离子的能量和剂量等特 点。
离子注入技术的应用领域
半导体制造
离子注入技术在半导体制造中 广泛应用于掺杂工艺，提高半
导体的导电性能。
金属表面改性
离子注入过程控制
控制注入速度
通过调整注入电压和电流，控制 离子的注入速度，以保证注入过
程的稳定性和均匀性。
控制真空度
维持高真空度是离子注入的必要 条件，通过机械泵、分子泵等设 备，将真空度控制在适当的范围
内。
控制温度
在离子注入过程中，控制温度以 避免材料表面热损伤和内部热应
力。
离子注入效果的检测与评估
03 离子注入材料与性能
离子注入材料的选择
材料种类
化学稳定性
离子注入的材料种类广泛，包括金属、 非金属、复合材料等。选择合适的材 料取决于应用场景和性能要求。
材料的化学稳定性也是选择离子注入材 料的重要因素，以确保在离子注入过程 中材料不会发生化学反应或腐蚀。
物理性质
在选择离子注入材料时，需要考虑其物 理性质，如熔点、密度、热导率等，以 确保离子注入过程的稳定性和效果。
离子注入技术在未来科技领域的应用前景
微电子制造
01
离子注入技术在微电子制造领域的应用将继续发挥重要作用，
提高芯片性能和可靠性。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光电子器件制造
02
在光电子器件制造领域，离子注入技术有望实现光电子器件的
高效、高精度制造。
生物医学应用
03
离子注入技术在生物医学领域的应用前景广阔，如用于基因治
离子注入实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解离子注入的基本原理和操作步骤。
2. 掌握离子注入设备的使用方法。
3. 学习离子注入在材料改性中的应用。
4. 分析实验数据，探讨离子注入对材料性能的影响。
二、实验原理离子注入是一种将高能离子束加速后，将其注入到固体材料表面，改变材料表面或内部化学成分和结构的技术。
通过控制注入离子的种类、能量、剂量和注入深度，可以实现对材料性能的优化。
三、实验仪器与材料1. 仪器：离子注入机、真空系统、样品台、样品架、电子天平、显微镜、X射线衍射仪等。
2. 材料：硅片（纯度：6N）、掺杂离子源（如硼离子源、磷离子源等）、真空泵、样品夹具等。
四、实验步骤1. 样品制备：将硅片清洗、烘干，切割成适当尺寸的样品。
2. 真空系统检查：确保真空系统无泄漏，达到实验要求。
3. 离子注入参数设置：根据实验需求，设置注入离子的种类、能量、剂量和注入深度等参数。
4. 离子注入实验：将样品放置在样品台上，启动离子注入机，进行离子注入实验。
5. 样品回收：实验结束后，关闭离子注入机，取出样品。
6. 样品分析：对注入样品进行表面形貌、成分、结构等分析。
五、实验结果与分析1. 表面形貌分析：通过扫描电子显微镜（SEM）观察注入样品表面形貌，发现注入样品表面无明显损伤，表明离子注入过程对样品表面形貌影响较小。
2. 成分分析：通过能谱分析（EDS）检测注入样品表面成分，发现注入离子成功进入样品表面，掺杂浓度与实验参数基本吻合。
3. 结构分析：通过X射线衍射（XRD）分析注入样品结构，发现注入离子成功进入样品内部，对样品晶体结构产生一定影响。
4. 性能分析：通过电学性能测试，发现注入样品的导电性、击穿电压等性能得到显著改善。
六、实验结论1. 离子注入是一种有效的材料改性技术，可以实现对材料表面或内部化学成分和结构的改变。
2. 离子注入参数对材料性能有显著影响，通过优化注入参数，可以实现对材料性能的优化。
3. 本实验成功实现了离子注入，并对注入样品的性能进行了分析，验证了离子注入技术的可行性。
半导体工艺-离子注入
半导体工艺--离子注入离子注入法掺杂相比扩散法掺杂来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。
目前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。
1.离子注入原理离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。
可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。
离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量，能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。
离子通过与硅原子的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。
杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。
2.离子射程离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。
入射离子能量越高，射程就会越长。
投影射程是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。
有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。
3.离子注入剂量注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过下面的公式计算得出 ，式中，Q 是剂量；I 是束流， 单位是安培；t 是注入时间，单位是秒；e 是电子电荷，1.6×10-19C ；n 是电荷数量；A 是注入面积，单位是 。
4.离子注入设备离子注入机体积庞大，结构非常复杂。
根据它所能提供的离子束流大小和能量可分为高电流和中电流离子注入机以 及高能量、中能量和低能量离子注入机。
离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。
（1）离子源离子源的任务是提供所需的杂质离子。
