第四章 离子注入作业
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第4章离子注入_6.
● 扩散法掺杂时受到化学结合力、扩散系 数及固溶度等方面的限制，而离子注入是 一个物理过程，所以它可以注入各种元素。
● 扩散法是在高温下掺杂，离子注入法掺 杂可以在高温下进行，也可以在室温下或 低温下进行，这样可以减少高温过程对器 件产生的不良影响。
● 离子注入法可以做到高纯度的掺杂，避 免有害物质进入硅片。
（4-2）
Z是离子的电荷数
如果加速管的两端间加的电压差是V ，
则离子通过加速管所获得的能量为：
E=Z×V
（4-3）
一个电子受到1伏的电压差的加速获得的 能量是：
1ev=1.6×10-12尔格
对于IC制造中的离子注入，根据不同的工 艺，能量范围从几十kev到几百kev。
NN阱阱CCMMOOSS工工艺艺中中的的离离子子注注入入
如果束流是稳定的电流I，则：
NSS
=
It q
（4-5）
t = qNS S I
（4-6）
其中：NS 单位面积的注入剂量（个/cm2 ），S 是扫描面积（cm2 ），q 是一个离子的电荷
（1.6×10-19库仑），I 是注入的束流（安培），
t 是注入时间（秒）。
例题：如果注入剂量是5×1015，束流 1mA，求注入一片6英寸硅片的时间
一个质量数为M的正离子，以速 度v垂直于磁力线的方向进入磁场，受 洛伦茨力的作用，在磁场中作匀速圆 周运动的半径R（cm）为：
R = 1.44 MV ×10−2 （4-1） BZ
其中：V 为电压（伏特），Z 为离子的 电荷数，B 是磁场强度（特）。
正交电磁场分析器
⊕
电磁场的磁极
平行平板电极
当离子束垂直进入均匀的正交电磁场时，将同时
受到电场力和洛伦茨力的作用，这两个力的方向正好 相反，只有在某个质量为M的离子在分析器中所受的 电场力和洛伦茨力的数值相等时，不发生偏转而到达 靶室，大于或小于M的离子则被偏转掉。
离子注入二
4.5 离子注入设备与工艺
离子注入系统原理-磁分析器
从离子源吸出的离子束中，包括多种离子。如 对BCl3气体源，一般包括H+、B+、Cl+、O+ 、C+等。 在磁分析器中，利用不同荷质比的离子在磁 场中的运动轨迹不同，可以将离子分离，并选 出所需要的一种杂质离子。 被选离子通过可变狭缝，进入加速管。
热退火中的扩散称为增强扩散。
4.4 退火
热退火过程中的扩散效应
注入杂质经退火后在靶内的分布仍然是 高斯分布
标准偏差需要修正 扩散系数明显增加
4.4 退火
热退火过程中的扩散效应
高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽， 偏离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按 指数衰减的拖尾.
4. 快速热退火的主要优点是什么？
要求：11月4日上课交作业，或发送至 xyfan@。 32
第四章 离子注入-作业
/show/-JP8k1MK7kT9fziZnp4vA...html /programs/view/fLp7hS0elT0
4.5 离子注入设备与工艺
靶室
样品架 法拉第杯（控制注入剂量）
第四章 离子注入-作业
1.比较离子注入与热扩散工艺，分析两者各自的优缺点。
2.试用LSS理论分析离子注入的基本原理，入射离子能量损
失的两种模型各是什么？ 2. 简述沟道效应的形成机理，并给出减弱或消除沟道效应 的几种措施。 3. 离子注入后为何要进行退火热处理？
晶格损伤解离而释放出大量的间隙Si原子，这些间隙Si原 子与替位B原子接近时，可以相互换位，使得B原子进入 晶格间隙，激活率下降。
半导体工艺与制造技术习题答案(第四章 离子注入)
第四章 离子注入与快速热处理1.下图为一个典型的离子注入系统。
（1）给出1-6数字标识部分的名称，简述其作用。
（2）阐述部件2的工作原理。
答：（1）1：离子源，用于产生注入用的离子；2：分析磁块，用于将分选所需的离子；3：加速器，使离子获得所需能量；4：中性束闸与中性束阱，使中性原子束因直线前进不能达到靶室； 5：X & Y 扫描板，使离子在整个靶片上均匀注入；6：法拉第杯，收集束流测量注入剂量。
（2）由离子源引出的离子流含有各种成分，其中大多数是电离的，离子束进入一个低压腔体内，该腔体内的磁场方向垂直于离子束的速度方向，利用磁场对荷质比不同的离子产生的偏转作用大小不同，偏转半径由公式：决定。
最后在特定半径位置采用一个狭缝，可以将所需的离子分离出来。
2.离子在靶内运动时，损失能量可分为核阻滞和电子阻滞，解释什么是核阻滞、电子阻滞？两种阻滞本领与注入离子能量具体有何关系？答：核阻滞即核碰撞，是注入离子与靶原子核之间的相互碰撞。
因两者质量是同一数量级，一次碰撞可以损失很多能量，且可能发生大角度散射，使靶原子核离开原来的晶格位置，留下空位，形成缺陷。
电子阻滞即电子碰撞，是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的相互碰撞。
因离子质量比电子质量大很多，每次碰撞损失的能量很少，且都是小角度散射，且方向随机，故经多次散射，离子运动方向基本不变。
