第四章 离子注入
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4.4、热退火 4.5、离子注入系统及工艺
4.1、核碰撞和电子碰撞
1963年，林华德(Lindhard)，沙夫(Scharff)和希奥特(Schiott) 。 LSS理论（注入离子在靶内的分布理论）： 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(核阻止)
②电子碰撞(电子阻止) 总能量损失为它们的和。
为了避免沟道效应，可使晶体的主轴方向偏离注入方向， 使之呈现无定形状态，会发生大量碰撞。 偏离的典型值为7°。
部分沟道效应，在两次碰撞之间有沟道效应存在。
4.2.4、浅结的形成
对于轻杂质，形成浅结非常困难。 降低注入离子能量：注入离子能量几个keV
但是在低能情况下，沟道效应变得非常明显。增大偏离角度。
核碰撞：是注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。
因注入离子与靶原子的质量一 般 为同一数量级，每次碰撞之后，注入 离子都可能发生大角度的散射，并失 去一定的能量。 靶原子核也因碰撞而获得能量， 如果获得的能量大于原子束缚能，就 会离开原来所在晶格进入间隙，并留 下一个空位，形成缺陷。
电子碰撞：是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞， 这种碰撞能瞬时地形成电子-空穴对。
②有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先沉积一层杂质，这 层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充。 杂质分布形式：高斯分布 随着扩散时间增大， 表面杂质浓度降低， 结深增大， pn结处的杂质浓度梯度变缓。
上节课内容小结
两步扩散：采用两种扩散结合的方式。
预扩散：较低温度，恒定表面源扩散，提供扩散杂质源 主扩散：较高温度，有限表面源扩散，
核阻止本领与电子阻止本领比较
4. 2、注入离子在无定形靶中的分布
注入离子在靶内分布是与注入方向有关系，一般来说，离子束的注入
方向与垂直靶表面方向的夹角比较小，假设离子束的注入方向是垂直靶表
面的。 任何一个注入离子，在靶内所受到的碰撞是一个随机过程。即使是能
量相等的同种离子，在靶内发生每次碰撞的偏转角和损失能量、相邻两次
1
2
其中V为注入离子的速度，系数ke与注入离子的原子序数和质量、靶材料 的原子序数和质量有着微弱的关系。 在粗略近似下，对于无定形硅靶来说， ke为一常数。
4.1.3、射程的粗略估计
根据LSS理论，得到核阻止本领和电子阻止本领曲线，其中和是无量纲的 能量和射程参数。 注入离子的能量可分为三个区域： 低能区：核阻止本领占主要地位， 电子阻止可以被忽略。 中能区：核阻止本领和电子阻止本 领同等重要，必须同时考虑。 高能区：电子阻止本领占主要地位， 核阻止本领可以忽略。但这个区域 的能量值，一般超出了工艺的实际 应用范围。属于核物理的研究课题。
一级近似： 核阻止本领S0n和入射离子能量E无关。 电子阻止本领和注入离子的速度（能量的平方根）成正比。 临界能量： 如图所示，在E=Ec处核阻止与电子阻止本领相等。 射程估算：
如果注入离子能量比Ec大很多，则离子在 靶内主要以电子阻止形式损失能量，可按 下式估算射程 1 R k1 E 2 如果注入离子的能量E<<E c，离子在靶内 主要以核阻止形式损失能量，则得射程R的 表达式为 R k2 E
横向效应与注入离子的种类和离子能量有关
(a) 杂质B、P、Sb通过lμ宽掩膜窗口注入到硅靶中的等浓度曲线
(b) 杂质P以不同能量注入硅靶中的等浓度曲线
硼、磷和砷入射到无定形硅靶中时，ΔRp和ΔR┴与入射能量的关系
4.2.3、沟道效应
沟道效应：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶面平行时， 将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。 由于沟道效应，使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾。
