离子注入ppt课件
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离子注入技术ppt课件
Z 1 Z 2
M 1 e V c m 2
Z 1 23 Z 2 23M 1 M 2
忽略外围电子屏蔽作用，注入
离子与靶内原子之间势函数：
M——原子序数
下标1——离子 下标2——靶
整理版课件
10
核碰撞
考虑电子屏蔽时离子
与靶核之间相互作用势 函数
最简屏蔽函数
f
r
表面非晶层对于沟道效应的作用
Boron implant into SiO2
Boron implant into Si
整理版课件
27
减少沟道效应的措施
❖ 对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离7－10o
❖ 用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化， 形成非晶层（Pre-amorphization）
1
R bM
2
M1
b ——E 和R 的缓慢变化函数
RP
2 M1M2 3整M理1版课件M2
RP
M1>M2; b=1/3
19
纵向分布
离子注入的实际浓度分布用高斯函数表示
n(x) 2QT Rpexp12xRRpp2
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
n(Rp)Nmax
QT
2Rp
单位面积注入的离子总数 QT 2NmaxRp
离子注入的基本过程
❖ 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
❖ 注入材料表层（靶）以
改变这种材料表层的物
理或化学性质
整理版课件
3
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（1011-1017 cm-2）和能量（5-500 keV）来达到
硅集成电路工艺——离子注入PPT课件
第9页/共35页
• 沟道效应的概念（见书） • 沟道效应的消除方法：
• 使晶体的主轴方向偏离注入方向（7度左右，阴影现象） • 在晶体表面覆盖介质膜，散射后改变注入离子的方向 • 表面预非晶化（注入锗）
第10页/共35页
第11页/共35页
第12页/共35页
§4.3 离子注入系统
第13页/共35页
§4.5 热退火 Thermal Annealing
晶格损伤的危害： • 增加散射中心，使载流子迁移率下降 • 增加缺陷中心，使非平衡少数载流子寿命减少，pn结漏电流增大 • 注入离子大多处于间隙位置，起不到施主或者受主的作用，晶格损伤造成的破坏
使之更难处于替位位置，非晶区的形成更使得注入的杂质根本起不到作用。
终端台
1. 扫描器 • 靶静止，离子束X,Y向运动 • 靶X向移动，离子束Y向移动 • 离子束静止，靶X,Y向移动
.
第18页/共35页
2. 偏束板 • 离子束在运动过程中可以和热电子发生电荷交换，形
成中性粒子，影响注入均匀性 • 加入静电偏转电极，一般5度左右，中性束不能偏转
而去除
第19页/共35页
离子束中和系统
第20页/共35页
3. 靶室（工作室） • 样品架 • 法拉第杯（控制注入剂量）
第21页/共35页
§4.4 注入损伤
• 级联碰撞： 不同能量的注入离子与靶原子发生碰撞的情况：
• E<Ed，不会产生移位原子，表现形式为宏观热能； • Ed<E<2Ed，产生一个移位原子和一个空位； • E>2Ed，被撞原子本身移位之后，还有足够高的能量
第29页/共35页
第30页/共35页
第31页/共35页
快速退火 Rapid Thermal Annealing (RTA) • 普通热退火需要经过长时间的高温过程，会导致明显的杂
• 沟道效应的概念（见书） • 沟道效应的消除方法：
• 使晶体的主轴方向偏离注入方向（7度左右，阴影现象） • 在晶体表面覆盖介质膜，散射后改变注入离子的方向 • 表面预非晶化（注入锗）
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§4.3 离子注入系统
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§4.5 热退火 Thermal Annealing
晶格损伤的危害： • 增加散射中心，使载流子迁移率下降 • 增加缺陷中心，使非平衡少数载流子寿命减少，pn结漏电流增大 • 注入离子大多处于间隙位置，起不到施主或者受主的作用，晶格损伤造成的破坏
使之更难处于替位位置，非晶区的形成更使得注入的杂质根本起不到作用。
终端台
1. 扫描器 • 靶静止，离子束X,Y向运动 • 靶X向移动，离子束Y向移动 • 离子束静止，靶X,Y向移动
.