在合适的气压下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而电离，最常用的杂质源有 和 等，（2）离子束吸取电极吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。
1-掺杂技术-离子注入
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。
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）。
离子注入系统示意图
1 2
Vf2 q qo 2 2 m 2d B Va
对于某种荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或偏转磁场 B ，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转 而通过光阑。（电子电量e和电子静质量m的比值（e/m）是电 子的基本常数之一，又称电子比荷 ） 1
Vf dB (2qoVa ) 2 , B Vf d (2qoVa )
多功能离子注入机
M EVVA源离子注入机的突出优点
(1)对元素周期表上的固体金属元素(含碳)都能产生10毫
安量级的强束流； (2)离子纯度取决于阴极材料的纯度，因此可以达到很高
AsH3 和 PH3 等。一般情况下，离子源提供的是单电荷离子
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。
中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。
2.2、质量分析系统
1）、 EB 质量分析器
由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E 与 B 的方向
相互垂直。
y
Vf
光阑
d
v
B O E
j
Fe Fm
Ld
D
Db
z
第八章离子注入-68页PPT资料
入射能量 （KEV） 注入的离子
B
RP
20 480
投影射程示意图 第i个离子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi
平均投影射程 离子束中的各个离子虽然能量相等但每个离子与靶 原子和电子的碰撞次数和能量损失都是随机的，使 得能量完全相同的同种离子在靶中的投影射程也不 等，存在一个统计分布。
离子的平均投影射程RP为
其中N为入射离子总数，RPi为第i个离子的投影射 程
2. 注入设备复杂昂贵
8.2 离子注入参数
注入剂量φ
注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数。单 位：离子每平方厘米 其中I为束流，单位是安培 t为注入时间，单位是秒 q为电子电荷，等于1.6×10－19库仑 n为每个离子的电荷数 A为注入面积，单位为cm2 —束斑
注入能量 离子注入的能量用电子电荷与电势差的乘积来表
示。单位：千电子伏特KEV 带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场
运动，它的能量为100KEV
射程、投影射程
具有一定能量的离子入射靶中，与靶原子和电子 发生一系列碰撞（即受到了核阻止和电子阻止） 进行能量的交换，最后损失了全部能量停止在相 应的位置，离子由进入到停止所走过的总距离， 称为射程用R表示。这一距离在入射方向上的投 影称为投影射程 Rp。投影射程也是停止点与靶 表面的垂直距离。
离子注入的优点：
5. 沾污少 质量分离技术产生没有沾污的纯离子束， 减少了 由于杂质源纯度低带来的沾污，另外低温工艺也 减少了掺杂沾污。
6. 横向扩散小 离子注入具有高度的方向性，虽然散射会引起一 定横向杂质分布，但横向尺度远小于扩散。
离子注入的缺点：
1. 高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤 使用二氧化硅注入缓冲层 高温退火修复损伤
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；
半导体工艺--离子注入
注入离子将能量转移给晶格原子 – 产生自由原子（间隙原子－空位缺陷对）
自由原子与其它晶格原子碰撞 – 使更多的晶格原子成为自由原子 – 直到所有自由原子均停止下来，损伤才停止
一个高能离子可以引起数千个晶格原子位移
9、退火：
退火：将完成离子注入的硅片在一定的温度下，经 过适当的热处理，则硅片上的损伤就可能得到消除， 少数载流子寿命以及迁移率也会不同程度的得到恢复， 杂质也得到一定比例的电激活。
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
7、离子与衬底原子的相互作用：
注入离子与衬底原子的相互作用，决定了注入离 子的分布、衬底的损伤。
注入离子与靶原子的相互作用，主要有离子与电 子的相互作用，称为电子阻止。和离子与核的相互作 用，称为核阻止。核阻止主要表现为库仑散射。
在同样能量下，靶原子质量越大，核阻止越大，靶原 子质量越小电子阻止越大。
10、离子注入的 优缺点：
优点：
1、可控性好，离子注入能精确控制掺杂的浓度分布 和掺杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；
2、注入温度低，一般不超过 400℃，退火温度也在 650℃ 左右，避免了高温过程带来的不利影响，如结 的推移、热缺陷、硅片的变形等；
3、工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底 中，也可以采用多种材料作掩蔽膜，如 SiO2 、金属 膜或光刻胶等；
4、离子注入系统：