离子束沿x方向入射，注入离子的空间分布函数f(x,y,z)：
2 2 2 x R 1 z 1 y p f x, y, z exp 3/ 2 2 2 2 2 Y Z 2 Rp YZ R p
上节课内容小结
菲克第二定律： C x, t 2C x, t D t x 2 扩散方程 ①恒定表面源扩散：
扩散过程中，表面的杂质浓度Cs始终保持恒定。
杂质分布形式：余误差分布 随着扩散时间增大， 进入体内的杂质数量增加， 结深增大， pn结处的杂质浓度梯度变缓。
上节课内容小结
dE S n E dx n dE S e E dx e
根据LSS理论，单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子损失能量为
dE S n E S e E dx
0 E0 dE dE S n E S e E 0 S n E S e E
在低能注入时，离子束的稳定性是一个问题，由于空间电荷效应， 离子束发散。解决办法是采用宽束流，降低束流密度。
预先非晶化：注B前，先以重离子高剂量注入，使Si形成非晶表面层。
使沟道效应减小。 完全非晶化层在退火后结晶质量好。
4.3、注入损伤
离子注入技术的最大优点，就是可以精确地控制掺杂杂质的数量及深度。 但是，在离子注入的过程中，衬底的晶体结构也不可避免地受到损伤。
As：x > Rp一侧有较多的离子分布 （重，散射角小） 尽管如此，实践中通常仍利用理想 高斯分布来快速估算注入离子在非晶 靶以及单晶靶材料中的分布。
B，P，As在无定型硅和热氧化SiO2中的投影射程和能量的关系
在能量一定的情况下，轻 离子比重离子的射程要深。
4.2.2、横向分布
横向效应：注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。
在p=0时，两球将发生正面碰撞，此时传输的能量最大，用TM表示： 1 4M 1M 2 2 TM M 2U 2 E0 2 2 M1 M 2
不考虑电子屏蔽作用时，注入离子与靶原子之间的势函数为库仑势：
q 2 Z1Z 2 V r r
其中Z1和Z2分别为两个粒子的原子序数，r为距离。
考虑电子屏蔽作用，注入离子与靶原子之间的势函数用下面形式表示：
q 2 Z1Z 2 r V r f r a
其中f(r/a)为电子屏蔽函数。
核阻止本领与离子能量的关系
如果屏蔽函数为：
r a f a r
此时注入离子与靶原子核碰撞的能量损失率 为常数，用S0n表示。
如果采用用托马斯-费米屏蔽函数，核阻止 本领与离子能量的关系Sn(E)如图所示。 低能量时核阻止本领随离子能量呈线性增 加，在某个能量达到最大值
托马斯-费米屏蔽函数
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，核阻 止本领变小。
对硅靶来说，注入离子不同，其 核阻止本领达到最大的能量值是 不同的。
1968年，采用离子注入技术制造出具有突变型杂质分布的变容二极管 以及铝栅自对准MOS晶体管。
1972年以后对离子注入现象有了更深入的了解，目前离子注入技术已 经成为甚大规模集成电路制造中最主要的掺杂工艺。
本章主要内容
4.1、核碰撞和电子碰撞 4.2、注入离子在无定形靶中的分布
4.3、注入损伤
1 x R 2 p n x N max exp 2 R p
n(x)：距离靶表面为x处的离子浓度(离子数/cm3) Nmax：峰值浓度, Nmax n(Rp ) Rp：平均投影射程，离子注入深度的平均值 ΔRp为Rp标准偏差
上节课内ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ小结
二维扩散：横向扩散
一般情况下，横向扩散的距离约为纵向扩散距离的75％-85％
直接影响ULSI的集成度
扩散工艺：固态源、液态源、气态源
快速气相掺杂：RTP，形成超浅结
气体浸没激光掺杂：浅结，突变结
与离子注入一样形成浅结，却无注入损伤且无需退火
