第四章：离子注入.
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第四章离子注入
碰撞，这种碰撞能瞬间形成电
子空穴对。由于两者的质量相
差很大，每次碰撞注入离子能
量损失小，散射角度小，运动
方向基本不变。
第四章离子注入
阻止本领（stopping power）： 材料中注入离子的能量损 失大小。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 。 核阻止本领Sn(E) ：来自靶原子 核的阻止。 电子阻止本领Se(E) ：来自靶内 自由电子和束缚电子的阻 止。
第四章 离子注入
第四章离子注入
4.1离子注入设备与工艺 4.2核碰撞和电子碰撞 4.3注入离子在无定形靶中的分布 4.4注入损伤 4.5热退火
第四章离子注入
❖ 离子注入技术是20世纪60年代开 始发展起来的掺杂工艺,它在很多方 面都优于扩散工艺.由于采用了离子 注入技术,推动集成电路的发展,从 而使集成电路进入了超大规模.
通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近； 也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中， 使杂质分布为设计形状第。四章离子注入
9
离子注入有别于扩散工艺的特点表现在以下几 个方面： ❖ 1、可以用质量分析系统获得单一能量的高纯
杂质原子束，没有沾污。因此，一台注入机 可用于多种杂质。此外，注入过程是在真空
（如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶）进行选
择掺杂。在制备不能采用扩散工艺的器件时，
这为独特的自对准掩模技术的设计提供了很
大的自由度。
❖ 4、离子束的穿透深度随离子能量的增大而增
大，因此，控制同一种或不同种的杂质进行
多次注入时的能量和剂量，可以在很大的范
围内得到不同的掺杂剂浓度分布截面。用这
种方法比较容易获得超陡的和倒置的掺杂截
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
第四章离子注入
分析磁体 粒子束
加速管
工艺腔 扫描盘
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，
10~200Kev ❖ 注入剂量（单位：原子数/cm2）——决定杂质浓度 ❖ 束流（单位：mA或uA）——决定扫描时间 ❖ 注入扫描时间（单位：秒）——决定注入机产能
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，
要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中
的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合，
成为中性的粒子。
对于出现在扫描 系统以前的中性粒子
没有偏转的中性束粒子继续向前
，扫描电场对它已不
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
❖ 已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材 （衬底Si,SiO2,Si3N4等）
求解step1：查LSS表可得到Rp和ΔRp
和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量 损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-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
C: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
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
加速管
工艺腔 扫描盘
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，
10~200Kev ❖ 注入剂量（单位：原子数/cm2）——决定杂质浓度 ❖ 束流（单位：mA或uA）——决定扫描时间 ❖ 注入扫描时间（单位：秒）——决定注入机产能
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，
要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中
的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合，
成为中性的粒子。
对于出现在扫描 系统以前的中性粒子
没有偏转的中性束粒子继续向前
，扫描电场对它已不
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
❖ 已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材 （衬底Si,SiO2,Si3N4等）
求解step1：查LSS表可得到Rp和ΔRp
和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量 损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-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
C: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
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
第04章 离子注入
dE Sn ( E ) Se ( E )
低能区：以核阻止为主（注入分布的尾端）， 电子碰撞可忽略。
中能区：二者同等重要，必须同时考虑。 高能区：以电子阻止为主，核阻止可忽略。
13
§4.1 核碰撞和电子碰撞
14
§4.1 核碰撞和电子碰撞
4.
在一级近似中，核阻止本领和 入射离子能量E无关；电子阻止 本领和速度成正比。
子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击源分子或原
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。
离子源：As，Ga，Ge，Sb，P，...
5
绪论
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。
离子进入的深度，称为射程—— 与离子动能以及半导体的结构特 性有关。
电荷/动量交换导致入射离子9 运动方向的改变（核间作用）
§4.1 核碰撞和电子碰撞
2.
核阻止本领
定义：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。 一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，
dE Sn E dx n
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
第四章 离子注入
绪论 核碰撞和电子碰撞 注入离子在无定形靶中的分布 注入损伤
热退火
1
绪论
离子注入发展于20世纪60年代，是一种代替高温扩散向半 导体中引进掺杂剂的方法。
离子注入获奖课件
Typical implant voltages: 50~200 KeV, the trend is to lower voltages.
Typical implant dose: 1011~1016 cm2.