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2. 偏束板 • 离子束在运动过程中可以和热电子发生电荷交换，形
成中性粒子，影响注入均匀性 • 加入静电偏转电极，一般5度左右，中性束不能偏转
而去除
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离子束中和系统
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3. 靶室（工作室） • 样品架 • 法拉第杯（控制注入剂量）
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§4.4 注入损伤
• 级联碰撞： 不同能量的注入离子与靶原子发生碰撞的情况：
• E<Ed，不会产生移位原子，表现形式为宏观热能； • Ed<E<2Ed，产生一个移位原子和一个空位； • E>2Ed，被撞原子本身移位之后，还有足够高的能量
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快速退火 Rapid Thermal Annealing (RTA) • 普通热退火需要经过长时间的高温过程，会导致明显的杂
离子注入ppt课件
在硅中进行高能量氧离子注入，经高温处理后形 成SOI结构（silicon on insulator）
SOI结构SEM照片
36
4.5 离子注入设备
离子注入机主要由以下5个部分组成
1. 离子源 2. 引出电极（吸极）和离子分析器 3. 加速管 4. 扫描系统 5. 工艺室
37
离子注入系统
27
深埋层注入
高能（大于200KEV）离子注入，深埋层的作用： 控制CMOS的闩锁效应
28
倒掺杂阱注入
高能量离子注入使阱中较深处杂质浓度较大，倒 掺杂阱改进CMOS器件的抗闩锁能力。
29
穿通阻挡层注入
作用：防止亚微米及以下的短沟道器件源漏穿通， 保证源漏耐压。
30
阈值电压调整注入
RP
283
443 556 641 710 766 813 854 890
P
RP
253
486
730 891 1238 1497 1757 2019 2279
RP
119
212 298 380 456 528 595 659 719
As
RP
159
269 374 478 582 686 791 898 1005
分析磁体
41
3. 加速管
加速管用来加速正离子以获得更高的速度（即动 能）。
加速管
42
4. 扫描系统
用于使离子束沿 x、y 方向在一定面积内进行扫描。 束斑 中束流的束斑：1cm2 大束流的束斑：3cm2 扫描方式 固定硅片、移动束斑（中、小束流） 固定束斑、移动硅片（大束流） 扫描种类：静电扫描、机械扫描、混合扫描、平
1202
SOI结构SEM照片
36
4.5 离子注入设备
离子注入机主要由以下5个部分组成
1. 离子源 2. 引出电极（吸极）和离子分析器 3. 加速管 4. 扫描系统 5. 工艺室
37
离子注入系统
27
深埋层注入
高能（大于200KEV）离子注入，深埋层的作用： 控制CMOS的闩锁效应
28
倒掺杂阱注入
高能量离子注入使阱中较深处杂质浓度较大，倒 掺杂阱改进CMOS器件的抗闩锁能力。
29
穿通阻挡层注入
作用：防止亚微米及以下的短沟道器件源漏穿通， 保证源漏耐压。
30
阈值电压调整注入
RP
283
443 556 641 710 766 813 854 890
P
RP
253
486
730 891 1238 1497 1757 2019 2279
RP
119
212 298 380 456 528 595 659 719
As
RP
159
269 374 478 582 686 791 898 1005
分析磁体
41
3. 加速管
加速管用来加速正离子以获得更高的速度（即动 能）。
加速管
42
4. 扫描系统
用于使离子束沿 x、y 方向在一定面积内进行扫描。 束斑 中束流的束斑：1cm2 大束流的束斑：3cm2 扫描方式 固定硅片、移动束斑（中、小束流） 固定束斑、移动硅片（大束流） 扫描种类：静电扫描、机械扫描、混合扫描、平
1202
离子注入获奖课件
Typical implant voltages: 50~200 KeV, the trend is to lower voltages.
Typical implant dose: 1011~1016 cm2.
离子注入
二、离子注入旳特点
离子经加速，到达半导体表面； 离子经过碰撞损失能量，停留在不同深度旳位置， 此位置与离子能量有关；
Si Displaced Si ato去m 一定旳能量。靶原子也因碰撞 Si Si Si 而取核得碰能撞量，假如取得旳能量不
小于原注子入束离缚子能与，靶就内会原离子开核原间来
所旳在碰晶撞格。位置，进入晶格间隙，
并留下一种空位，形成缺陷。
核碰撞和电子碰撞
核阻止本事：能够了解为能量为E旳一种注入离子，在单位
产生沟道效应旳原因 当离子注入旳方向=沟道方向时,离子因为没有遇到晶格
而长驱直入，故注入深度较大。
沟道效应产生旳影响 在不应该存在杂质旳深度发觉杂质。
离子注入旳沟道效应
离子注入旳通道效应
离子注入旳沟道效应
处理沟道效应旳措施
1.倾斜样品表面，晶体旳主轴方向偏离注入方向，经典值为7°； 2.先重轰击晶格表面，形成无定型层； 3.表面长二氧化硅、氮化硅、氧化铝无定型薄层。
一级近似下，核阻止本事与入射离子旳能量无关。
注入离子在无定形靶中旳分布
注入离子在靶内分布是与注入方向有着一定旳关系， 一般来说，粒子束旳注入方向与靶垂直方向旳夹角比较小。
注入离子在靶内受到旳碰撞是随机过程。假如注入旳 离子数量很小，它们在靶内旳分布是分散旳，但是大量注 入离子在靶内旳分布是按一定统计规律分布。
虽然晶体某个晶向平行于离子注入方向,但注入离子进入晶 体前,在无定形旳介质膜中屡次碰撞后已经偏离了入射方向,偏 离了晶向。
第4章IC工艺之离子注入ppt课件
Beam scan
Mask xj
Mask
Silicon substrate
a) Low dopant concentration (n–, p–) and shallow junction (xj)
Mask xj
Mask
Silicon substrate
b) High dopant concentration (n+, p+) and deep junction (xj)
Scanning disk with wafers
Suppressor aperture
Faraday cup
Ion beam
Current integrator
