离子注入工艺原理11
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离子注入工艺原理
离子注入
离子注入过程：入射离子与半导体的原子核和电子不断发生 碰撞，从而损失其能量，经过一段曲折路径的运动，最后因 动能耗尽而停止在半导体中的某处。
离子注入出现的理由：随着集成电路集成度的提高，对器件 源漏结深的要求，且传统的扩散已无法精确控制杂质的分布 形式及浓度了。
离子注入
离子注入机 底能量 低浓度 快速扫描 离子注入机
核碰撞
注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞
电子碰撞
注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰
撞
注入离子浓度分布
1xR P N ( x) exp R 2 RP 2 P
2
φ注入剂量，单位为cm-2 RP 是平均投影射程， RP为射程偏差，与注入能 量有关。
移位原子 移位阈能 能量淀积过程
由于轻离子和重离子引起的晶格损伤
轻离子冲击
重离子冲击
（三）、离子注入参数 1、剂量
Q It qnA
Q : 剂量，原子数 / cm 2 ；I : 束流，库仑 / 秒 n：每个离子的电荷数； ：注入面积 A
2、射程：离子穿越硅片的总距离
入射离子束
硅衬底 Rp Rp 杂质分布
工艺腔
扫描盘
离子注入机示意图
离子注入的特点及参数
（一）优点 1、离子注入扩大了杂质的选择范围；掩蔽膜可用SiO2、金属 膜或光刻胶。 2、注入温度一般不超过400℃，退火温度也较低（650℃）， 避免了高温过程带来的不利（如结的推移、热缺陷等）。 3、离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，易制作 极低浓度和浅结。 4、离子注入可选出单一的杂质离子，保证了掺杂的纯度。 5、离子注入的横向扩散很小，集成度高，高频特性好。 6、剂量在1011-1017离子/cm2较宽的范围内，同一平面内杂 质分布的均匀性。 7、无固溶度限制。
电子束退火
离子注入适合于化合物基片靶的注入掺杂
离子注入是一个非平衡的过程 它不受杂质在衬底材料中的
溶解度的限制
离子注入的理论描述
在离子注入过程中被掺杂的材料一般称为靶，离子轰击靶时，
其中一部分离子在靶的表面被折射出，不能进入靶内，这部 分离子叫做散射离子，进入的部分离子叫做注入离子，为了 精确控制注入的深度，避免沟道效应，往往使靶片的晶轴方 向与入射离子束的方向由一定的角度。
单个离子注入点
沟道效应
对晶体进行离子注入时，当离子注入的方向与靶晶体的 某个方向平行时，就会出现沟道效应，沿某一晶向入射离子优 于随机入射，偏离晶向5º左右。
离子退火
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。 退火目的：离子注入过程中造成晶格损伤，导致散射中心增 加，载流子迁移率下降，缺陷中心的增加，载流子的寿命减 少，漏电流增大，同时由于注入的离子大多存在于间隙中起 不到施主或受主的作用。
缺点：缺陷不能完全消除，而且容易产生二次缺陷，杂 质电激活率不高，容易增加表面污染，高温容易导致杂质再 分布，破坏了离子注入的优点。
快速退火
优点：通过降低退火温度，缩短退火时间
脉冲激光退火
特点：退火区域受热时间短，因而损伤区杂质几乎 不扩散，可以通过改变激光的波长和能量密度，可在深度上 和表面上进行不同的退火处理。从而可在同一硅片上制造处 不同结深和不同击穿电压的器件。
硅单晶退火
离子束
修复硅晶格结构并激活杂质—硅键
a) 注入过程中损伤的硅晶格
b) 退火后的硅晶格
热退火特性：将欲退火的硅片置于真空或高纯气体的保护下，
加热到某一温度进行热处理，由于热退火处于较高的温度， 原子的振动能较大，导致原子的移动能加强，可使复杂的缺 陷分解点缺陷，当它们相互靠近时就可能复合而使缺陷消失。
且下降速度越来越快。
硅中离子注入能量(KeV)与射程(Å)的对
应关系
入射能量 杂质 B 20 40 60 80 100 120 140 160 180
RP RP
714 276 255 90 151 34
1413 443 488 161 263 59
2074 562 729 226 368 81
（二）晶格损伤