在一级近似下，核阻滞本领与能量无关；电子阻滞本领与能量的平方根成正比。
1 2 3 4 563.什么是离子注入横向效应？同等能量注入时，As和B哪种横向效应更大？为什么？答：离子注入的横向效应是指，注入过程中，除了垂直方向外，离子还向横向掩膜下部分进行移动，导致实际注入区域大于掩膜窗口的效应。
B的横向效应更大，因为在能量一定的情况下，轻离子比重离子的射程要深且标准差更大。
4.热退火用于消除离子注入造成的损伤，温度要低于杂质热扩散的温度，然而，杂质纵向分布仍会出现高斯展宽与拖尾现象，解释其原因。
第4章离子注入
离子注入掺杂
发展历史： 1954年肖克莱首先提出并申请了专利。 1955年英国人W. D. Gussins 用硼离子轰击 Ge晶片，在n型材料上形成p型层，但当时对 p-n结形成机理不很清楚，所以这一新技术没 有得到人们重视。 随着原子能技术的发展，对于离子束对 物质轰击效果的研究，强离子束设备的出现， 为离子注入的发展奠定了基础。
掩蔽层
Mask
xj Silicon substrate
Mask
Silicon substrate
a) 低掺杂浓度与浅结
b) 高掺杂浓度与深结
聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。
缺点是 生产效率低，设备复杂，控制复杂。聚焦方
式的关键技术是
1、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源；
2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转
液态金属
同轴形
毛细管形
钨针
对液态金属的要求 (1) 与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润；
(3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太
高的温度下既保持液态又不蒸发。
能满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn
等少数几种，其中 Ga 是最常用的一种。
E3 E1 是主高压，即离子束的 加速电压；E2 是针尖与引出极
离子注入概述
扩散掺杂
• 最先被采用的半导体掺杂技术 • 是早期集成电路制造中最重要的技术之一，高温炉 通称为“扩散炉”。 • 需在高温炉中进行 • 需使用二氧化硅作掩膜 • 无法独立控制结深和浓度 • 各向同性 • 杂质剂量控制精度较差。 自1970年中期开始离子注入技术被广泛采用。扩散技 术目前主要应用于杂质的推进，以及用于形成超浅结 （仍处于研发中）。
第四章 离子注入
射程参数
RNm1 m2 4a2
(m1 m2 )2
其中，m1，m2为注入离子和靶原子的质量，N是单位体积 内的原子数，a为屏蔽长度
a
0.88a0
( Z11/ 3
Z 2/3 2
)1/ 2
由此，导出核阻止能量损失曲线。P84图4.5
13
1、注入离子能量三个区域中的阻止机制
1）低能区：核阻止 2）中能区：核阻止、电子阻止 3）高能区：电子阻止
注入离子靶原子：形成间隙-空位缺陷； 间隙靶原子靶原子：在入射离子轨迹周围形成大量
间隙-空位缺陷。
因此，须消除衬底损伤，并使注入离子处于电激 活位置，以达到掺杂目的。
31
一、级联碰撞
1、几个概念
1) 注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程， 称为能量淀积过程。 弹性碰撞： 总动能守恒 注入离子能量低 非弹性碰撞：总动能不守恒 注入离子能量高 在集成电路制造中，注入离子的能量较低，弹性碰撞占 主要地位。
exp
1 2
y2
Y
2
z2 Z 2
(x Rp)2 R p 2
（4.21） 因入射靶材为各向同性的非晶材料，则在垂直入射方向的平
面内分布是对称的，即有
Y Z R 即Y方向、Z方向上的标准偏差 等于 横向离散 R 。
25
通过狭窄掩模窗口注入离子后的杂质分布情况
14
2、一级近似下的阻止机制
1)核阻止本领
S
0 n
与入射离子E能量无关；
2)电子阻止本领 Se (E)与速度成正比关系；
3)在EC处核阻止和电子阻止本领相等，不同的靶材料和不同的
04离子注入
27
Se(E)
当核阻止与电子阻止本领 相等时，能量为EC。 当入射离子能量E》EC时 射程R： R≈k1E1/2
Ec
Sn0
当入射离子能量E《EC时，电子阻止可忽略，
射程R： R≈k2E0
28
4.2 注入离子在靶中的分布
注入离子在靶中的分布与注入方向有关。一般注入方向 与靶表面垂直反向的夹角较小。
37
N可以精确控制
1 I dt N A q
A为注入面积，I为硅片背面搜集到的束 流（Farady Cup），t为积分时间，q为 离子所带的电荷。 I＝0.01 mA～mA
例如：当A＝20×20 cm2，I＝0.1 mA时，
N I 1.56 10 9 atoms/cm2s t Aq
术制造半导体器件；1955年 英国W.D.Cussins应用硼 离子轰击锗晶片，在n型衬底上形成p型层。 在此之后，离子注入技术开始广泛应用。
离子注入特点
