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第五章 离子注入

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第五章离子注入_572605374

第五章离子注入_572605374

x j = Rp + ΔRp
2 ln⎜⎜⎝⎛
1
φ ⎟⎞
2π ΔRp N B ⎟⎠
（假设0 ≤ x ≤ Rp时，均有N(x) > NB）
23
实际的入射离子分布问题
沟道效应 横向分布 复合靶注入
24
沟道效应：在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时，有 部分离子可能会行进很长距离，造成较深的杂质分布。
深度为Rp时的离子浓度为最大值： Cp =
Q
2π ΔRp
离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量：
∫∞
Q = N (x)dx = 0
2π ΔRpCp
16
200KeV implants
17
一个任意的杂质分布可用一系列的矩来描述：归一化的一次矩是投影射 程，二次矩是标准偏差，三次矩是偏斜度；四次矩是峭度。
静电光栅扫描：适于中低束流机 机械扫描：适于强束流机
剂量控制
法拉第杯：捕获进入的电荷，测
量离子流
注入剂量：
Dose =
1 A
∫
I q
dt
当一个离子的荷电态为m时，
∫ 注入剂量为 Dose =
1
I dt
mA q
两种注入机扫描系统
9
离子注入工艺控制参数
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 注入剂量（单位：原子数/cm2）—— 决定杂质浓度 束流（单位：mA或μA）—— 决定扫描时间
注入损伤阈值剂量：
超过某一剂量注入后，形成完全 损伤，晶体的长程有序被破坏。

第五章离子注入

第五章离子注入

第五章 离子注入
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，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。
第五章 离子注入
注入离子如何在体内静止？
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究
? 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。
? 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 物理或化学性质
第五章 离子注入
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） ? 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 ? 注入元素可以非常纯，杂质单一性 ? 可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由
C serfc
?? ?
2
x Dt
?? ?
Distribution according to Gaussian function
C ?x, t ??
QT
? Dt
exp ???? ?
x2 4 Dt
????
第五章 离子注入
实
第一步 为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition） （称为预沉积或预扩散）
Z1Z2
m1 eV cm2
Z12 3
?
Z
2 2
3
m1 ? m2

第五章离子注入低温掺杂

第五章离子注入低温掺杂
第五章离子注入低温掺杂
• 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，形成一定的杂质 分布。
• 离子在硅体内的注入深度和分布状态与射入时 所加的电场强度、离子剂量、衬底晶向等有关
第五章离子注入低温掺杂
第五章离子注入ห้องสมุดไป่ตู้温掺杂
How can we form ultrashallow junction in today’s CMOS devices?
减少沟道效应的措施
目前常用的解决方法有三种 • （1）是将硅片相对注入的离子运动方向
倾斜一个角度，7度左右最佳； • （2）是对硅片表面铺上一层非结晶系的
（4）离子注入深度是随离子能量的增加而增加。 可精确控制掺杂浓度和深度
（5）根据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或P型 杂质进行掺杂。能容易地掺入多种杂质
（6）离子注入时的衬底温度较低（小于600℃ ），这 样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷。同时横向效 应比热扩散小得多。
（7）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。
• 通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下， 注入的深度将随电场的强度增加而增加。
• 用离子注入法形成的分布，其浓度最大值不 在硅片表面，而是在深入硅体一定距离。这 段距离大小与注入粒子能量、离子类型等有 关。
第五章离子注入低温掺杂
离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系。
离子注入的沟道效应
沟道效应（Channeling effect）
离子注入机分类
离子注入机按能量高低分为： 低能离子注入机 中能离子注入机 高能离子注入机 兆能离子注入机

第5章离子注入

第5章离子注入

第5章离⼦注⼊第五章离⼦注⼊15.1 概述5.2离⼦注⼊原理5.3注⼊离⼦在靶中的分布5.4 注⼊损伤5.5 退⽕5.6 离⼦注⼊设备与⼯艺5.7 离⼦注⼊的其它应⽤5.8 离⼦注⼊与热扩散⽐较及掺杂新技术5.1 概述2什么是离⼦注⼊：将原⼦电离，在强电场作⽤下离⼦被加速射⼊靶材料的表层，以改变这种材料表层的性质。