第四章 离子注入
离子注入技术是用一定能量的杂质离子束轰击要掺杂 的材料（称为靶，可以是晶体，也可以是非晶体），一部 分杂质离子会进入靶内，实现掺杂的目的。 离子注入是集成电路制造中常用的一种掺杂工艺，尤 其是浅结主要是靠离子注入技术实现掺杂。
目的是控制表面浓度和扩散深度
杂质最终分布形式： D预t预<<D主t主，主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函数分布。
上节课内容小结
影响杂质分布的其他因素: Si中的点缺陷（替位、空位、间隙） 杂质浓度（掺杂浓度高时） 氧化增强扩散：氧化区下，扩散增强，B，P， 机理：间隙Si原子与替位B相互作用，杂质B以替位-间隙交 替的方式运动，扩散速度快 发射区推进效应：发射区正下方硼的扩散深度加深 机理：磷空位对分解，增加空位的浓度， 扩散加快 产生过剩的间隙Si原子，
由于两者的质量相差非常大(104)， 每次碰撞中，注入离子的能量损失很小， 而且散射角度也非常小，也就是说每次 碰撞都不会改变注入离子的动量，虽然 经过多次散射，注入离子运动方向基本 不变。
核阻止本领和电子阻止本领
一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则 核阻止本领就定义为 电子阻止本领定义为
注入离子在靶内运动的总路程 R
E0
4.1.1、核阻止本领
把注入离子和靶原子看成是两个不带电 的硬球，半径分别为R1和R2。 碰撞前：R1， M1， Vl，E0
R2， M2
碰撞后：R1， M1， Ul，E1 ，1
R2， M2， U2，E2 ， 2
两球之间的碰撞距离用碰撞参数p表示， 只有在p≤(R1+R2)时才能发生碰撞和能量 的转移。
离子注入的发展历史
1952年，美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善半导体 的特性。 1954年前后，Shockley提出来用离子注入技术能够制造半导体器件，并 且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。 1955年，英国的W. D. Cussins发现硼离子轰击锗晶片时，可在n型材料 上形成p型层。 1960年，对离子射程的计算和测量、辐射损伤效应以及沟道效应等方 面的重要研究己基本完成，离子注入技术开始在半导体器件生产中得 到广泛应用。
As, P, B 在硅中的核阻止本领和电子阻止本领 与能量的关系的计算值
4.1.2、电子阻止本领
在LSS理论中，把固体中的电子看为自由电子气，电子阻止类似于 黏滞气体的阻力。 在注入离子的常用能量范围内，电子阻止本领Se(E)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：
S e E CV ke E
注入离子二维分布示意图
注入离子分布在Rp的两边，具体分布情 况由Rp决定，Rp与Rp的近似关系为
R p 2 M 1M 2 Rp 3 M M 2 1
0
注入剂量: N s nx dx 2 N maxRp 则有
N max nR p Ns 0.4 N s R p 2 R p
则离子浓度可表示为
2 x R Ns 1 p n x exp 2 R p 2 R p
一级近似得到的高斯分布，在峰值附近与实际分布符合较好，距峰值 较远时有一定偏离。
与注入离子与靶原子的相对质量有关
B：峰值靠近表面一侧的离子数量高 于另一侧（轻，大角度散射）
其中ΔY扣ΔZ分别为在Y方向和Z方向上的标准偏差。 ΔY= ΔZ=ΔR┴，ΔR┴为横向离散。
通过一狭窄掩膜窗口注入的离子，掩膜窗口的宽度为2a， 原点选在窗口的中心，y和z方向如图所示。
在掩膜边缘(即-a和+a处)的浓 度是窗口中心处浓度的50％。 而距离大于+a和小于-a各处的浓 度按余误差下降。
碰撞之间的行程、离子在靶内所运动的路程总长度、以及总长度在入射方 向上的投影射程(注入深度)都是不相同的。 如果注入的离子数量很少，它们在靶内分布是很分散的，但是，如果 注入大量的离子，那么这些离子在靶内将按一定统计规律分布。