- 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)。
1968：报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分布的变容 二极管以及Al栅自对准MOS晶体管。
1972：对离子注入现象有更深入的了解，并且采用此技术制造了GaAs 高速集成电路。
1973：第一台商用注入机面世。
2
为什么要采用离子注入（扩散存在的问题）：
横向扩散： 晶体损伤： 低掺杂和超浅结： 表面效应 ： 对表面污染的控制能力：
3
§5.2特点和参数
一、 离子注入特点
离子纯度高、能量单一 注入剂量范围较宽、精度高 SiO2、SiN、Al、光刻胶等都可以作为选择性掺杂的掩蔽膜 可得到各种形状的分布 是非平衡过程
避免高温扩散引起的热缺陷
可实现化合物半导体的掺杂
4
二、
离子注入缺点
晶格有损伤
Low frequency Yaxis deflection High frequency X-axis deflection Scanning disk with wafers Suppressor aperture Wafer Faraday cup
Sampling slit in disk
Y-axis deflection
14
2 2V B ext q r2 m
M DM
R
φ
L
M
D
15
离子加速器：
Electrode Ion beam From analyzing magnet
+100 kV +80 kV +60 kV +40 kV +20 kV 0 kV
Ion beam To process chamber
或者对于给定的具有上述荷质比的离子，可通过调节磁场B 使
1 2： 之满足下式，从而使该种离子通过光阑
其余的离子则不能通过光阑2，由此达到分选离子的目的。 另外，若固定 r 和Vext ，通过连续改变B ，可使具有不同荷 质比的离子依次通过光阑 2，测量这些不同荷质比的离子束流 的强度，可得到入射离子束的质谱分布。
dE Sn (E) ( )n dx dE Se ( E ) ( )e dx 1 N 1 N
Silicon substrate
Rp Stopping point for a single ion DRp dopant distribution
7
§5.3 离子注入系统
1 、离子源：用于离化杂质的容器，有阴阳两个电极，阴 极接地，阳极接高压（约1000V）。常用的杂质源为 PH3 、 B2H3 、BF2 、AsH3 等。 2、质量分析器：由于不同离子具有不同的电荷质量比， 则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。 3 、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。
1952：美国贝尔实验室开始用离子束轰击技术改变半导体特性 1954：Shokley提出采用该技术能制造半导体器件，并预言用此方法可 以制造薄基区的高频晶体管 1955：英国W.D.Cussins用硼离子轰击Ge晶片时，可在n型材料上形成p 型区。 1960：对离子射程计算、测量、辐射损伤效应、沟道效应等方面的重 要研究已经完成。
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
100 MW 100 MW 100 MW 100 MW 100 MW
+100 kV
Linear accelerator
Atomic mass analysis magnet
Final energy analysis magnet
Wafer Source Scan disk
16
终端台 （A)扫描装置
很浅或很深的注入分布都难以得到，甚至是不可得到的
离子注入产率受到限制 设备昂贵
5
三、离子注入中涉及到的有关参数
1. 剂量Q：指单位面积硅片表面注入的离子数
Q
It enA
2. 射程R：指离子注入过程中离子穿入硅片的总距离
3. 投影射程Rp：指注入离子的总射程在入射方向上的投
影距离。
6
Incident ion beam
Neutrals Heavy ions 石墨
12
磁质量分析器：
光阑1
B Fm
Байду номын сангаасv
光阑2
r
2qVext F qvB qB为向心力，使离子作圆周运动， m
半径为：
mv 2mVext r 2 qB qB
1 2
13
q 2Vext 2 2 的离子可通过光阑2。 从上式可知，满足荷质比 m r B
Ion beam X-axis deflection
Current Twist integrator
Tilt
(B)法拉第杯
Scanning direction
17
§5.4注入离子在靶中的分布(LSS理论)
J.Lindhard, M.Scharff, H.E.Schiott (LSS) 1、核阻止 2、电子阻止
4 、中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度使中性原 子分离出去。
8
5、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。 6、偏转扫描系统：用来实现离子束在 X 、Y 方向的一定面 积内进行扫描。 7、工作室：放置样品的地方，其位置可调。
9
Ion source
Plasma Extraction assembly Analyzing magnet Ion beam Acceleration column Process chamber
第五章 离子注入（Ion Implantation） §5.1概述
1. 介绍离子注入掺杂在硅片制造过程中的目的和应 用. 2. 对离子注入有整体的认识，包括优缺点. 3. 讨论剂量和射程在离子注入中的重要性. 4. 描述离子注入机的５个主要子系统. 5. 解释离子注入中的退火效应和沟道效应.
1
离子注入的发展