第四章离子注入7
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❖ 2、注入的剂量可在很宽的范围（1011－1017 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。
高能的离子由于与衬底中电子和原子的碰撞而失 去能量，最后停在晶格内某一深度，同时由于离子 碰撞引起半导体晶格断裂或损伤，因此，在后续过 程中，需要采用退火工艺去除损伤。
离子注入机结构
离子注入有别于扩散工艺的特点表现在以下几 个方面： ❖ 1、可以用质量分析系统获得单一能量的高纯
杂质原子束，没有沾污。因此，一台注入机 可用于多种杂质。此外，注入过程是在真空 下即在本身是清洁的气氛中进行的。
4.2 注入离子的浓度分布
❖ 纵向浓度分布：可用高斯函数表示：
❖
（4.15）
❖ 在电场作用下，杂质 离子获得能量，但杂 质离子的能量是按几 率分布的，各个杂质 离子的动能并不完全 相同，大部分是能量 居中的，还有一少部 分能量大和能量小的 离子。
❖ 横向效应：是注入离子在垂直入射方向的平 面内的分布情况。
图4-12
沟道效应
❖ 入射离子的阻挡作用与晶体取向有关,
❖ 沟道效应：离子注入的方向与靶晶体的某个
晶向平行时，就会出现沟道效应。 ❖ 离子进入沟道时，沟道中的电子密度低，沿
沟道前进阻力小，射程要大得多。控制注入 离子的浓度分布较困难。
4.3 注入损伤与热退火
❖ 高能离子注入半导体靶时，发生核碰撞，如 果靶原子获得的能量大于束缚能，就会离开 晶格位置，进入晶格间隙，形成空位与间隙 原子。
❖ 由于损伤情况不同，各种器件对电学参数恢 复程度的要求又不相同，所以退火的条件和 退火的方式也不同。
❖ 为什么通过热退火可以使晶格损伤得到恢复？
❖ 以硅为例，把欲退火的硅片，在真空或在氮、 氩等高纯气体的保护下，加热到某一温度进行 热处理。
❖ 由于硅片处于较高的温度，原子振动能增大， 因而移动能力加强，可使复杂的损伤分解为点 缺陷或者其他形式的简单缺陷（空位、间隙原 子）。这些结构简单的缺陷，在热处理温度下 能以较高的迁移率移动，当它们 互相靠近时， 就可能复合使缺陷消失。
❖ 1963年，林华德、沙夫、希奥特，首先确立 了注入离子在靶内的能量损失分为两个过程： 核碰撞和电子碰撞，总能量的损失为它们的 总和。
❖ 核碰撞：指注入离子与靶内原子核之间的相
互碰撞。由于入射离子与靶原子的质量一般 为同一数量级，因此每次碰撞后，注入离子 发生大角度的散射，并失去一定的能量，如 果靶原子获得的能量大于束缚能，就会离开 晶格位置，进入晶格间隙，留下空位，形成 缺陷.
基本概念
❖ 靶：被掺杂的材料称为靶 ❖ 散射离子：一束离子轰击靶时，其中一部分离
子在靶表面就被反射了，不能进入的离子称散 射离子。 ❖ 注入离子：进入靶内的离子称注入离子
4.1 核碰撞和电子碰撞
❖ 离子注入不仅要考虑注入离子与靶内自由电 子和束缚电子的相互作用，而且与靶内原子 核的相互作用也必须考虑。
❖ 核阻止：注入离子与靶内原子核碰撞能量的损失
❖
图(4.2)
❖ 低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加，而在某 个中等能量达到最大值，在高能量时，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，所以 核阻止变小。
❖ 电子碰撞：指注入离子与靶内自由电子以及
束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬间形成 电子空穴对。由于两者的质量相差很大，每 次碰撞注入离子能量损失小，散射角度小， 运动方向基本不变。
❖ 这些缺陷的存在使半导体中的载流子的迁移 率下降，少子寿命缩短，从而影响器件的相 能。
❖ 注入离子的很大部分并不正好处于晶格格点 上，它们没有电活性，为了消除缺陷并激活 注入的离子，注入后，必须进行退火。
热退火
❖ 如果将注入有离子的硅片在一定温度下，经 过适当时间的热处理，则硅片的损伤就可能 部分或绝大部分得到消除，少数载流子的寿 命以及迁移率也会得到恢复，掺入的杂质也 将得到一定比例的电激活，这样的处理过程 称热退火。
第四章 离子注入
பைடு நூலகம்
❖ 离子注入技术是20世纪60年代开 始发展起来的掺杂工艺,它在很多方 面都优于扩散工艺.由于采用了离子 注入技术,推动集成电路的发展,从 而使集成电路进入了超大规模.