各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂 量（1011-1018 cm-2）和能量（1-400 keV）来达到；
平面上杂质掺杂分布非常均匀（ 1% variation across an 8’’ wafer）； 注入的深度随能量的增大而增大，表面浓度不受固溶 度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度； 注入元素通过质量分析去选出，纯度非常高，杂质单 一性，将污染水平降低到最低水平； 衬底温度保持在室温或低于400C，可用多种材料作 掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由度 大，。
电子组织本领Se(E)与注入离子的速度成正比，即与能量的 平方根成正比。
21
把固体中的电子看成自由电子气，电子的 阻止就类似于粘滞气体的阻力（一阶近似）。 电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正 比。
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
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(作业)
若注入剂量为11015cmБайду номын сангаас试求注入的峰值浓度结深及注入离子的平均浓度假定为对称的高斯分布
第四章
主
离子注入
讲：毛 维
mwxidian@ 西安电子科技大学微电子学院
第3次作业
1.已知硅n型外延层的掺杂浓度为1.5×1016cm-3。现用 硼离子注入形成基区，其能量为60keV。若注入剂量
为1×1015cm-2，试求注入的峰值浓度、结深、及注入 离子的平均浓度（假定为对称的高斯分布）。
2.已知硅n型外延层的掺杂浓度为1.5×1016cm-3。现通过 注入B+来制作集电结，要求掺杂的峰值浓度达到 2×1019cm-3，结深0.4μm。试估算入射离子所需要的 能量和剂量。
第四章
主
离子注入
讲：毛 维
mwxidian@ 西安电子科技大学微电子学院
第3次作业
1.已知硅n型外延层的掺杂浓度为1.5×1016cm-3。现用 硼离子注入形成基区，其能量为60keV。若注入剂量
为1×1015cm-2，试求注入的峰值浓度、结深、及注入 离子的平均浓度（假定为对称的高斯分布）。
2.已知硅n型外延层的掺杂浓度为1.5×1016cm-3。现通过 注入B+来制作集电结，要求掺杂的峰值浓度达到 2×1019cm-3，结深0.4μm。试估算入射离子所需要的 能量和剂量。
第四章离子注入
离子/cm2）内变化,且在此范围内精度可控制 到±1％。与此相反,在扩散系统中,高浓度时 杂质浓度的精度最多控制到 5 － 10 ％ , 低浓度 时比这更差。
3、离子注入时，衬底一般是保持在室温或温
度不高（≤ 400℃）， 因此，可用各种掩模 （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 面。
在 x = RP 的两侧，注入离子浓度对称地下降， 且下降速度越来越快： 峰值附近与实际分布符合较 好，当离峰值位置较远时，有较 大偏离。
注入离子的二维分布
注入离子的真实分布
真实分布非常复杂，不 服从严格的高斯分布 硼比硅原子质量轻得多， 硼离子注入就会有较多 的大角度散射。被反向 散射的硼离子数量也会 增多，因而分布在峰值 位置与表面一侧的离子 数量大于峰值位置的另 一侧，不服从严格的高 斯分布。 砷等重离子和硼轻离子 的分布正好相反。
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
实践表明，沟道效应与多种因素有关，包括：
单晶靶的取向 离子的注入方向 离子的注入能量 注入时的靶温
注入剂量
将沟道效应降低到最小：
a. 在晶体上覆盖一层非晶体的表面层：常用非晶覆盖材料是一 层薄氧化层。使离子束方向随机化，离子以不同角度进入晶片； b. 将晶片晶向偏转：大部分注入系统将硅片倾斜7°，并从平边 扭转22°； c. 在晶片表面制作一个损伤层：在晶片表面注入大量硅或锗可 以损伤晶片表面，在晶片表面产生一个随机层。
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
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)
§4离子注入工艺
2019/11/17
9
当具有高能量的离子注入到固体靶面以 后，这些高能粒子将与固体靶面的原子与电 子进行多次碰撞，这些碰撞将逐步削弱粒子 的能量，最后由于能量消失而停止运动，新 城形成一定的杂质分布。
同时，注入离子和晶格原子相互作用， 那些吸收了离子能量的电子，可能激发或从 原子之内游离，形成二次电子。
2019/11/17
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在一般情况下，杂质浓度最大值在距离 表面0.1um处，其分布有一点像高斯分布， 是由于杂质被电场加速注入到硅片内后，受 到硅原子的阻挡，使其动能完全消失，停留 在原位。但由于杂质离子具有的能量是不均 匀的，也就是使杂质离子的能量有大有小， 这样就形成了按一定的曲线分布，能量大和 能量小的都是少数，而能量近似相等的居多 数。当然注入后，能量最大的注入深，能量 小的注入浅。