Scanning direction
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
( dE dx
） nuel
( dE dx
） e
R p ( E )
E 0
dE ( dE tot
）
E 0
dE S (E
)
dx
E
dE
0 Sn(E) Se(E)
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
– 4.3. 注入离子的激活与辐照损伤的消除
P.103~112 1）注入离子未处于替位位置 2）晶格原子被撞离格点
ET(M 4M i iM M tt） E0f()Ea
Ea为原子的位移阈能 大剂量——非晶化 临界剂量（P。111） 与什么因素有关？ 如何则量？
离子注入工艺PPT课件
2021/5/29
8
第8页/共53页
•
•
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。
As, N), 能量（keV）
2.单位面积注入电荷：Qss ＝I t /A, I：注 入束流，t: 时间，A：扫描面积（园片尺 寸）
3.单位面积注入离子数(剂量)N：s
Ns ＝ Qss/q =(I t) /(q A) 2 R
4.最大离子浓度：第22N页/M共5A3X页=
22
*注入离子分布
• •
N(x)=Nmax
2、可能沿某些方向由原子列包围成直通道－－沟道，离子进入沟道时，沿沟道前进阻力小，射程要大
得多。
2021/5/29
27
第27页/共53页
3、 沟道效应的存在，将使得对注入离子在深度上难以控制，尤其对大规模集成电路制造更带来麻烦。 如MOS器件的结深通常只有0.4um左右，有了这种沟道效应万一注入距离超过了预期的深度，就使元器件 失效。因此，在离子注入时，要考虑到这种沟道效应，也就是说要抑止这种现象的产生。
2021/5/29
5
第5页/共53页
• （8）离子往往是通过硅表面上的薄膜注入到硅中，因此硅表面上的薄膜 起到了保护膜作用
• （9）化合物半导体是两种或多种元素按 一定组分构成的，这种材料经 高温处理时，组分可能发生变化。采用离子注入技术，基本不存在上述问 题，因此容易实现对化合物半导体的掺杂
离子注入法介绍PPT课件
（2）已知离子注入时的注入束流I，靶面积A，注入时解第3步
计算杂质最大浓度：
求解第4步
写出杂质浓度分布公式：
第21页/共32页
4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（3）假设衬底为反型杂质，且浓度为NB，计算PN结结深 由N(xj)=NB 可得到结深计算公式：
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4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（4）根据分布公式，计算不同深度位置的杂质浓度
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5、实际杂质分布偏差描述的改善
■ 对于低浓度区的偏差，采用高斯分布的高次矩描述：
■ 对于硼的分布，采用Pearson IV分布描述。
■ 用蒙特卡洛法模拟杂质分布在 离子注入计算机模拟工具中十 分常见。
（2）质量分析器：
选择注入所需的杂质成分(B+)
■ 分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的速度方向
离子运动路径：
离子运动速率：
质量m+m的离子产生的位移量
■ 出口狭缝：只允许一种(m/q)的离子离开分析仪
第8页/共32页
第9页/共32页
（3）加速管：
加速离子，获得所需能量；高真空(<10-6 Torr)
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二、离子注入工艺设备及其原理
1、离子注入技术的三大基本要素：
(1) 离子的产生 (2) 离子的加速 (3) 离子的控制
2、离子注入系统的三大组成部分：
(1) 离子源——杂质离子的产生 (2) 加速管——杂质离子的加速 (3) 终端台——离子的控制
第4页/共32页
第5页/共32页
（1）离子源：
图5.8 常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系
第16页/共32页
离子注入工艺原理ppt课件
降速度越来越快。
7
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
RP
RP
P
RP
RP
As
RP
RP
20
714 276 255 90 151 34
40
1413 443 488 161 263 59
60
80
100 120 140 160
180
2074 2695 3275 3802 4284 4745 5177
溶解度的限制
4
离子注入的ห้องสมุดไป่ตู้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。
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
(2) 注入剂量增大，靶的晶格损伤越严重。
移位原子 移位阈能 能量淀积过程
12
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
13
（三）、离子注入参数 1、剂量
Q It qnA
Q : 剂量，原子数 / cm2 ；I : 束流，库仑 / 秒 n：每个离子的电荷数；A：注入面积
2、射程：离子穿越硅片的总距离
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。
19
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
7
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
RP
RP
P
RP
RP
As
RP
RP
20
714 276 255 90 151 34
40
1413 443 488 161 263 59
60
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100 120 140 160
180
2074 2695 3275 3802 4284 4745 5177
溶解度的限制
4
离子注入的ห้องสมุดไป่ตู้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。