❖ 扩散是一个化学过程,离子注入是一个物理过程.
❖ 所谓离子注入技术，就是将需要作为掺杂剂的元素 原子离化，转变为离子，并将其加速到一定能量 （50--500keV）后，注入到晶片表面，以改变晶片 表面的物理和化学性质。
就象用枪将子弹打入墙中一样．子弹从枪中获 取是量的动量，射入到墙体内停下．离子注入过程 中发生相同的情形，替代子弹的是离子，掺杂原子 被离化、分离、加速形成离子束流，注入衬底Si片 中，进入表面并在表面以下停下。
❖ 系统：离子注入机 源：采用气态源、固态源，大部分氟化物
PF5,AsF5,BF3 过程：通过加热分解气态源，使其成为带电离子 P+，B+，As+,通过加速管，使它们在管内被电场加 速到高能状态，注入到Si片中。
❖ 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。
❖ 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子
浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶 格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质 浓度可以不受固溶度的限制。 ❖ 6、离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所 引起的热缺陷。 ❖ 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的 图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器 件特征尺寸缩小。 ❖ 8、离子注入是通过硅表面的薄膜入射到硅中， 该膜起到了保护作用，防止污染。 ❖ 9、容易实现化合物半导体材料的掺杂。
❖ 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。
高能的离子由于与衬底中电子和原子的碰撞而失 去能量，最后停在晶格内某一深度，同时由于离子 碰撞引起半导体晶格断裂或损伤，因此，在后续过 程中，需要采用退火工艺去除损伤。
离子注入机结构
离子注入有别于扩散工艺的特点表现在以下几 个方面： ❖ 1、可以用质量分析系统获得单一能量的高纯
杂质原子束，没有沾污。因此，一台注入机 可用于多种杂质。此外，注入过程是在真空 下即在本身是清洁的气氛中进行的。
4.2 注入离子的浓度分布
❖ 纵向浓度分布：可用高斯函数表示：
❖
（4.15）
❖ 在电场作用下，杂质 离子获得能量，但杂 质离子的能量是按几 率分布的，各个杂质 离子的动能并不完全 相同，大部分是能量 居中的，还有一少部 分能量大和能量小的 离子。
❖ 横向效应：是注入离子在垂直入射方向的平 面内的分布情况。
图4-12
沟道效应
❖ 入射离子的阻挡作用与晶体取向有关,
❖ 沟道效应：离子注入的方向与靶晶体的某个
晶向平行时，就会出现沟道效应。 ❖ 离子进入沟道时，沟道中的电子密度低，沿
沟道前进阻力小，射程要大得多。控制注入 离子的浓度分布较困难。
4.3 注入损伤与热退火
❖ 高能离子注入半导体靶时，发生核碰撞，如 果靶原子获得的能量大于束缚能，就会离开 晶格位置，进入晶格间隙，形成空位与间隙 原子。
❖ 由于损伤情况不同，各种器件对电学参数恢 复程度的要求又不相同，所以退火的条件和 退火的方式也不同。
❖ 为什么通过热退火可以使晶格损伤得到恢复？
❖ 以硅为例，把欲退火的硅片，在真空或在氮、 氩等高纯气体的保护下，加热到某一温度进行 热处理。
❖ 由于硅片处于较高的温度，原子振动能增大， 因而移动能力加强，可使复杂的损伤分解为点 缺陷或者其他形式的简单缺陷（空位、间隙原 子）。这些结构简单的缺陷，在热处理温度下 能以较高的迁移率移动，当它们 互相靠近时， 就可能复合使缺陷消失。
❖ 1963年，林华德、沙夫、希奥特，首先确立 了注入离子在靶内的能量损失分为两个过程： 核碰撞和电子碰撞，总能量的损失为它们的 总和。
❖ 核碰撞：指注入离子与靶内原子核之间的相
互碰撞。由于入射离子与靶原子的质量一般 为同一数量级，因此每次碰撞后，注入离子 发生大角度的散射，并失去一定的能量，如 果靶原子获得的能量大于束缚能，就会离开 晶格位置，进入晶格间隙，留下空位，形成 缺陷.