离子注入
二、离子注入旳特点
离子经加速，到达半导体表面； 离子经过碰撞损失能量，停留在不同深度旳位置， 此位置与离子能量有关；
Si Displaced Si ato去m 一定旳能量。靶原子也因碰撞 Si Si Si 而取核得碰能撞量，假如取得旳能量不
小于原注子入束离缚子能与，靶就内会原离子开核原间来
所旳在碰晶撞格。位置，进入晶格间隙，
并留下一种空位，形成缺陷。
核碰撞和电子碰撞
核阻止本事：能够了解为能量为E旳一种注入离子，在单位
产生沟道效应旳原因 当离子注入旳方向=沟道方向时,离子因为没有遇到晶格
而长驱直入，故注入深度较大。
沟道效应产生旳影响 在不应该存在杂质旳深度发觉杂质。
离子注入旳沟道效应
离子注入旳通道效应
离子注入旳沟道效应
处理沟道效应旳措施
1.倾斜样品表面，晶体旳主轴方向偏离注入方向，经典值为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。
一级近似下，核阻止本事与入射离子旳能量无关。
注入离子在无定形靶中旳分布
注入离子在靶内分布是与注入方向有着一定旳关系， 一般来说，粒子束旳注入方向与靶垂直方向旳夹角比较小。
注入离子在靶内受到旳碰撞是随机过程。假如注入旳 离子数量很小，它们在靶内旳分布是分散旳，但是大量注 入离子在靶内旳分布是按一定统计规律分布。
虽然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,在无定形旳介质膜中屡次碰撞后已经偏离了入射方向,偏 离了晶向。
集成电路工艺第四章：离子注入
其中N为入射离子总数， 为第i 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△ 离子投影射程的平均标准偏差△RP为
其中N 其中N为入射离子总数 Rp 为平均投影射程 Rpi为第 Rpi为第i个离子的投影射程 为第i
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 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 其中 为注入剂量 χ为离样品表面的深度 为离样品表面的深度 Rp为平均投影射程 为平均投影射程 △Rp为投影射程的平均标准偏差 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 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， 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， 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
4.2 离子注入工艺原理
离子注入参数
注入剂量φ 注入剂量 注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数 是样品表面单位面积注入的离子总数。 注入剂量 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，单位是库仑每秒（ 其中 为束流，单位是库仑每秒（安 培） t为注入时间，单位是秒 为注入时间， 为注入时间 q为电子电荷，等于 ×10－19库仑 为电子电荷， 为电子电荷 等于1.6× n为每个离子的电荷数 为每个离子的电荷数 A为注入面积，单位为 2 —束斑 为注入面积， 为注入面积 单位为cm
2267 475 866 198 673 126
4587 763 1654 353 1129 207
6736 955 2474 499 1553 286
第四章离子注入
第四章 离子注入
1954年，Bell Lab. ，Shockley 提出； 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。 定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 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器件。
max
⎢ ⎣ 2
∆RP
⎥ ⎦
Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值浓度（在RP处），NS—注入剂量
4.2 注入离子分布
4.2.2 横向效应 ①横向效应与注入 能量成正比； ②是结深的30％ －50％； ③窗口边缘的离子 浓度是中心处的50％；
4.2 注入离子分布
4.2.3 沟道效应(ion channeling) 非晶靶：对注入离子的 阻挡是各向同性； 单晶靶：对注入离子的 阻挡是各向异性； 沟道：在单晶靶的主晶 轴方向呈现一系列平行 的通道，称为沟道。
dR dR
n
dR
e
n
e
−1 E0 dE R = ∫ dR = − ∫ = ∫ [S n (E ) + S e (E )] dE E0 dE / dR 0 0
式中，E0—注入离子的初始能量。
4.2 注入离子分布
2.投影射程XP： 总射程R在离子入射方向 （垂直靶片）的投影长度 ，即离子注入的有效深度。 3.平均投影射程RP： 投影射程XP的平均值，具 有统计分布规律－几率分 布函数。
4.1 核碰撞和电子碰撞
4.1.1 核阻挡本领Sn(E) Sn(E)=(dE/dx)n (dE/dx)n --核阻挡能量 损失率.