4.2.1、纵向分布
一级近似下，无定形靶内的纵向浓度分布可用高斯函数表示：
4.1、核碰撞和电子碰撞
1963年，林华德(Lindhard)，沙夫(Scharff)和希奥特(Schiott) 。 LSS理论（注入离子在靶内的分布理论）： 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(核阻止)
②电子碰撞(电子阻止) 总能量损失为它们的和。
为了避免沟道效应，可使晶体的主轴方向偏离注入方向， 使之呈现无定形状态，会发生大量碰撞。 偏离的典型值为7°。
部分沟道效应，在两次碰撞之间有沟道效应存在。
4.2.4、浅结的形成
对于轻杂质，形成浅结非常困难。 降低注入离子能量：注入离子能量几个keV
但是在低能情况下，沟道效应变得非常明显。增大偏离角度。
核碰撞：是注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。
因注入离子与靶原子的质量一 般 为同一数量级，每次碰撞之后，注入 离子都可能发生大角度的散射，并失 去一定的能量。 靶原子核也因碰撞而获得能量， 如果获得的能量大于原子束缚能，就 会离开原来所在晶格进入间隙，并留 下一个空位，形成缺陷。
电子碰撞：是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞， 这种碰撞能瞬时地形成电子-空穴对。
②有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先沉积一层杂质，这 层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充。 杂质分布形式：高斯分布 随着扩散时间增大， 表面杂质浓度降低， 结深增大， pn结处的杂质浓度梯度变缓。
上节课内容小结
两步扩散：采用两种扩散结合的方式。
预扩散：较低温度，恒定表面源扩散，提供扩散杂质源 主扩散：较高温度，有限表面源扩散，
核阻止本领与电子阻止本领比较
4. 2、注入离子在无定形靶中的分布
注入离子在靶内分布是与注入方向有关系，一般来说，离子束的注入
方向与垂直靶表面方向的夹角比较小，假设离子束的注入方向是垂直靶表
面的。 任何一个注入离子，在靶内所受到的碰撞是一个随机过程。即使是能
量相等的同种离子，在靶内发生每次碰撞的偏转角和损失能量、相邻两次
1
2
其中V为注入离子的速度，系数ke与注入离子的原子序数和质量、靶材料 的原子序数和质量有着微弱的关系。 在粗略近似下，对于无定形硅靶来说， ke为一常数。
4.1.3、射程的粗略估计
根据LSS理论，得到核阻止本领和电子阻止本领曲线，其中和是无量纲的 能量和射程参数。 注入离子的能量可分为三个区域： 低能区：核阻止本领占主要地位， 电子阻止可以被忽略。 中能区：核阻止本领和电子阻止本 领同等重要，必须同时考虑。 高能区：电子阻止本领占主要地位， 核阻止本领可以忽略。但这个区域 的能量值，一般超出了工艺的实际 应用范围。属于核物理的研究课题。
一级近似： 核阻止本领S0n和入射离子能量E无关。 电子阻止本领和注入离子的速度（能量的平方根）成正比。 临界能量： 如图所示，在E=Ec处核阻止与电子阻止本领相等。 射程估算：
如果注入离子能量比Ec大很多，则离子在 靶内主要以电子阻止形式损失能量，可按 下式估算射程 1 R k1 E 2 如果注入离子的能量E<<E c，离子在靶内 主要以核阻止形式损失能量，则得射程R的 表达式为 R k2 E
横向效应与注入离子的种类和离子能量有关
(a) 杂质B、P、Sb通过lμ宽掩膜窗口注入到硅靶中的等浓度曲线
(b) 杂质P以不同能量注入硅靶中的等浓度曲线
硼、磷和砷入射到无定形硅靶中时，ΔRp和ΔR┴与入射能量的关系
4.2.3、沟道效应
沟道效应：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶面平行时， 将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。 由于沟道效应，使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾。