基本概念
❖ 靶：被掺杂的材料称为靶 ❖ 散射离子：一束离子轰击靶时，其中一部分离
子在靶表面就被反射了，不能进入的离子称散 射离子。 ❖ 注入离子：进入靶内的离子称注入离子
4.1 核碰撞和电子碰撞
❖ 离子注入不仅要考虑注入离子与靶内自由电 子和束缚电子的相互作用，而且与靶内原子 核的相互作用也必须考虑。
❖ 核阻止：注入离子与靶内原子核碰撞能量的损失
❖
图(4.2)
❖ 低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加，而在某 个中等能量达到最大值，在高能量时，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，所以 核阻止变小。
❖ 电子碰撞：指注入离子与靶内自由电子以及
束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬间形成 电子空穴对。由于两者的质量相差很大，每 次碰撞注入离子能量损失小，散射角度小， 运动方向基本不变。
❖ 这些缺陷的存在使半导体中的载流子的迁移 率下降，少子寿命缩短，从而影响器件的相 能。
❖ 注入离子的很大部分并不正好处于晶格格点 上，它们没有电活性，为了消除缺陷并激活 注入的离子，注入后，必须进行退火。
热退火
❖ 如果将注入有离子的硅片在一定温度下，经 过适当时间的热处理，则硅片的损伤就可能 部分或绝大部分得到消除，少数载流子的寿 命以及迁移率也会得到恢复，掺入的杂质也 将得到一定比例的电激活，这样的处理过程 称热退火。
第四章 离子注入
பைடு நூலகம்
❖ 离子注入技术是20世纪60年代开 始发展起来的掺杂工艺,它在很多方 面都优于扩散工艺.由于采用了离子 注入技术,推动集成电路的发展,从 而使集成电路进入了超大规模.
❖ 扩散是一个化学过程,离子注入是一个物理过程.
❖ 所谓离子注入技术，就是将需要作为掺杂剂的元素 原子离化，转变为离子，并将其加速到一定能量 （50--500keV）后，注入到晶片表面，以改变晶片 表面的物理和化学性质。
就象用枪将子弹打入墙中一样．子弹从枪中获 取是量的动量，射入到墙体内停下．离子注入过程 中发生相同的情形，替代子弹的是离子，掺杂原子 被离化、分离、加速形成离子束流，注入衬底Si片 中，进入表面并在表面以下停下。
❖ 系统：离子注入机 源：采用气态源、固态源，大部分氟化物
PF5,AsF5,BF3 过程：通过加热分解气态源，使其成为带电离子 P+，B+，As+,通过加速管，使它们在管内被电场加 速到高能状态，注入到Si片中。
❖ 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。
❖ 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子
浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶 格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质 浓度可以不受固溶度的限制。 ❖ 6、离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所 引起的热缺陷。 ❖ 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的 图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器 件特征尺寸缩小。 ❖ 8、离子注入是通过硅表面的薄膜入射到硅中， 该膜起到了保护作用，防止污染。 ❖ 9、容易实现化合物半导体材料的掺杂。