离⼦注⼊⼯艺：⽤离⼦注⼊⽅法，将⼀定剂量的Ⅲ、Ⅵ族杂质注⼊到半导体晶⽚的特定区域，再进⾏退⽕，激活杂质，修复晶格损伤，从⽽获得所需的杂质浓度，形成pn结。

离⼦注⼊⼯艺特点3杂质浓度分布与总量可控性好；是⾮平衡过程，不受固溶度限制；注⼊杂质纯度⾼，能量单⼀，洁净度好；室温注⼊，避免了⾼温过程对靶⽚的影响；杂质分布的横向效应⼩，有利于器件尺⼨的缩⼩；离⼦注⼊会造成晶格缺陷，甚⾄⾮晶化，即使退⽕也以难完全消除；是单⽚⼯艺，⽣产效率低、成本⾼；设备复杂、价格昂贵。

5.2离⼦注⼊原理射程R ：离⼦在靶内移动的总路线长度；投影射程x P ：在⼊射⽅向上离⼦射程的投影距离射程的横向分量x i ：在与⼊射⽅向垂直的⽅向上离⼦射程的投影距离45.2.1 与注⼊离⼦分布相关的⼏个概念R =l 1+l 2+l 3…5.2.1 与注⼊离⼦分布相关的⼏个概念射程分布：⼤量⼊射离⼦投影射程的统计分布，即靶内⼊射离⼦浓度分布平均投影射程（R p ）：正是离⼦浓度最⼤值位置投影射程标准偏差（?R p ）：是平均投影射程的统计波动横向标准偏差（?R ⊥）：是射程的平均横向分量的统计波动。

5注⼊离⼦的⼆维分布5.2.2 离⼦注⼊相关理论基础6在集成电路制造中，注⼊离⼦的能量⼀般为5~500keV，进⼊靶内的离⼦不仅与靶内的⾃由电⼦和束缚电⼦发⽣相互作⽤，⽽且与靶内原⼦核相互作⽤。

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部分：⼊射离⼦与原⼦核的碰撞，即核阻挡的能量损失过程；⼊射离⼦与电⼦的碰撞，即电⼦阻挡的能量损失过程。

第五章离子注入H-1

第五章离子注入H-1

第五章 离子注入 ULSI 工艺原理
16
离子束的剂量测量
Faraday cup
+ Ions
- Voltage
Secondary Electrons
Wafer
Current Meter
Integrator
(7-4)
I
Q
Dose =
# ions cm 2
=
I ·t Area ·zq
设质量M，荷电zq(z是离子荷电数，q是电子电荷量)和能 量E的离子束，通过扫描和光圈限定面积A，定义剂量D 与积分电荷量Q(库仑)的关系：
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 的物理或化学性质
第五章 离子注入 ULSI 工艺原理
2
离子注入优点
各种杂质浓度分布与注入浓度可通过控制掺杂 剂量 (1011-1016cm-2)和能量(10-200KeV)来达到
掺杂均匀(1% variation across 8’’ wafer) 横向分布大大小于扩散方法 表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结
第五章 离子注入 ULSI 工艺原理
8
离子注入系统的组成
a) 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。
b) 离子源（Ion Source) 灯丝(filament)发出的自由 电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击 分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸 出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器
range) z 射程分布 平均投影射程Rp 标准偏差ΔRp 横向标准偏差ΔR⊥