1954年，Bell Lab. ，Shockley 提出； 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。 定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 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器件。
max
⎢ ⎣ 2
∆RP
⎥ ⎦
Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值浓度（在RP处），NS—注入剂量
4.2 注入离子分布
4.2.2 横向效应 ①横向效应与注入 能量成正比； ②是结深的30％ －50％； ③窗口边缘的离子 浓度是中心处的50％；
4.2 注入离子分布
4.2.3 沟道效应(ion channeling) 非晶靶：对注入离子的 阻挡是各向同性； 单晶靶：对注入离子的 阻挡是各向异性； 沟道：在单晶靶的主晶 轴方向呈现一系列平行 的通道，称为沟道。
dR dR
n
dR
e
n
e
−1 E0 dE R = ∫ dR = − ∫ = ∫ [S n (E ) + S e (E )] dE E0 dE / dR 0 0
式中，E0—注入离子的初始能量。
4.2 注入离子分布
2.投影射程XP： 总射程R在离子入射方向 （垂直靶片）的投影长度 ，即离子注入的有效深度。 3.平均投影射程RP： 投影射程XP的平均值，具 有统计分布规律－几率分 布函数。
4.1 核碰撞和电子碰撞
4.1.1 核阻挡本领Sn(E) Sn(E)=(dE/dx)n (dE/dx)n --核阻挡能量 损失率.
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。
第四章离子注入
1）离子束扫描： ——扫描方式：静电 扫描、机械扫描和混 合扫描。常用静电扫 描和混合扫描。
——静电光栅扫描适于 中低束流机，机械扫 描适于强束流机。
两种注入机扫描系统
在盘山的 取样狭缝
法拉第杯电流测量
带硅片的 扫描盘
抑制栅孔径 法拉第杯
粒子束
电流 积分仪
扫描方向
离子注入机示意图
离子源
等离子体 吸出组件
源磁铁
离子源
N
S
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
吸出组件
接地电极
抑制电极
-
-
-
-
-
+粒子束
-
-
-
-
-
-
To PA
N S
5V 灯丝
120 V 起弧
2.5 kV 抑制
60 kV 吸引
参考端 (PA电压)
2.2 质量分析器
❖ 从离子源引出的离子束里包含几种甚至十几种 元素，但是需要注入的只是某一种特定元素的 离子，所以需要质量分析器把该特定元素分选 出来。离子注入机中采用磁分析器分析。
电极 +100 kV+80 kV+60 kV+40 kV+20 kV 0 kV
粒子束
粒子束
来自分 析磁体
至工艺腔
+100 kV
100 MW 100 MW100 MW100 MW100 MW
离子从离子源到靶室中的硅片，一般要飞行几米到几十米的距 离。为了减少离子在行进中的损失，必须要对离子进行聚焦。 一般聚焦系统在加速管后面。最常用的有静电四极透镜和磁四 极透镜。聚焦后的离子束到达硅片的束斑要尽可能小，一般直 径为几毫米。 静电透镜：离子束聚焦 静电偏转系统：滤除中性粒子
——静电光栅扫描适于 中低束流机，机械扫 描适于强束流机。
两种注入机扫描系统
在盘山的 取样狭缝
法拉第杯电流测量
带硅片的 扫描盘
抑制栅孔径 法拉第杯
粒子束
电流 积分仪
扫描方向
离子注入机示意图
离子源
等离子体 吸出组件
源磁铁
离子源
N
S
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
吸出组件
接地电极
抑制电极
-
-
-
-
-
+粒子束
-
-
-
-
-
-
To PA
N S
5V 灯丝
120 V 起弧
2.5 kV 抑制
60 kV 吸引
参考端 (PA电压)
2.2 质量分析器
❖ 从离子源引出的离子束里包含几种甚至十几种 元素，但是需要注入的只是某一种特定元素的 离子，所以需要质量分析器把该特定元素分选 出来。离子注入机中采用磁分析器分析。
电极 +100 kV+80 kV+60 kV+40 kV+20 kV 0 kV
粒子束
粒子束
来自分 析磁体
至工艺腔
+100 kV
100 MW 100 MW100 MW100 MW100 MW
离子从离子源到靶室中的硅片，一般要飞行几米到几十米的距 离。为了减少离子在行进中的损失，必须要对离子进行聚焦。 一般聚焦系统在加速管后面。最常用的有静电四极透镜和磁四 极透镜。聚焦后的离子束到达硅片的束斑要尽可能小，一般直 径为几毫米。 静电透镜：离子束聚焦 静电偏转系统：滤除中性粒子
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++
第四章离子注入
❖ 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。
Sn
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第的四时章离间子与注靶入原子进行有效的能量交换，所以核阻 止变小。
硅的<110 >方向沟道开口约1.8
Å， <100 >方向沟道开口