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
(2) 注入剂量增大，靶的晶格损伤越严重。
移位原子 移位阈能 能量淀积过程
12
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
13
（三）、离子注入参数 1、剂量
Q It qnA
Q : 剂量，原子数 / cm2 ；I : 束流，库仑 / 秒 n：每个离子的电荷数；A：注入面积
2、射程：离子穿越硅片的总距离
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。
19
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
集成电路工艺基础——离子注入课件
2
通过离子注入技术，可以在光学材料中制造出各 种光电子器件，如激光器、光放大器、光调制器 等。
3
离子注入技术还可以用于制造光子晶体、光子集 成电路等新型光电子器件，提高光电子器件的性 能和集成度。
离子注入在传感器中的应用
传感器是实现智能化、自动化 的重要器件，离子注入技术在 传感器制造中也有着重要的应 用。
通过离子注入技术，可以在传 感器材料中制造出各种敏感元 件，如压力传感器、温度传感 器、气体传感器等。
离子注入技术还可以用于制造 生物传感器、化学传感器等新 型传感器，提高传感器的灵敏 度和稳定性。
CHAPTER
04
离子注入的未来发展
新型离子注入设备的研究
研发更高效、精确的 离子注入设备是未来 的重要研究方向。
与硅材料相比，化合物半导体材 料的离子注入工艺较为复杂，需
要更高的技术和设备条件。
离子注入化合物半导体材料在光 电子器件、高速电子器件和微波 器件等领域具有广泛的应用前景
。
离子注入金属材料
金属材料在集成电路制造中主要用于 互连线、电极和引脚的制造，离子注 入金属材料可以改变其表面特性和导 电性能。
离子注入硅材料的方法具有较高的精度和可重复性，可以实现对硅材料的微细加工 。
离子注入硅材料还可以提高硅材料的机械性能和化学稳定性，使其更适应于集成电 路制造中的各种工艺条件。
离子注入化合物半导体材料
化合物半导体材料是集成电路制 造中的另一种重要材料，离子注 入化合物半导体材料可以改变其
电子结构和光电性能。
开发具有自主知识产 权的离子注入设备， 打破国外技术垄断。
利用新材料和新技术 提高设备的稳定性和 可靠性，降低生产成 本。
离子注入与其他微纳加工技术的结合
离子注入最详细的PPT课件
两种质量分析器的比较 在 E B 质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出 的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器则相反，所需离 子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。
第29页/共131页
三、加速器 产生高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定 离子注入深度的一个重要参量。
Electrode
第32页/共131页
扫描系统
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全电扫描和混合扫描系统示意
全电 扫描
第34页/共131页
混合 扫描
六、工作室（靶室） 放置样品的地方，其位置可调。
第35页/共131页
七、离子束电流的测量
Sampling slit in disk
ayt 2
从上式消去时间 t ，并将 ay 代入，得
第23页/共131页
y
1 2
qs
B
2qsVa
1 2
qs
Vf d
z2 2qsVa
1 z2 4 Va
B
2qsVa
1
2
Vf d
由此可得偏转量 Db 为 Db y(Lf ) y(Lf )Ld
B
2qsVa
1 2
Vf d
1 4
L2f Va
LMIS 的类型、结构和发射机理
V形
针形 螺旋形
类 型
同轴形
毛细管形
液态金属 钨针
第13页/共131页
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。
半导体制造技术--离子注入工艺PPT课件( 134页)
• 引起一个不是想得到的掺杂物分部轮廓
多数的碰撞
非常少的碰撞
31
通道离子
碰撞离子
q
晶圆表面
通道效应
晶格原子
32
碰撞后的通道效应
碰撞的
通道的
碰撞的
q
晶圆表面
33
碰撞后的通道效应
碰撞
通道
碰撞
掺杂物浓度
到表面的距离
34
注入制程：通道效应
• 避免通道效应的方法
– 晶圆倾斜, 通常倾斜角度是7° – 屏蔽氧化层 – 硅或锗的非晶态注入制程
8
沉积掺杂氧化层
沉积掺杂氧化层 二氧化硅 硅基片
9
氧化
二氧化硅 硅基片
10
驱入
二氧化硅 硅基片
掺杂接面
11
剥除和清洗
二氧化硅 硅基片
掺杂接面
12
掺杂半导体：离子注入
• 用在原子和核的研究 • 1950年代观念便已被提出 • 在1970年代中期才被引进到半导体制造.
13
掺杂半导体：离子注入
• 离子能量控制接面深度 • 掺杂物浓度是非等向性
19
离子注入的应用
应用
掺杂
预先非晶化 深埋氧化层 多晶阻挡层
离子 N 型: 磷, 砷,锑 硅或锗
氧
氮
P 型: 硼
20
其他的应用
• 氧离子注入为了硅覆盖绝缘层(SOI)组件 • 锗预先非晶化注入在钛薄膜为较好的退
火 • 锗预先非晶化注入在硅基片做为轮廓控
• 阴影效应
– 离子被结构阻挡
• 藉旋转晶圆或在注入后退火期间的小量 掺杂物扩散解决阴影效应
35
阴影效应
离子束
多晶硅 基片
多数的碰撞
非常少的碰撞
31
通道离子
碰撞离子
q
晶圆表面
通道效应
晶格原子
32
碰撞后的通道效应
碰撞的
通道的
碰撞的
q
晶圆表面
33
碰撞后的通道效应
碰撞
通道
碰撞
掺杂物浓度
到表面的距离
34
注入制程：通道效应
• 避免通道效应的方法
– 晶圆倾斜, 通常倾斜角度是7° – 屏蔽氧化层 – 硅或锗的非晶态注入制程
8
沉积掺杂氧化层
沉积掺杂氧化层 二氧化硅 硅基片
9
氧化
二氧化硅 硅基片
10
驱入
二氧化硅 硅基片
掺杂接面
11
剥除和清洗
二氧化硅 硅基片
掺杂接面
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掺杂半导体：离子注入
• 用在原子和核的研究 • 1950年代观念便已被提出 • 在1970年代中期才被引进到半导体制造.