5离子注入

5离子注入
对于m1＞m2的情况，计算结果近似性较好；对于m1＜m2的 情况误差较大，但仍可作为一个有用的估算式。
20
dE dE dE ( ) n ( ) e N(Sn (E) Se (E)) dx dx dx dE dx N(Sn (E) Se (E)) 1 E0 dE R dx 0 S (E) S (E) N n e 0
Scanning disk
Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side
10
离子源（Nielsen 系统）：
11
磁质量分析器：
Ion source Extraction assembly Analyzing magnet Ion beam Lighter ions
27
2、注入离子的横向分布
离子进入靶时的侧向扩展用侧向散布来表征。它对于决定离
子在掩膜边缘处的Байду номын сангаас透以及用离子注入制成的结的曲率都是
很重要的。当离中注入是通过一特别狭窄的掩膜窗口进行时，
侧向效应也是很重要的。
28
29
通过一个窄窗口注入的离子，在y轴正方向的空间分布情况可由 下式求出：
x R 2 Q0 1 1 y a p N ( x, y , z ) exp erfc 1/ 2 (2 ) DR p 2 DR p 2DY
实际的浓度曲线为纺锤形
30
z
离子浓度 （lg坐标）
△Rt
离子束 Rp x
y
31
由边界算起的距离 （+a或－a处）

第五章-离子注入

第五章-离子注入
什么是离子注入
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
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 较高的动能后，射入材 料表层（靶）
❖ 以改变这种材料表层的 物理或化学性质
第五章 离子注入
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） ➢ 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 ➢ 注入元素可以非常纯，杂质单一性 ➢ 可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由
e
-dE/dx：能量随距离损失的平均速率
能量为E的 入射粒子在 密度为N的 靶内走过x 距离后损失 的能量
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/截面 (eVcm2) Se(E)：电子阻止本领/截面（eVcm2) N: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
能量E的函数
单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量 (Sn(E), Se(E) )。
核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。
电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。
第五章 离子注入
LSS理论
dE dx
N Sn
ES
e E
Sn E
1 N
dE dx
, n
SeE
1 N
dE dx
度大 ➢ 低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的

第五章离子注入_572605374

第五章离子注入_572605374

从不同方向看硅晶体的00轴沟道;
右下：倾斜并旋转硅片模拟“无规则”方向 .
沟道效应示意图
25
剂量越 大，注 入杂质 分布受 沟道效 应的影 响越不 明显
注入到<100>硅片中硼离子分布的计算机模拟。注 入条件：倾斜和旋转角度为零，注入能量为35KeV.
深度为Rp时的离子浓度为最大值： Cp =
Q
2π ΔRp
离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量：
∫∞
Q = N (x)dx = 0
2π ΔRpCp
16
200KeV implants
17
一个任意的杂质分布可用一系列的矩来描述：归一化的一次矩是投影射 程，二次矩是标准偏差，三次矩是偏斜度；四次矩是峭度。
1016/cm2。
2
杂质剂量与杂质浓度的关系
剂量（个数/面积）： 往下看，单位面积下 所有深度内有多少条 鱼
浓度（个数/体积）：特 定区域单位体积内有多少 条鱼
离子注入工艺设备及其原理； 射程与入射离子的分布； 实际的入射离子分布问题； 注入损伤与退火； 离子注入工艺的优势与限制。
3
离子注入工艺设备及其原理
33
硼的退火效应
低温下，载流子浓度受点缺
陷密度控制
退火温度上升，点缺陷消
除，自由载流子浓度提高
500～600℃时，点缺陷扩散
率提高，聚集成团，形成扩 展缺陷
高温下，扩展缺陷被消除，
激活的载流子浓度接近注入 浓度。
几种等时退火条件下，硅中注入硼离 子的激活百分比
34
非晶层的退火过程：固相外延（solid phase epitaxy）
2m
R
出口狭缝：只允许一种（m/q）的离子离开分析仪

第5章 离子注入

第5章 离子注入

第五章离子注入15.1 概述5.2离子注入原理5.3注入离子在靶中的分布5.4 注入损伤5.5 退火5.6 离子注入设备与工艺5.7 离子注入的其它应用5.8 离子注入与热扩散比较及掺杂新技术5.1 概述2什么是离子注入：将原子电离，在强电场作用下离子被加速射入靶材料的表层，以改变这种材料表层的性质。