110
111
约11.22 Å， <111>方向沟道开口介
于两者之间。因此，沟道效应
依<110 >、 <111>、 <100 >顺序减
弱。
100
倾斜旋转硅片后的无序方向
第四章离子注入
实践表明，沟道效应与多种因素有关，包括：
单晶靶的取向
❖ 8、离子注入是通过硅表面的薄膜入射到硅中， 该膜起到了保护作用，防止污染。
❖ 9、容易实现化合物半导体材料的掺杂。 第四章离子注入
缺点
会在晶体中引入晶格损伤 产率低 设备复杂，投资大
第四章离子注入
基本概念
❖ 靶：被掺杂的材料称为靶 ❖ 散射离子：一束离子轰击靶时，其中一部分离
子在靶表面就被反射了，不能进入的离子称散 射离子。 ❖ 注入离子：进入靶内的离子称注入离子
第四章离子注入
横向效应不但与注入离子的种类有关，也与入射离子的能量有关。
第四章离子注入
35 keV As注入
120 keV As注入
横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。 （扫描电镜照片）
第四章 离子注入
4.4.3 沟道效应(ion channeling)
非晶靶：对注入离子的阻挡是 各向同性；
单晶靶：对注入离子的阻挡是 各向异性；
沟道：在单晶靶的主晶轴方向 呈现一系列平行的通道， 称为沟道。
4.4 注入离子分布
沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶 靶远的多。
好处：结较深；晶格损伤小。 不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。 减小沟道效应的途径 ①注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值--70； ②淀积非晶表面层（SiO2)； ③在表面制造损伤层； ④提高靶温； ⑤增大剂量。
沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶 ①注入离子与靶原子的相互作用
对非晶AsGa：ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1；
k - 与Z 、Z 、M 、M 有关的常数： 最简单（一级近似）：f(r/a)=a/r，
e
1212
{对非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1； 对非晶AsGa：ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1；}
呈现一系列平行的通道， 3 离子注入机理
n
(dE/dx) --核阻挡能量损失率. -核碰撞与电子碰撞
n 作用：使离子获得所需的能量。
势能 V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a)
①注入离子与靶原子的相互作用
3 离子注入机理
-核碰撞与电子碰撞
损伤密度=4000/Vdam=4X1021cm-3 (占相应体积中所有原子的8%）
(杂质激活能小于Si扩散的激活能）。
4.6 注入退火
4.6.2 硼的退火特性 4.6.3 磷的退火特性 4.6.4 热退火过程的扩散效应 （以上请自学）
4.6 注入退火
4.6.5 快速退火(RTA，rapid thermal annealing)
非晶靶：对注入离子的阻挡是 各向同性；
单晶靶：对注入离子的阻挡是 各向异性；
沟道：在单晶靶的主晶轴方向 呈现一系列平行的通道， 称为沟道。
4.4 注入离子分布
沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶 靶远的多。
好处：结较深；晶格损伤小。 不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。 减小沟道效应的途径 ①注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值--70； ②淀积非晶表面层（SiO2)； ③在表面制造损伤层； ④提高靶温； ⑤增大剂量。
沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶 ①注入离子与靶原子的相互作用
对非晶AsGa：ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1；
k - 与Z 、Z 、M 、M 有关的常数： 最简单（一级近似）：f(r/a)=a/r，
e
1212
{对非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1； 对非晶AsGa：ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1；}
呈现一系列平行的通道， 3 离子注入机理
n
(dE/dx) --核阻挡能量损失率. -核碰撞与电子碰撞
n 作用：使离子获得所需的能量。
势能 V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a)
①注入离子与靶原子的相互作用
3 离子注入机理
-核碰撞与电子碰撞
损伤密度=4000/Vdam=4X1021cm-3 (占相应体积中所有原子的8%）
(杂质激活能小于Si扩散的激活能）。