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掺杂半导体：离子注入
• 离子能量控制接面深度 • 掺杂物浓度是非等向性
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离子注入的应用
应用
掺杂
预先非晶化 深埋氧化层 多晶阻挡层
离子 N 型: 磷, 砷,锑 硅或锗
氧
氮
P 型: 硼
20
其他的应用
• 氧离子注入为了硅覆盖绝缘层(SOI)组件 • 锗预先非晶化注入在钛薄膜为较好的退
火 • 锗预先非晶化注入在硅基片做为轮廓控
• 阴影效应
– 离子被结构阻挡
• 藉旋转晶圆或在注入后退火期间的小量 掺杂物扩散解决阴影效应
35
阴影效应
离子束
多晶硅 基片
《离子注入技术》课件
离子注入技术可以用于处理有害气体和废水等污染物。
离子注入技术的基
02
本原理Biblioteka 离子注入的基本过程加速与引出
通过电场加速，使离子获得足 够的能量，以克服气体阻力和 其他障碍。
剂量控制
调整注入的离子数量，以达到 所需的注入剂量。
离子源
利用气体放电、电子束蒸发或 离子束溅射等方法产生离子。
导向与扫描
控制离子的运动轨迹，使其按 照预定的方式注入到材料中。
离子注入技术的发展历程
离子注入技术的起源可以追溯 到20世纪50年代初期，当时科 学家们开始研究如何将带电粒
子注入到固体材料中。
在20世纪70年代，随着半导体 工业的发展，离子注入技术在 半导体器件制造中得到了广泛
应用。
到了20世纪80年代，随着计算 机技术和微电子技术的快速发 展，离子注入技术在这些领域 的应用越来越广泛。
微电子器件制造
在微电子器件制造中，离 子注入用于实现N型和P型 掺杂，制造晶体管、二极 管等器件。
光电子器件制造
在光电子器件制造中，离 子注入用于改变材料的光 学性能，制造LED、激光 器等器件。
离子注入在半导体制造中的挑战与前景
设备成本高
离子注入设备成本较高，限制了其在中小企业的 应用。
环境影响小
加速管的性能参数包括加速电 压、加速距离和束流品质等。
扫描系统
01
扫描系统用于控制离子束的扫描范围和方式，实现 注入区域的均匀覆盖。
02
扫描系统通常采用电磁或静电方式控制离子束的扫 描。
03
扫描系统的性能参数包括扫描速度、覆盖范围和精 度等。
真空系统
真空系统用于提供高清洁度的环境， 保证离子束的传输和注入过程的稳定 性。
离子注入技术的基
02
本原理Biblioteka 离子注入的基本过程加速与引出
通过电场加速，使离子获得足 够的能量，以克服气体阻力和 其他障碍。
剂量控制
调整注入的离子数量，以达到 所需的注入剂量。
离子源
利用气体放电、电子束蒸发或 离子束溅射等方法产生离子。
导向与扫描
控制离子的运动轨迹，使其按 照预定的方式注入到材料中。
离子注入技术的发展历程
离子注入技术的起源可以追溯 到20世纪50年代初期，当时科 学家们开始研究如何将带电粒
子注入到固体材料中。
在20世纪70年代，随着半导体 工业的发展，离子注入技术在 半导体器件制造中得到了广泛
应用。
到了20世纪80年代，随着计算 机技术和微电子技术的快速发 展，离子注入技术在这些领域 的应用越来越广泛。
微电子器件制造
在微电子器件制造中，离 子注入用于实现N型和P型 掺杂，制造晶体管、二极 管等器件。
光电子器件制造
在光电子器件制造中，离 子注入用于改变材料的光 学性能，制造LED、激光 器等器件。
离子注入在半导体制造中的挑战与前景
设备成本高
离子注入设备成本较高，限制了其在中小企业的 应用。
环境影响小
加速管的性能参数包括加速电 压、加速距离和束流品质等。
扫描系统
01
扫描系统用于控制离子束的扫描范围和方式，实现 注入区域的均匀覆盖。
02
扫描系统通常采用电磁或静电方式控制离子束的扫 描。
03
扫描系统的性能参数包括扫描速度、覆盖范围和精 度等。
真空系统
真空系统用于提供高清洁度的环境， 保证离子束的传输和注入过程的稳定 性。
最新第四章离子注入PPT课件
❖ 注入材料表层（靶）以改变 这种材料表层的物理或化学 性质。
4.1离子注入设备与工艺
离子注入系统
离子注入系统： 应具备合适的可调能量范围和
束流强度，能满足多种离子的注入， 有好的注入均匀性以及无污染等性 能。
离子注入系统通常分为三部分： 离子源、加速器和终端台。
离子注入机 ❖ 源：采用气态源、固态源，大部分氟化物PF5,AsF5,BF3
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。
n(x)
QT
2Rp
exp1 2x RR pp
2
在一级近似情况下，高斯分布只在
峰值附近与实际分布符合较好
注入离子的二维分布
单位面积注入的离子总数 标准偏差与RP近似关系
n(Rp)Nmax
QT 2NmaxRp
QT
2Rp
Rp
2
M1M2
3M1 M2
Rp
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：