缺陷产生机理：进入靶体内的杂质，通过碰撞把能量传递 给靶体原子核核电子，最后停在某一位置，如果原子核和电 子获得的能量很大，则靶体内的原子核就离开晶格位置进入 晶格间隙，同时留下一个空位。形成空位—间隙缺陷
(1) 在相同的入射能量和相同的靶材料下，轻离子注入 损伤密度小，但区域较大；重离子注入损伤密度大，但区域 很小； (2) 注入剂量增大，靶的晶格损伤越严重。
注入离子浓度分布的特点
1、最大浓度位置在样品内的平均投影射程处：
N max
0.4 RP 2 RP
(1) 注入离子的剂量φ越大，浓度峰值越高； (2) 注入离子的能量E（20~200 KeV）越大，RP 、RP 相应越大，浓度峰值越低。 2、在x = RP 处的两边，注入离子浓度对称地下降，
RP RP
As
RP RP
离子注入设备
主要部分结构 离子源 分析器 加速器 扫描器
离子束发生装置
离子源通常会产生多种离子，必须对输出的离子束 进行质量分离 是离子具有足够的能量来穿越并注入靶体内部 实现大面积的均匀离子束注入
靶室和偏束板
真空排气系统 电子控制装置
离子源 等离子体 吸出组件 分析磁体 加速管 离子束
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2695 653 976 293 471 102
3275 726 1228 350 574 122
3802 713 1483 405 677 143
4284 855 1740 459 781 161
4745 910 1996 509 855 180
5177 959 2256 557 991 198
P
高能量 高浓度 慢速扫描
掺杂离子 束扫描 束扫描
掩蔽层
xj
掩蔽层
掩蔽层
掩蔽层
xj
硅衬底 硅衬底
a) 底掺杂浓度 (n–, p–) 和浅结深 (xj)
b) 高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结 深(xj)
控制杂质浓度和深度
离子注入掺杂技术的特点
注入的杂质离子是通过磁性质量分析器选取出来的 离子注入的剂量可以任意调节 离子注入的环境温度较低，避免产生热缺陷 离子注入的深度是随离子能量的增加而增加的 离子注入有着很好的各项异性效果
离子注入
离子注入过程：入射离子与半导体的原子核和电子不断发生 碰撞，从而损失其能量，经过一段曲折路径的运动，最后因 动能耗尽而停止在半导体中的某处。
离子注入出现的理由：随着集成电路集成度的提高，对器件 源漏结深的要求，且传统的扩散已无法精确控制杂质的分布 形式及浓度了。
离子注入
离子注入机 底能量 低浓度 快速扫描 离子注入机
核碰撞
注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞
电子碰撞
注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰
撞
注入离子浓度分布
1xR P N ( x) exp R 2 RP 2 P
2
φ注入剂量，单位为cm-2 RP 是平均投影射程， RP为射程偏差，与注入能 量有关。
移位原子 移位阈能 能量淀积过程
由于轻离子和重离子引起的晶格损伤
轻离子冲击
重离子冲击
（三）、离子注入参数 1、剂量
Q It qnA
Q : 剂量，原子数 / cm 2 ；I : 束流，库仑 / 秒 n：每个离子的电荷数； ：注入面积 A
2、射程：离子穿越硅片的总距离
入射离子束
硅衬底 Rp Rp 杂质分布
工艺腔
扫描盘
离子注入机示意图
离子注入的特点及参数
（一）优点 1、离子注入扩大了杂质的选择范围；掩蔽膜可用SiO2、金属 膜或光刻胶。 2、注入温度一般不超过400℃，退火温度也较低（650℃）， 避免了高温过程带来的不利（如结的推移、热缺陷等）。 3、离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，易制作 极低浓度和浅结。 4、离子注入可选出单一的杂质离子，保证了掺杂的纯度。 5、离子注入的横向扩散很小，集成度高，高频特性好。 6、剂量在1011-1017离子/cm2较宽的范围内，同一平面内杂 质分布的均匀性。 7、无固溶度限制。
电子束退火
离子注入适合于化合物基片靶的注入掺杂
离子注入是一个非平衡的过程 它不受杂质在衬底材料中的
溶解度的限制