离子注入工艺：用离子注入方法，将一定剂量的Ⅲ、Ⅵ族杂质注入到半导体晶片的特定区域，再进行退火，激活杂质，修复晶格损伤，从而获得所需的杂质浓度，形成pn结。

离子注入工艺特点3杂质浓度分布与总量可控性好；是非平衡过程，不受固溶度限制；注入杂质纯度高，能量单一，洁净度好；室温注入，避免了高温过程对靶片的影响；杂质分布的横向效应小，有利于器件尺寸的缩小；离子注入会造成晶格缺陷，甚至非晶化，即使退火也以难完全消除；是单片工艺，生产效率低、成本高；设备复杂、价格昂贵。

5.2离子注入原理射程R ：离子在靶内移动的总路线长度；投影射程x P ：在入射方向上离子射程的投影距离射程的横向分量x i ：在与入射方向垂直的方向上离子射程的投影距离4 5.2.1 与注入离子分布相关的几个概念R =l 1+l 2+l 3…5.2.1 与注入离子分布相关的几个概念 射程分布：大量入射离子投影射程的统计分布，即靶内入射离子浓度分布平均投影射程（R p ）：正是离子浓度最大值位置投影射程标准偏差（∆R p ）：是平均投影射程的统计波动横向标准偏差（∆R ⊥）：是射程的平均横向分量的统计波动。

5注入离子的二维分布5.2.2 离子注入相关理论基础6在集成电路制造中，注入离子的能量一般为5~500keV，进入靶内的离子不仅与靶内的自由电子和束缚电子发生相互作用，而且与靶内原子核相互作用。

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部分： 入射离子与原子核的碰撞，即核阻挡的能量损失过程；入射离子与电子的碰撞，即电子阻挡的能量损失过程。

第五章离子注入

第五章离子注入
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology 1
离子束加工方式 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束 (FIB) 方式） 掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象 扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工 艺的掩蔽膜只能是 SiO2 膜 ，而离子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜 ，也可以是光刻胶等其他薄膜。
qs 1 qo
G
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology 23
讨论
(1) 为屏蔽荷质比为 qs 的离子，光阑半径 D 必须满足
qs D G q 1 o
(2) 若 D 固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽，
二、质量分析系统
1、 E B 质量分析器 由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成 ，E 与 B 的方向 相互垂直。
y
Vf
光阑
d
v
B O E
j
D
Db
z
i
Fe Fm
Lf Ld
k
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
18
y
Vf
光阑
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
4
5.1 离子注入系统
离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有 BF3
、 AsH3 和 PH3 等。 质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在
质量分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质

离子注入最详细的

离子注入最详细的

离子注入最详细的第 5 章离子注入,离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。

将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中（称为“靶” ）而实现掺杂。

,离子束的性质离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能。

离子束的用途掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。

不同的用途需要不同的离子能量E ， E 50 KeV ，注入掺杂,离子束加工方式 1、掩模方式（投影方式）2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束 (FIB) 方式）,掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。

扩散工艺的掩蔽膜只能是SiO2 膜，而离子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜，也可以是光刻胶等其他薄膜。

掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是生产效率高，设备相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟。