❖ 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。
4.1 核碰撞和电子碰撞（LSS理论）
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究
射程分布（LSS）理论 带有一定能量的入射离子在靶
材内同靶原子核和电子相碰撞，进 行能量交换，最后静止。
4.1离子注入设备与工艺
离子注入系统
离子注入系统： 应具备合适的可调能量范围和
束流强度，能满足多种离子的注入， 有好的注入均匀性以及无污染等性 能。
离子注入系统通常分为三部分： 离子源、加速器和终端台。
离子注入机 ❖ 源：采用气态源、固态源，大部分氟化物PF5,AsF5,BF3
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。
n(x)
QT
2Rp
exp1 2x RR pp
2
在一级近似情况下，高斯分布只在
峰值附近与实际分布符合较好
注入离子的二维分布
单位面积注入的离子总数 标准偏差与RP近似关系
n(Rp)Nmax
QT 2NmaxRp
QT
2Rp
Rp
2
M1M2
3M1 M2
Rp
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：
❖ 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。
4.1 核碰撞和电子碰撞（LSS理论）
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究
射程分布（LSS）理论 带有一定能量的入射离子在靶
材内同靶原子核和电子相碰撞，进 行能量交换，最后静止。
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3. 3.溅射源 对Ar离子溅射出的金属离子起弧电离，获得 等离子体，适合小束流高熔点金属离子注入
4. 4.蒸发源 对金属蒸汽起弧电离形成等离子体，适合低 熔点金属离子注入
5. 5. MEVVA源（金属蒸汽真空弧离子源）新型的强流 金属离子源，适合材料改性的无分析注入
Varian 注入机离子源
大束流离子源（160XP）
中束流离子源（CF-3000）
Eaton注入机 离子源
大束流离子源（8-10mA） 中束流离子源（NV-6200）
蒸发离子源的结构
磁分析器原理
设吸出电压为V，对电荷q的正离子，能量为qV(eV)。
EqV1m2v, v 2qV
2
m
经过磁场强度为B、方向与离子运动方向垂直的分析腔，
受到洛仑兹力qvB，该力使离子作圆周运动。有：
1.什么是离子注入？
离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面， 这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从 固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这 些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固 体材料以后，离子束与材料中的原子或分子将发生一 系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能 量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构 和性能发生变化，这一现象就叫做离子注入。 离子 注入可分为半导体离子注入（掺杂）、材料改性注入 （金属离子注入）和新材料合成注入。
离子注入工艺的特点
1. 低温工艺 2. 注入剂量可精确控制 3. 注入深度可控 4. 4.不受固溶度限制 5. 5.半导体掺杂注入需要退火以激 活杂质和消除损伤 6. 6.材料改性注入可不退火引入亚稳态获得特殊性能 7. 7.无公害技术 8. 8.可完成各种复合掺杂
离子注入的应用
1.P阱或N阱注入 ~10E12/cm2 2.阈值调整注入 ~10E11/cm2 3.场注入 ~10E12/cm2 4.源漏注入 ~10E15/cm2 5.隔离注入 ~10E15/cm2 6.基区注入 ~10E12/cm2 7.发射、收集区注入 ~10E15/cm2 8.智能剥离氢注入 ~10E16/cm2 9.材料改性注入 ~10E16/cm2 10. SOI埋层注入 ~10E17-10E18/cm2
先加速后分析注入机结构示意
பைடு நூலகம்
离子注入系统的原理示意图
国产中束流离子注入机
Vll Sta 810XEr 中束流注入机
20-80KeV 400-500W/h
Vll Sta 80HP 300mm 大束流注入 机
1-80KeV FOR 90nm IC process
VIISta 900XP 高能注入机
2m
R
当D大于束的宽度
加上出口狭缝的宽
度，就称两种质量
离子能分。通常采
用 =90磁铁，R
在1m左右。R大、
M小时分辨率高。
离子束的加速和扫描
