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
8721 1095 3320 636 1966 349
1056 9 1202 4182 765 2375 415
1230 5 1288 5053 886 2783 480
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) 各种离子在SiO2中的 和 中的Rp
20 40 60 80 100 120 140 160 180
3226 647 1105 340 500 157
3617 684 1271 377 586 176
3994 716 1437 411 637 195
例题： 例题：
1. 已知某台离子注入机的束斑为2.0cm2、束流为 已知某台离子注入机的束斑为2.0cm2、 2.0mA、注入时间为16ms，试计算硼离子（B+） 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 库仑） 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 111〉衬底硅片上，进行硼离子注入， P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为1×1015cm-3， 结二极管。已知衬底掺杂浓度为1 注入能量：60KEV，注入剂量：5.0E14，试计算硼 注入能量：60KEV，注入剂量：5.0E14， 离子注入分布的最大掺杂浓度Nmax和注入结深 离子注入分布的最大掺杂浓度Nmax和注入结深。 和注入结深。
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
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) 各种离子在光刻胶中的Rp和 光刻胶中的
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
离子注入的优点： 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 质量分离技术产生没有沾污的纯离子束， 由于杂质源纯度低带来的沾污， 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。 减少了掺杂沾污。 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： 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
4.3 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 当注入离子未与硅原子碰撞减速， 格间隙时（见下图）就发生了沟道效应。 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 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 倾斜硅片： 2. 缓冲氧化层：离子通过氧化层后，方向随机。 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 硅预非晶化：增加Si 注入，低能量（1KEV） 入应用非常有效 4. 使用质量较大的原子
投影射程示意图
个离子在靶中的射程Ri和投影射程 第i个离子在靶中的射程 和投影射程 个离子在靶中的射程 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， 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。 存在一个统计分布。 离子的平均投影射程R 离子的平均投影射程RP为
第四章：离子注入
掺杂技术之二
4.1 引 言
离子注入的概念： 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 离子注入是在高真空的复杂系统中， 并形成高能量的离子束， 并形成高能量的离子束，入射到硅片靶中进行掺杂 的过程。 的过程。
束流、 束流、束斑
离子注入是继扩散之后的第二种掺杂技术， 离子注入是继扩散之后的第二种掺杂技术，是现 是继扩散之后的第二种掺杂技术 代先进的集成电路制造工艺中非常重要的技术。 代先进的集成电路制造工艺中非常重要的技术。 有些特殊的掺杂（如小剂量浅结掺杂、深浓度峰 有些特殊的掺杂（如小剂量浅结掺杂、 分布掺杂等）扩散是无法实现的，而离子注入却 分布掺杂等）扩散是无法实现的， 能胜任。 能胜任。
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 单位：千电子伏特 带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场 的电场 带有一个正电荷的离子在电势差为 运动，它的能量为100KEV 运动，它的能量为
射程、投影射程 射程、 具有一定能量的离子入射靶中，与靶原子和电子 具有一定能量的离子入射靶中， 发生一系列碰撞（即受到了核阻止和电子阻止） 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， 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， 应的位置，离子由进入到停止所走过的总距离， 称为射程 称为射程用R表示。这一距离在入射方向上的投 射程用 表示。 影称为投影射程 Rp。 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。 表面的垂直距离。
3653 774 1215 387 559 176
4179 827 1429 437 646 201
4685 874 1644 485 739 823 251
（四）各种离子在Si3N4中的Rp和△Rp 值 (Å) 各种离子在Si3N4中的 和 中的Rp
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
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
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
工艺目的：消除晶格损伤，并且使注入的杂质转 工艺目的：消除晶格损伤， 入替位位置从而实现电激活。 入替位位置从而实现电激活。 1. 高温热退火 通常的退火温度：＞ ℃ 时间： 分钟左右 通常的退火温度：＞950℃，时间：30分钟左右 ：＞ 缺点：高温会导致杂质的再分布。 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 ，在较短的时间（ 采用 成退火。 成退火。 优点：杂质浓度分布基本不发生变化 优点：
离子注入的优点： 离子注入的优点：
3. 杂质浓度均匀性、重复性好 杂质浓度均匀性、 用扫描的方法控制杂质浓度的均匀性， 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 的范围内，均匀性达到± ± 10％，1013ions/cm2以下的小剂量，扩散无法实 10％， ％，10 以下的小剂量， 现。 4. 掺杂温度低 注入可在125℃以下的温度进行， 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） 的注入阻挡层（如光刻胶）增加了工艺的灵活性
入射能量 （KEV） ） 注入的离子 B RP ∆ RP P RP ∆ RP As RP ∆ RP
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
离子注入的优点： 离子注入的优点：
1. 精确地控制掺杂浓度和掺杂深度 离子注入层的深度依赖于离子能量、杂质浓度依 离子注入层的深度依赖于离子能量、 赖于离子剂量，可以独立地调整能量和剂量， 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。 确地控制掺杂层的深度和浓度，工艺自由度大。 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 由于离子注入的浓度峰在体内，所以基于第1点 采用多次叠加注入，可以获得任意形状的杂质分 采用多次叠加注入， 布，增大了设计的灵活性。 增大了设计的灵活性。
离子注入结深 Xj
Nmax xj = Rp ±∆Rp 2ln NB
其中NB为衬底浓度 为衬底浓度 其中
RP和△RP的计算很复杂，有表可以查用 的计算很复杂， （一）各种离子在Si中的Rp和△Rp 值 (Å) 各种离子在Si中的 和 中的Rp
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： 高能（大于200KEV）离子注入，深埋层的作用： 控制CMOS的闩锁效应 控制CMOS的闩锁效应
4.4 离子注入的应用
在先进的CMOS 工艺中，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 轻掺杂漏区（LDD） 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 绝缘体上的硅（SOI）