4.6 注入退火
4.6.2 硼的退火特性 4.6.3 磷的退火特性 4.6.4 热退火过程的扩散效应 （以上请自学）
4.6 注入退火
4.6.5 快速退火(RTA，rapid thermal annealing)
第4章 离子注入(掺杂工艺)精简
Se(E) ——电子阻止本领 电子阻止本领
dE S n (E ) ≡ dx n
电子信息与计算机工程系
LSS理论 理论
dE − = N Sn ( E ) + S dx
e
( E )
能量为E的 能量为 的 入射粒子在 密度为N的 密度为 的 靶内走过x 靶内走过 距离后损失 的能量
M—质量， Z—原子序数，下标 质量， 原子序数， 离子， 质量 原子序数 下标1—离子，下标 离子 下标2—靶 靶
摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295 摘自
4.1.2 电子阻止本领
例如：磷离子 例如：磷离子Z1 = 15, M1 = 31 注入 硅Z2 = 14, M2 = 28, 计算可得： 计算可得： Sn ~ 550 keV-µm2 µ
1 dE 1 dE S n (E ) = , S e (E ) = N dx n N dx e
-dE/dx：能量随距离损失的平均速率 ： E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量 ：注入离子在其运动路程上任一点 处的能量 Sn(E)：核阻止本领 ： 能量E的函数 能量 的函数 Se(E)：电子阻止本领 ： N: 靶原子密度 ～5×1022 cm-3 for Si ×
电子信息与计算机工程系
离子注入过程是一个非平衡过程， 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， 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， 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。 晶格上，因而没有电活性。
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2. 引出电极（吸极）和离子分析器
吸极用于把离子从离子源室中引出。
质量分析器磁铁
分析器磁铁形成90°角，其磁场使离子的轨迹偏转成
弧形。不同的离子具有不同的质量与电荷（如BF3→
B＋、BF2＋等），因而在离子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。
分析磁体
3. 加速管
加速管用来加速正离子以获得更高的速度（即动 能）。
SOI结构SEM照片
4.5 离子注入设备
离子注入机主要由以下5个部分组成
1. 离子源 2. 引出电极（吸极）和离子分析器 3. 加速管
4. 扫描系统
5. 工艺室
离子注入系统
1. 离子源
离子源用于产生 大量的注入正离 子的部件，常用 的杂质源气体有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。
离子源
QBm＝q· NB· Xdm， QBm为表面耗尽层单位面积上的电荷密度
轻掺杂漏（LDD：Lightly Doped Drain ） 注入
源漏注入
多晶硅栅掺杂注入 沟槽电容器注入
超浅结注入
超浅结
绝缘体上的硅（SOI）中的氧注入
在硅中进行高能量氧离子注入，经高温处理后形 成SOI结构（silicon on insulator）
χ — 离样品表面的深度
Rp — 平均投影射程
Scharff and Schiott首
先确立了注入离子在靶 内分布理论, 简称 LSS 理论
△Rp — 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
1394 7 1359 5927 999 3192 543
15511 1420 6803 1104 3602 606
1700 7 1472 7675 1203 4015 667
（三）各种离子在SiO2中的Rp和△Rp 值 (Å)
入射能量 （KEV） 注入的离子 B RP RP P RP RP As RP RP 20 40 60 80 100 120 140 160 180
深埋层注入
高能（大于200KEV）离子注入，深埋层的作用： 控制CMOS的闩锁效应
倒掺杂阱注入
高能量离子注入使阱中较深处杂质浓度较大，倒 掺杂阱改进CMOS器件的抗闩锁能力。
穿通阻挡层注入
作用：防止亚微米及以下的短沟道器件源漏穿通， 保证源漏耐压。
阈值电压调整注入
NMOS阈值电压公式：
4432 854 2019 659 898 308
4872 890 2279 719 1005 341
（二）各种离子在光刻胶中的Rp和△Rp 值 (Å)
入射能量 （KEV） 注入的离子 B RP RP P RP RP As RP RP 20 40 60 80 100 120 140 160 18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。
5. 沾污少
6. 无固溶度极限 注入杂质浓度不受硅片固溶度限制
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
2. 注入设备复杂昂贵
4.2 离子注入工艺原理