对先加速后分析系统，由于待分析离子的能量高，要求 分析器有很大的半径。通常采用先分析后加速结构。加速 系统使离子获得需要的注入能量。
为了获得均匀的掺杂，常把注入束聚焦，并扫描，中、 小束流离子注入机X和Y方向都采用电扫描，大束流注入 机则采用混合扫描。大束流材料改性离子注入机采用无分 析系统，吸出离子束不聚焦，面积很大（直径在150mm200mm），没有扫描和偏转系统，采用靶台转动来提高 均匀性。对全方位离子注入机，样品的周围全部由等离子 体包围，适当转动样品使注入均匀性提高。
高能P阱注入机
2keV - 900keV
国产多功能离子改性注入机
无分析器 气体 金属 辅助 溅射 四种离子源
全方位离子注入
离子源的种类
1. 潘宁源 在阴极-阳极间起弧电离源气分子，获得等离 子体，适合小束流气体离子注入
2. 2.热灯丝源（Freeman源） 靠灯丝发射电子激发等 离子体，适合无氧气体离子的中小束流注入
影响分辨率的还有：
1. 吸出前源内离子的能量分散 对几keV的吸出电压， 10eV左右的分散度可以忽略。
2. 2.分析腔的出口宽度 分析腔的出口宽度实际上改变 了出射离子的半径，从而改变了荷质比。
对质量为m的离子，偏转半径为R，当质量为m+m
的离子，进入磁分析器后，离子束将产生的位移距离
为：
DRδm (1 co φ sLsiφn )
2.离子注入机的结构原理
离子注入机主要由以下几部分组成： 1. 离子源 在起弧室内产生等离子体 2. 2. 离子吸出系统 从源内引出离子束 3. 3. 磁分析系统 从引出离子束中偏析出所需注入束 4. 4. 加速系统 对注入离子束加速获得所需能量 5. 5. 聚焦、扫描、偏转系统 调控注入离子束 6. 6. 法拉第电荷计量系统 测控注入离子剂量 7. 7. 装片、注入、出片系统 完成离子注入工艺 8. 8. 真空系统 使束通道达到10-3-10-5Pa的真空度 9. 9. 冷却系统 对离子源、分析腔、注入靶等冷却
微电子工艺原理与技术
李金华
第二篇 单项工艺1
华山风光
第四章 离子注入
主要内容
1. 什么是离子注入？ 2. 离子注入机的结构原理； 3. 注入离子与衬底原子的相互作用； 4. 垂直投影射程及标准偏差； 5. 注入损伤及退火恢复； 6. 离子注入浅结的形成； 7. SOI埋成的离子注入合成； 8. 问题和关注点-沾污和均匀性； 9. 理论模拟。
全电扫描和混合扫描系统示意
全电 扫描
混合 扫描
离子束的偏转
离子在注入到硅片前，一般需要作二次偏转，目的是：
1.去除中性原子
在离子束的传输过程中，由于离子与残余气体分子的碰 撞等原因，离子俘获电子成中性原子，以原来的高速度 与离子一起运动。因为中性原子不带电，如果通过法拉 第电荷测量系统注入硅片，将会使实际注入剂量超出设 定剂量。所以为了保证注入剂量的正确，必须从注入束 中去除中性原子。方法是在X扫描板上加上固定的直流偏 压，带电的离子束将向负电板方向偏转。一般将根据扫 描板与法拉第筒的距离偏转角5-7°。使中性束完全不能
m2v
mv1 2m 1 m
qvr B, V ,B 2V
r
qBB q
rq
可见，偏转半径r与B成反比，与m成正比。对固定的离 子注入机，分析器半径r和吸出电压固定，调节B的大小 （励磁电流）即可分析出不同荷质比的离子。
BF3气源磁分析质谱
磁分析器的分辨率
注意： 同一荷质比的离子有相同的偏转半径，磁分析 器无法作出区分。要求源气有很高的纯度，尽量避免相 同荷质比离子出现。如：N2+ 和Si+，N+ 和Si++ ，H2+ 和 He++等。
4. 4.蒸发源 对金属蒸汽起弧电离形成等离子体，适合低 熔点金属离子注入
5. 5. MEVVA源（金属蒸汽真空弧离子源）新型的强流 金属离子源，适合材料改性的无分析注入
Varian 注入机离子源
大束流离子源（160XP）
中束流离子源（CF-3000）
Eaton注入机 离子源
大束流离子源（8-10mA） 中束流离子源（NV-6200）
蒸发离子源的结构
磁分析器原理
设吸出电压为V，对电荷q的正离子，能量为qV(eV)。
EqV1m2v, v 2qV
2
m
经过磁场强度为B、方向与离子运动方向垂直的分析腔，
受到洛仑兹力qvB，该力使离子作圆周运动。有：
1.什么是离子注入？
离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面， 这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从 固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这 些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固 体材料以后，离子束与材料中的原子或分子将发生一 系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能 量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构 和性能发生变化，这一现象就叫做离子注入。 离子 注入可分为半导体离子注入（掺杂）、材料改性注入 （金属离子注入）和新材料合成注入。