离子束沿x方向入射，注入离子的空间分布函数f(x,y,z)：
2 2 2 x R 1 z 1 y p f x, y, z exp 3/ 2 2 2 2 2 Y Z 2 Rp YZ R p
上节课内容小结
菲克第二定律： C x, t 2C x, t D t x 2 扩散方程 ①恒定表面源扩散：
扩散过程中，表面的杂质浓度Cs始终保持恒定。
杂质分布形式：余误差分布 随着扩散时间增大， 进入体内的杂质数量增加， 结深增大， pn结处的杂质浓度梯度变缓。
上节课内容小结
dE S n E dx n dE S e E dx e
根据LSS理论，单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子损失能量为
dE S n E S e E dx
0 E0 dE dE S n E S e E 0 S n E S e E
在低能注入时，离子束的稳定性是一个问题，由于空间电荷效应， 离子束发散。解决办法是采用宽束流，降低束流密度。
预先非晶化：注B前，先以重离子高剂量注入，使Si形成非晶表面层。
使沟道效应减小。 完全非晶化层在退火后结晶质量好。
4.3、注入损伤
离子注入技术的最大优点，就是可以精确地控制掺杂杂质的数量及深度。 但是，在离子注入的过程中，衬底的晶体结构也不可避免地受到损伤。
As：x > Rp一侧有较多的离子分布 （重，散射角小） 尽管如此，实践中通常仍利用理想 高斯分布来快速估算注入离子在非晶 靶以及单晶靶材料中的分布。
B，P，As在无定型硅和热氧化SiO2中的投影射程和能量的关系
在能量一定的情况下，轻 离子比重离子的射程要深。
4.2.2、横向分布
横向效应：注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。
在p=0时，两球将发生正面碰撞，此时传输的能量最大，用TM表示： 1 4M 1M 2 2 TM M 2U 2 E0 2 2 M1 M 2
不考虑电子屏蔽作用时，注入离子与靶原子之间的势函数为库仑势：
q 2 Z1Z 2 V r r
其中Z1和Z2分别为两个粒子的原子序数，r为距离。
考虑电子屏蔽作用，注入离子与靶原子之间的势函数用下面形式表示：
q 2 Z1Z 2 r V r f r a
其中f(r/a)为电子屏蔽函数。
核阻止本领与离子能量的关系
如果屏蔽函数为：
r a f a r
此时注入离子与靶原子核碰撞的能量损失率 为常数，用S0n表示。
如果采用用托马斯-费米屏蔽函数，核阻止 本领与离子能量的关系Sn(E)如图所示。 低能量时核阻止本领随离子能量呈线性增 加，在某个能量达到最大值
托马斯-费米屏蔽函数
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，核阻 止本领变小。
对硅靶来说，注入离子不同，其 核阻止本领达到最大的能量值是 不同的。
1968年，采用离子注入技术制造出具有突变型杂质分布的变容二极管 以及铝栅自对准MOS晶体管。
1972年以后对离子注入现象有了更深入的了解，目前离子注入技术已 经成为甚大规模集成电路制造中最主要的掺杂工艺。
本章主要内容
4.1、核碰撞和电子碰撞 4.2、注入离子在无定形靶中的分布
4.3、注入损伤
1 x R 2 p n x N max exp 2 R p
n(x)：距离靶表面为x处的离子浓度(离子数/cm3) Nmax：峰值浓度, Nmax n(Rp ) Rp：平均投影射程，离子注入深度的平均值 ΔRp为Rp标准偏差
上节课内ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ小结
二维扩散：横向扩散
一般情况下，横向扩散的距离约为纵向扩散距离的75％-85％
直接影响ULSI的集成度
扩散工艺：固态源、液态源、气态源
快速气相掺杂：RTP，形成超浅结
气体浸没激光掺杂：浅结，突变结
与离子注入一样形成浅结，却无注入损伤且无需退火
第四章 离子注入