3994 716 1437 411 637 195
例题：
1. 已知某台离子注入机的束斑为2.0cm2、束流为
2.0mA、注入时间为16ms，试计算硼离子（B+）注
入剂量。（注：电子电荷q = 1.6×10－19库仑） 2. 在N型〈111〉衬底硅片上，进行硼离子注入，形成 P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为1×1015cm-3， 注入能量：60KEV，注入剂量：5.0E14，试计算硼 离子注入分布的最大掺杂浓度Nmax和注入结深。
第四章：离子注入
掺杂技术之二
4.1 引 言
为什么开发离子注入技术？ 随着器件特征尺寸的减小，出现的一些特殊的掺杂 （如小剂量浅结掺杂、深浓度峰分布掺杂等）扩散 是无法实现的，而离子注入却能胜任。
离子注入是继扩散之后发展起来的第二种掺杂技术 离子注入成为现代集成电路制造的主流工艺
4.1 引 言
2267 475 866 198 673 126
4587 763 1654 353 1129 207
6736 955 2474 499 1553 286
8721 1095 3320 636 1966 349
1056 9 1202 4182 765 2375 415
1230 5 1288 5053 886 2783 480
离子注入结深 Xj
x j Rp Rp
其中NB为衬底浓度
N max 2 ln N B
RP和△RP的计算很复杂，有表可以查用
（一）各种离子在Si中的Rp和△Rp 值 (Å)
入射能量 （KEV） 注入的离子 B RP RP P RP RP As RP RP 20 40 60 80 100 120 140 160 180
注入损伤
高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤
（a）轻离子损伤情况
（b）重离子损伤情况
离子注入退火
目的：消除晶格损伤，并且使注入的杂质转入替 位位置从而实现电激活。 通常的退火温度：＞950℃，时间：30分钟左右
1. 高温热退火
缺点：高温会导致杂质的再分布。
2 . 快速热退火
采用PTP，在较短的时间（10－3～10－2 秒）内完 成退火。
662 283 253 119 159 59
1302 443 486 212 269 99
1903 556 730 298 374 136
2465 641 891 380 478 172
2994 710 1238 456 582 207
3496 766 1497 528 686 241
3974 813 1757 595 791 275
采用多次叠加注入，可以获得任意形状的杂质分
布，增大了设计的灵活性。
离子注入的优点：
用扫描的方法控制杂质浓度的均匀性，在1010～
1017ions/cm2的范围内，均匀性达到±2％而扩散在 ± 10％，1013ions/cm2以下的小剂量，扩散无法实 现。
3. 杂质浓度均匀性、重复性好
4. 掺杂温度低 注入可在125℃以下的温度进行，允许使用不同 的注入阻挡层（如光刻胶）增加了工艺的灵活性
4.3 离子注入效应
1. 沟道效应
2. 注入损伤 3. 离子注入退火
沟道效应
当注入离子未与硅原子碰撞减速，而是穿透了晶 格间隙时（见下图）就发生了沟道效应。
沿<110>晶向的硅晶格视图
控制沟道效应的方法
1. 倾斜硅片：常用方法 2. 缓冲氧化层：离子通过氧化层后，方向随机。 3. 硅预非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）浅注 入应用非常有效 4. 使用质量较大的原子
4685 874 1644 485 734 226
5172 914 1859 529 823 251
（四）各种离子在Si3N4中的Rp和△Rp 值 (Å)
入射能量 （KEV） 注入的离子 B RP RP P RP RP As RP RP
20
40
60
80
100
120
140
160
180
480 196 154 65 99 33
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
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。
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
优点：杂质浓度分布基本不发生变化
4.4 离子注入的应用
在先进的CMOS 工艺中，离子注入的应用：
1. 深埋层注入
2. 倒掺杂阱注入
3. 穿通阻挡层注入
4. 阈值电压调整注入
5. 轻掺杂漏区（LDD）注入 6. 源漏注入 7. 多晶硅栅掺杂注入 8. 沟槽电容器注入 9. 超浅结注入 10. 绝缘体上的硅（SOI）中的氧注入
工艺腔包括扫描系统、具有真空锁的装卸硅片的 终端台、硅片传输系统和计算机控制系统。 硅片冷却：硅片温升控制在50℃以下，气冷和橡
胶冷却。
剂量控制：法拉第环电流测量
本章作业
1. 请简要描述离子注入
2. 列举离子注入优于扩散的6点
3. 在P型〈100〉衬底硅片上，进行As离子注入，
形成P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为
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