离子注入工艺的特点
1. 低温工艺 2. 注入剂量可精确控制 3. 注入深度可控 4. 4.不受固溶度限制 5. 5.半导体掺杂注入需要退火以激 活杂质和消除损伤 6. 6.材料改性注入可不退火引入亚稳态获得特殊性能 7. 7.无公害技术 8. 8.可完成各种复合掺杂
离子注入的应用
1.P阱或N阱注入 ~10E12/cm2 2.阈值调整注入 ~10E11/cm2 3.场注入 ~10E12/cm2 4.源漏注入 ~10E15/cm2 5.隔离注入 ~10E15/cm2 6.基区注入 ~10E12/cm2 7.发射、收集区注入 ~10E15/cm2 8.智能剥离氢注入 ~10E16/cm2 9.材料改性注入 ~10E16/cm2 10. SOI埋层注入 ~10E17-10E18/cm2
先加速后分析注入机结构示意
பைடு நூலகம்
离子注入系统的原理示意图
国产中束流离子注入机
Vll Sta 810XEr 中束流注入机
20-80KeV 400-500W/h
Vll Sta 80HP 300mm 大束流注入 机
1-80KeV FOR 90nm IC process
VIISta 900XP 高能注入机
2m
R
当D大于束的宽度
加上出口狭缝的宽
度，就称两种质量
离子能分。通常采
用 =90磁铁，R
在1m左右。R大、
M小时分辨率高。
离子束的加速和扫描
对先加速后分析系统，由于待分析离子的能量高，要求 分析器有很大的半径。通常采用先分析后加速结构。加速 系统使离子获得需要的注入能量。
为了获得均匀的掺杂，常把注入束聚焦，并扫描，中、 小束流离子注入机X和Y方向都采用电扫描，大束流注入 机则采用混合扫描。大束流材料改性离子注入机采用无分 析系统，吸出离子束不聚焦，面积很大（直径在150mm200mm），没有扫描和偏转系统，采用靶台转动来提高 均匀性。对全方位离子注入机，样品的周围全部由等离子 体包围，适当转动样品使注入均匀性提高。
高能P阱注入机
2keV - 900keV
国产多功能离子改性注入机
无分析器 气体 金属 辅助 溅射 四种离子源
全方位离子注入
离子源的种类
1. 潘宁源 在阴极-阳极间起弧电离源气分子，获得等离 子体，适合小束流气体离子注入
2. 2.热灯丝源（Freeman源） 靠灯丝发射电子激发等 离子体，适合无氧气体离子的中小束流注入
影响分辨率的还有：
1. 吸出前源内离子的能量分散 对几keV的吸出电压， 10eV左右的分散度可以忽略。
2. 2.分析腔的出口宽度 分析腔的出口宽度实际上改变 了出射离子的半径，从而改变了荷质比。
对质量为m的离子，偏转半径为R，当质量为m+m
的离子，进入磁分析器后，离子束将产生的位移距离
为：
DRδm (1 co φ sLsiφn )
2.离子注入机的结构原理
离子注入机主要由以下几部分组成： 1. 离子源 在起弧室内产生等离子体 2. 2. 离子吸出系统 从源内引出离子束 3. 3. 磁分析系统 从引出离子束中偏析出所需注入束 4. 4. 加速系统 对注入离子束加速获得所需能量 5. 5. 聚焦、扫描、偏转系统 调控注入离子束 6. 6. 法拉第电荷计量系统 测控注入离子剂量 7. 7. 装片、注入、出片系统 完成离子注入工艺 8. 8. 真空系统 使束通道达到10-3-10-5Pa的真空度 9. 9. 冷却系统 对离子源、分析腔、注入靶等冷却
微电子工艺原理与技术
李金华
第二篇 单项工艺1
华山风光
第四章 离子注入
主要内容
1. 什么是离子注入？ 2. 离子注入机的结构原理； 3. 注入离子与衬底原子的相互作用； 4. 垂直投影射程及标准偏差； 5. 注入损伤及退火恢复； 6. 离子注入浅结的形成； 7. SOI埋成的离子注入合成； 8. 问题和关注点-沾污和均匀性； 9. 理论模拟。
全电扫描和混合扫描系统示意
全电 扫描
混合 扫描
离子束的偏转
离子在注入到硅片前，一般需要作二次偏转，目的是：
1.去除中性原子
在离子束的传输过程中，由于离子与残余气体分子的碰 撞等原因，离子俘获电子成中性原子，以原来的高速度 与离子一起运动。因为中性原子不带电，如果通过法拉 第电荷测量系统注入硅片，将会使实际注入剂量超出设 定剂量。所以为了保证注入剂量的正确，必须从注入束 中去除中性原子。方法是在X扫描板上加上固定的直流偏 压，带电的离子束将向负电板方向偏转。一般将根据扫 描板与法拉第筒的距离偏转角5-7°。使中性束完全不能
m2v
mv1 2m 1 m
qvr B, V ,B 2V
r
qBB q
rq
可见，偏转半径r与B成反比，与m成正比。对固定的离 子注入机，分析器半径r和吸出电压固定，调节B的大小 （励磁电流）即可分析出不同荷质比的离子。
BF3气源磁分析质谱
磁分析器的分辨率
注意： 同一荷质比的离子有相同的偏转半径，磁分析 器无法作出区分。要求源气有很高的纯度，尽量避免相 同荷质比离子出现。如：N2+ 和Si+，N+ 和Si++ ，H2+ 和 He++等。