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2．硼的退火特性
1 区单调上升：点缺陷、
陷井缺陷消除、自由 载流子增加
2 区出现反退火特性： 代位硼减少，淀积在 位错上
3 区单调上升
剂量越大，所需退火 温度越高。
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3．磷的退火特性
杂质浓度达1015以上时出 现无定形硅退火温度达到
600℃～800℃
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基个概念：
（1）靶：被掺杂的材料。 （2）一束离子轰击靶时，其中一部分
离子在靶面就被反射，不能进入靶内， 称这部分离子为散射离子，进入靶内的 离子成为注入离子。 （3）非晶靶成为无定形靶，本章所涉 及道德靶材料，都是按无定形来考虑。
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三、离子注入原理
“离子” 是一种经离化的原子和分子，也称
“等离子体”，它带有一定量的电荷。“等离子 发生器”已广泛应用到CVD、金属镀膜、干法刻 蚀、光刻胶的去除等工艺中，而在离子注入的设 备中，它被用来制造工艺所要注入的离子。因为 离子带电荷，可以用加速场进行加速，并且借助 于磁场来改变离子的运动方向。当经加速后的离 子碰撞一个固体靶面之后，离子与靶面的原子将 经历各种不同的交互作用，如果离子“够重”， 则大多数离子将进入固体里面去。反之，许多离 子将被靶面发射。
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。
04离子注入技术讲解
Buried Implanted Layer
Retrograde wells n-well p Epi layer p+ Buried layer p+ Silicon substrate
p-well
埋层注入，替代埋层扩散和外延
Retrograde Well
n-type dopant n-well p-type dopant p-well
– 能量损失(P.106~107)
– 注入离子的分布N（x）（无电子散射） 注入剂量0（atom/cm-2），射程：Rp 标准偏差Rp
Scanning disk with wafers
Sampling slit in disk
Ion beam
Suppressor aperture Faraday cup
– 平均射程
Rp
Page 107
– 多能量、多剂量注入
– 4.1.2. 设备
Analyzing Magnet
Ion source Extraction assembly Analyzing magnet
Ion beam
Lighter ions
Neutrals Heavy ions Graphite
Current integrator
Scanning direction
– 对于无定型材料， – 有：
N ( x)
2 x Rp 0 1 exp R 2 2 R p p
为高斯分布
2 MiMt R p R p 3 Mi Mt
Figure 17.14
4.2. 沟道效应和卢瑟福背散射 6. 2. 1.沟道效应
集成电路工艺基础——04离子注入[可修改版ppt]
![集成电路工艺基础——04离子注入[可修改版ppt]](https://img.taocdn.com/s3/m/2bb1a6277c1cfad6185fa72f.png)
集成电路工艺基 础——04离子注入
离子注入应用
❖隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断 ❖调整阈值电压用的沟道掺杂 ❖CMOS阱的形成 ❖浅结的制备
在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为 一种主流技术。
离子注入系统的原理示意图
使带电粒子偏转，分出中性粒子流 中性束路径
类似电视机，让束流上下来回的对圆片扫描
❖ 一个离子在停止前所经过的总路程，称为射程R ❖ R在入射轴方向上的投影称为投影射程Xp ❖ R在垂直入射方向的投影称为射程横向分量Xt
❖平均投影射程Rp： 所有入射离子的投影 射程的平均值 ❖标准偏差：
注入离子在无定形靶中的分布
❖ 对于无定形靶（SiO2、Si3N4、光刻胶等），注入离子的 纵向分布可用高斯函数表示：
n(x)N exp1[(xRp)2]
max
2 R
p
其中：
N
N s
0.4Ns
max 2R R
p
p
注入离子在无定形靶中的分布
❖横向分布（高斯分布）
▪ 入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布 ▪ 横向渗透远小于热扩散
注入离子在无定形靶中的分布
❖ 高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。