离子注入的理论描述
在离子注入过程中被掺杂的材料一般称为靶，离子轰击靶时，
其中一部分离子在靶的表面被折射出，不能进入靶内，这部 分离子叫做散射离子，进入的部分离子叫做注入离子，为了 精确控制注入的深度，避免沟道效应，往往使靶片的晶轴方 向与入射离子束的方向由一定的角度。
单个离子注入点
沟道效应
对晶体进行离子注入时，当离子注入的方向与靶晶体的 某个方向平行时，就会出现沟道效应，沿某一晶向入射离子优 于随机入射，偏离晶向5º左右。
离子退火
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。 退火目的：离子注入过程中造成晶格损伤，导致散射中心增 加，载流子迁移率下降，缺陷中心的增加，载流子的寿命减 少，漏电流增大，同时由于注入的离子大多存在于间隙中起 不到施主或受主的作用。
缺点：缺陷不能完全消除，而且容易产生二次缺陷，杂 质电激活率不高，容易增加表面污染，高温容易导致杂质再 分布，破坏了离子注入的优点。
快速退火
优点：通过降低退火温度，缩短退火时间
脉冲激光退火
特点：退火区域受热时间短，因而损伤区杂质几乎 不扩散，可以通过改变激光的波长和能量密度，可在深度上 和表面上进行不同的退火处理。从而可在同一硅片上制造处 不同结深和不同击穿电压的器件。
硅单晶退火
离子束
修复硅晶格结构并激活杂质—硅键
a) 注入过程中损伤的硅晶格
b) 退火后的硅晶格
热退火特性：将欲退火的硅片置于真空或高纯气体的保护下，
加热到某一温度进行热处理，由于热退火处于较高的温度， 原子的振动能较大，导致原子的移动能加强，可使复杂的缺 陷分解点缺陷，当它们相互靠近时就可能复合而使缺陷消失。
且下降速度越来越快。
硅中离子注入能量(KeV)与射程(Å)的对
应关系
入射能量 杂质 B 20 40 60 80 100 120 140 160 180
RP RP
714 276 255 90 151 34
1413 443 488 161 263 59
2074 562 729 226 368 81
（二）晶格损伤
缺陷产生机理：进入靶体内的杂质，通过碰撞把能量传递 给靶体原子核核电子，最后停在某一位置，如果原子核和电 子获得的能量很大，则靶体内的原子核就离开晶格位置进入 晶格间隙，同时留下一个空位。形成空位—间隙缺陷
(1) 在相同的入射能量和相同的靶材料下，轻离子注入 损伤密度小，但区域较大；重离子注入损伤密度大，但区域 很小； (2) 注入剂量增大，靶的晶格损伤越严重。
注入离子浓度分布的特点
1、最大浓度位置在样品内的平均投影射程处：
N max
0.4 RP 2 RP
(1) 注入离子的剂量φ越大，浓度峰值越高； (2) 注入离子的能量E（20~200 KeV）越大，RP 、RP 相应越大，浓度峰值越低。 2、在x = RP 处的两边，注入离子浓度对称地下降，
RP RP
As
RP RP
离子注入设备
主要部分结构 离子源 分析器 加速器 扫描器
离子束发生装置
离子源通常会产生多种离子，必须对输出的离子束 进行质量分离 是离子具有足够的能量来穿越并注入靶体内部 实现大面积的均匀离子束注入
靶室和偏束板
真空排气系统 电子控制装置
离子源 等离子体 吸出组件 分析磁体 加速管 离子束
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2695 653 976 293 471 102
3275 726 1228 350 574 122
3802 713 1483 405 677 143
4284 855 1740 459 781 161
4745 910 1996 509 855 180
5177 959 2256 557 991 198
P
高能量 高浓度 慢速扫描
掺杂离子 束扫描 束扫描
掩蔽层
xj
掩蔽层
掩蔽层
掩蔽层
xj
硅衬底 硅衬底
a) 底掺杂浓度 (n–, p–) 和浅结深 (xj)
b) 高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结 深(xj)
控制杂质浓度和深度
离子注入掺杂技术的特点
注入的杂质离子是通过磁性质量分析器选取出来的 离子注入的剂量可以任意调节 离子注入的环境温度较低，避免产生热缺陷 离子注入的深度是随离子能量的增加而增加的 离子注入有着很好的各项异性效果