离子注入技术是用一定能量的杂质离子束轰击要掺杂 的材料（称为靶，可以是晶体，也可以是非晶体），一部 分杂质离子会进入靶内，实现掺杂的目的。 离子注入是集成电路制造中常用的一种掺杂工艺，尤 其是浅结主要是靠离子注入技术实现掺杂。
目的是控制表面浓度和扩散深度
杂质最终分布形式： D预t预<<D主t主，主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函数分布。
上节课内容小结
影响杂质分布的其他因素: Si中的点缺陷（替位、空位、间隙） 杂质浓度（掺杂浓度高时） 氧化增强扩散：氧化区下，扩散增强，B，P， 机理：间隙Si原子与替位B相互作用，杂质B以替位-间隙交 替的方式运动，扩散速度快 发射区推进效应：发射区正下方硼的扩散深度加深 机理：磷空位对分解，增加空位的浓度， 扩散加快 产生过剩的间隙Si原子，
由于两者的质量相差非常大(104)， 每次碰撞中，注入离子的能量损失很小， 而且散射角度也非常小，也就是说每次 碰撞都不会改变注入离子的动量，虽然 经过多次散射，注入离子运动方向基本 不变。
核阻止本领和电子阻止本领
一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则 核阻止本领就定义为 电子阻止本领定义为
注入离子在靶内运动的总路程 R
E0
4.1.1、核阻止本领
把注入离子和靶原子看成是两个不带电 的硬球，半径分别为R1和R2。 碰撞前：R1， M1， Vl，E0
R2， M2
碰撞后：R1， M1， Ul，E1 ，1
R2， M2， U2，E2 ， 2
两球之间的碰撞距离用碰撞参数p表示， 只有在p≤(R1+R2)时才能发生碰撞和能量 的转移。
离子注入的发展历史
1952年，美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善半导体 的特性。 1954年前后，Shockley提出来用离子注入技术能够制造半导体器件，并 且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。 1955年，英国的W. D. Cussins发现硼离子轰击锗晶片时，可在n型材料 上形成p型层。 1960年，对离子射程的计算和测量、辐射损伤效应以及沟道效应等方 面的重要研究己基本完成，离子注入技术开始在半导体器件生产中得 到广泛应用。
As, P, B 在硅中的核阻止本领和电子阻止本领 与能量的关系的计算值
4.1.2、电子阻止本领
在LSS理论中，把固体中的电子看为自由电子气，电子阻止类似于 黏滞气体的阻力。 在注入离子的常用能量范围内，电子阻止本领Se(E)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：
S e E CV ke E
注入离子二维分布示意图
注入离子分布在Rp的两边，具体分布情 况由Rp决定，Rp与Rp的近似关系为
R p 2 M 1M 2 Rp 3 M M 2 1
0
注入剂量: N s nx dx 2 N maxRp 则有
N max nR p Ns 0.4 N s R p 2 R p
则离子浓度可表示为
2 x R Ns 1 p n x exp 2 R p 2 R p
一级近似得到的高斯分布，在峰值附近与实际分布符合较好，距峰值 较远时有一定偏离。
与注入离子与靶原子的相对质量有关
B：峰值靠近表面一侧的离子数量高 于另一侧（轻，大角度散射）
其中ΔY扣ΔZ分别为在Y方向和Z方向上的标准偏差。 ΔY= ΔZ=ΔR┴，ΔR┴为横向离散。
通过一狭窄掩膜窗口注入的离子，掩膜窗口的宽度为2a， 原点选在窗口的中心，y和z方向如图所示。
在掩膜边缘(即-a和+a处)的浓 度是窗口中心处浓度的50％。 而距离大于+a和小于-a各处的浓 度按余误差下降。
碰撞之间的行程、离子在靶内所运动的路程总长度、以及总长度在入射方 向上的投影射程(注入深度)都是不相同的。 如果注入的离子数量很少，它们在靶内分布是很分散的，但是，如果 注入大量的离子，那么这些离子在靶内将按一定统计规律分布。
4.2.1、纵向分布
一级近似下，无定形靶内的纵向浓度分布可用高斯函数表示：