第四章：离子注入.

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
990 326 300 118 169 56
1482 422 453 168 235 77
1950 496 612 215 301 97
2396 555 774 259 367 118
2820 605 939 301 433 137
3226 647 1105 340 500 157
3617 684 1271 377 586 176
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

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
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
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
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
Biblioteka Baidu
20
40
60
80
100
120
140
160
180
480 196 154 65 99 33
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
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。

离子注入的概念：
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

离子注入的优点：
离子注入层的深度依赖于离子能量、杂质浓度依
赖于离子剂量，可以独立地调整能量和剂量，精 确地控制掺杂层的深度和浓度，工艺自由度大。
1. 精确地控制掺杂浓度和掺杂深度
2. 可以获得任意的杂质浓度分布 由于离子注入的浓度峰在体内，所以基于第1点
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
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

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。
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
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

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 — 注入剂量
LSS- 1963年, Lindhard,
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
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：离子数/cm2 I — 束流，单位：库仑/秒（安培） t — 注入时间，单位：秒 q — 电子电荷，=1.6×10－19库仑 n — 每个离子的电荷数 A —束斑（即注入区）面积 单位：cm2

注入能量 离子的注入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）
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 80 100 120 140 160 180


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：

离子注入的优点：
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。
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


加速管
4. 扫描系统

用于使离子束沿 x、y 方向在一定面积内进行扫描。
束斑
中束流的束斑：1cm2 大束流的束斑：3cm2 扫描方式 固定硅片、移动束斑（中、小束流）


固定束斑、移动硅片（大束流）
扫描种类：静电扫描、机械扫描、混合扫描、平 行扫描

静电扫描系统
静电扫描系统
5. 工艺腔
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
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）。
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
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）
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

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
1×1016cm-3，注入能量：100KEV，注入剂量：
5.0E15，试计算砷离子注入分布的最大掺杂浓度
Nmax和注入结深。