▪ 轻离子/重离子入射对高斯分布的影响 ▪ 实践中，用高斯分布快速估算注入离子在靶材料中的
❖ 注入离子在靶内能量损失方式
▪ 电子碰撞(注入离子与靶原子周围电子云的碰撞）
• 能瞬时形成电子-空穴对 • 两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，
散射角度也小，虽然经过多次散射，注入离子运动方 向基本不变。电子则被激发至更高的能级（激发）或 脱离原子（电离）。
4.2 注入离子在无定形靶中的分布
▪ 离子方向=沟道方向时………离子因为没有碰到晶格 而长驱直入………
离子注入应用
❖隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断 ❖调整阈值电压用的沟道掺杂 ❖CMOS阱的形成 ❖浅结的制备
在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为 一种主流技术。
离子注入系统的原理示意图
使带电粒子偏转，分出中性粒子流 中性束路径
类似电视机，让束流上下来回的对圆片扫描
❖ 一个离子在停止前所经过的总路程，称为射程R ❖ R在入射轴方向上的投影称为投影射程Xp ❖ R在垂直入射方向的投影称为射程横向分量Xt
❖平均投影射程Rp： 所有入射离子的投影 射程的平均值 ❖标准偏差：
注入离子在无定形靶中的分布
❖ 对于无定形靶（SiO2、Si3N4、光刻胶等），注入离子的 纵向分布可用高斯函数表示：
n(x)N exp1[(xRp)2]
max
2 R
p
其中：
N
N s
0.4Ns
max 2R R
p
p
注入离子在无定形靶中的分布
❖横向分布（高斯分布）
▪ 入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布 ▪ 横向渗透远小于热扩散
注入离子在无定形靶中的分布
❖ 高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。
▪ 轻离子/重离子入射对高斯分布的影响 ▪ 实践中，用高斯分布快速估算注入离子在靶材料中的
❖ 注入离子在靶内能量损失方式
▪ 电子碰撞(注入离子与靶原子周围电子云的碰撞）
• 能瞬时形成电子-空穴对 • 两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，
散射角度也小，虽然经过多次散射，注入离子运动方 向基本不变。电子则被激发至更高的能级（激发）或 脱离原子（电离）。
4.2 注入离子在无定形靶中的分布
▪ 离子方向=沟道方向时………离子因为没有碰到晶格 而长驱直入………
离子注入
注入离子的投影射程Rp=0.43 mm 投影射程标准偏差Rp0.086 mm 1) 试估算峰值浓度、结深 2) 如注入时间为1分钟，估算所需束流。
东华理工大学机电学院
【解】1) 峰值浓度
Nmax=0.4Ns/Rp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019 cm-3
衬底浓度nB＝2×1016 cm-3
x Rp 2Rp
2
Ns：为离子注入剂量（Dose）, 单位为 ions/cm2， 可以从测量积分束流得到
东华理工大学机电学院
Ns可以精确控制
N s
1 A
I dt q
A为注入面积，I为硅片背面搜集到的束 流（Farady Cup），t为积分时间，q为 离子所带的电荷。 I＝0.01 mA～mA
例如：当A＝20×20 cm2，I＝0.1 mA时，
NS I 1.56109 atoms/cm2s t Aq
而对于一般NMOS的VT调节的剂量为：B＋ 1-5×1012 cm-2 注入时间为~30分钟
对比一下：如果采用预淀积扩散（1000 C），表面浓度
为固溶度1020 cm-3时，
D～10-14 元素原子或携带该元 素的分子经离化变成带电离 子
在强电场中加速，获得较高 的动能后，射入材料表层 （靶）
以改变这种材料表层的物理
东华理工大学机电学院
离子注入
将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程，注入能量 介于1KeV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm～10um。 离子剂量变动范围，从用于阈值电压调整的1012/cm2到形 成绝缘埋层的1018/cm2。
Z1Z2
m1 eV cm2
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【解】1) 峰值浓度
Nmax=0.4Ns/Rp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019 cm-3
衬底浓度nB＝2×1016 cm-3
x Rp 2Rp
2
Ns：为离子注入剂量（Dose）, 单位为 ions/cm2， 可以从测量积分束流得到
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Ns可以精确控制
N s
1 A
I dt q
A为注入面积，I为硅片背面搜集到的束 流（Farady Cup），t为积分时间，q为 离子所带的电荷。 I＝0.01 mA～mA
例如：当A＝20×20 cm2，I＝0.1 mA时，
NS I 1.56109 atoms/cm2s t Aq
而对于一般NMOS的VT调节的剂量为：B＋ 1-5×1012 cm-2 注入时间为~30分钟
对比一下：如果采用预淀积扩散（1000 C），表面浓度
为固溶度1020 cm-3时，
D～10-14 元素原子或携带该元 素的分子经离化变成带电离 子
在强电场中加速，获得较高 的动能后，射入材料表层 （靶）
以改变这种材料表层的物理
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离子注入
将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程，注入能量 介于1KeV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm～10um。 离子剂量变动范围，从用于阈值电压调整的1012/cm2到形 成绝缘埋层的1018/cm2。
Z1Z2
m1 eV cm2
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第四章离子注入作业
1、离子注入定义：离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质。
2、离子注入工艺相比扩散工艺具有以下优点：
(1)、可以在较低的温度下，将各种杂质掺入不同的半导体中。
(2)、能精确地控制掺入硅片内部杂质的浓度分布和注入深度。
(3)、可以实现大面积的均匀掺杂，而且重复性好。
(4)、掺入杂质纯度高。
(5)、由于注入杂质的直射性，杂质的横向扩散小。
(6)、可以得到理想的杂质分布。
(7)、工艺条件容易控制。
(8)、没有固溶度极限。
注入杂质含量不受硅片固溶度限制。
4、一般横向扩散结深＝(0.75～0.85)×Xj(Xj为纵向结深)
7、阻止机制：材料对入射离子的阻止能量的大小用阻止机制来衡量。
阻止机制表示离子在靶内受到阻止的概率。
1963年，Lindhard, Scharff and Schiott首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称LSS理论。
LSS理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程
电子阻止机制：来自原子之间的电子阻止，属于非弹性碰撞。
核阻止机制：来自原子核之间的碰撞，属于原子核之间的弹性碰撞。
总能量损失为两者的和
9、核碰撞特点：入射离子与晶格原子的原子核发生碰撞，散射显著、引起晶格结构的损坏。
电子碰撞特点：入射电子与晶格原子的电子发生碰撞，入射离子的路径几乎不变、能量传输小、晶格结构的损坏可以忽略不计。
11、非局部电子阻止不改变入射离子要点方向；局部电子阻止电荷/动量交换导致入射离子运动方向的改变（ 核间作用）。
电子阻止本领和入射离子的能量的平方根成正比。
核阻止机制在低能量下起主要作用；电子阻止机制在高能量下起主要作用。
12、入射离子的浓度分布
理论计算表明，在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶内的纵向浓度分布可取高斯函数形式。
13、什么是横向效应？
横向效应指的是注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况。
横向效应不但和入射离子的种类有关，还和入射能量有关。
横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。
15、离子注入的沟道效应
沟道效应: 当离子沿晶轴方向入射时，大部分离子将沿沟道运动，不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远。
17、离子注入的晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞，可能使靶原子发生位移，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的空位－间隙原子对及其它类型晶格无序的分布。
这种因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。
21、损伤程度和下面因素有关：注入剂量和离子的质量数。
22、为什么离子注入后要进行损伤退火？损伤退火的目的是什么？
注入后的半导体材料：杂质处于间隙n<<N D；p<<N A，离子注入后造成晶格损伤，引起迁移率下降和少子寿命下降。
损伤退火的目的：
①去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构
②让杂质进入电活性（electrically active）位置－替位位置。
③恢复电子和空穴迁移率。
注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布。