缺点是需要制作掩蔽膜。

,离子注入,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扫描的离子光学系统。

,5.1 离子注入系统,离子源：用于离化杂质的容器。

常用的杂质源气体有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。

质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。

加速器：为高压静电场，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。

中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。

聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。

偏转扫描系统：使离子束沿 x、y 方向扫描。

工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。

,一、离子源作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。

分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。

离子注入+最详细的

离子注入+最详细的
根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点 会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低 合金中金属处于液态时的蒸汽压。
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
18
例如，金和硅的熔点分别为 1063 oC 和 1404 oC，它们在此 温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和 10-1 Torr。当以适当组分组 成合金时，其熔点降为 370 oC ，在此温度下，金和硅的蒸汽压 分别仅为 10-19 Torr 和 10-22 Torr。这就满足了 LMIS 的要求。
离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的 荷质比 qo 为
qo
q m
Vf2 2d2B2Va
对于荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或 偏转磁场 B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过
光阑。
1
V f d B (2 q oV a ) 2 ,
或 B
Vf
1
d (2 q oV a ) 2
通常是调节 Vf 而不是调节 B。
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
23
下面计算当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为 qs = q/ms 的其它离子被偏转的程度。该种离子在 y 方向受到的 加速度为
1
a yF m m sF em q sB 2 m q V sa 2 m q sV d f q sB 2 q sV a1 2 q sV d f
2
离子束加工方式
1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束 (FIB) 方式） 掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象 扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工

第5章离子注入

第5章离子注入
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
分布的高次矩
4. 四次矩与高斯峰值的畸
变有关，畸变用峭度 表示：
= m4/ RP4 高斯分布的峭度为3， 峭度越大，高斯曲线顶 部越平。 、 可用蒙特卡罗模 拟得到，也可测量实际 分布曲线拟合得出。
a 高斯分布 b 负偏斜度 c 大陡度
5. 注入损伤
离子注入衬底单晶与衬底原子作级联碰撞，产生大量 的位移原子，注入时产生的空位、填隙原子等缺陷称为 一次缺陷。在剂量达到一定数值后，衬底单晶非晶化， 形成无定型结构。使衬底完全非晶化的注入剂量称为阈 值剂量。不同衬底和不同的注入离子，在不同的能量、 剂量率和不同温度下有不同的非晶剂量。轻原子的大、 重原子的小；能量低大，能量高小；衬底温度低大，衬 底温度高小。当衬底温度高于固相外延温度时，可以一 直保持单晶。

第5章 离子注入(电子科大mems课件)

第5章 离子注入(电子科大mems课件)

Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
5
5.1 离子注入系统
离子源：用于离化杂质的容器。 离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有 BF3 、 AsH3 和 PH3 等。 质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷， 质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在 质量分析器磁场中偏转的角度不同， 质量分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质 离子，且离子束很纯。 离子，且离子束很纯。 加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量 加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。 是决定离子注入深度的一个重要参量。 是决定离子注入深度的一个重要参量。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。 聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。 聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。 偏转扫描系统： 偏转扫描系统：使离子束沿 x、y 方向扫描。 、 方向扫描。 工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。 工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。 ）：放置样品的地方
第 5 章 离子注入
离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。 离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。将杂 质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极 质电离成离子并聚焦成离子束， 高的动能后，注入到硅中（ 而实现掺杂。 高的动能后，注入到硅中（称为 “靶” ）而实现掺杂。
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
4
聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。 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。 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； 、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扫描的 、 离子光学系统。 离子光学系统。

微细加工-5-离子注入

微细加工-5-离子注入
第 5 章 离子注入
离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。将杂质电离 成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后， 注入到硅中（称为 “靶” ）而实现掺杂。
2020/8/19
离子束的性质
离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或 磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能。
离子束的用途
A/cm2.sr。 聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源
（LMIS）出现后才得以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为
5 ~ 500 nm，亮度为 106 ~ 107 A/cm2.sr 。
2020/8/19
1、等离子体型源 这里的 等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的 电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍 与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但 其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。
Acceleration column
Process chamber
Scanning disk
2020/8/19
2020/8/19
一、离子源 作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。 分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。
掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体
型离子源，其典型的有效源尺寸为 100 m ，亮度为 10 ~ 100
电子束源。
2020/8/19
共晶合金 LMIS 通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点 高或蒸汽压高而无法制成单体 LMIS 。 根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点 会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低 合金中金属处于液态时的蒸汽压。

第五章 离子注入2009

第五章 离子注入2009
缺点：1、离子对晶格有损伤；2、产率 低；3、设备昂贵。
离子源 质量分析
加速器 电透镜 扫描器 偏束器
靶架 终端分析
离子注入系统
问题
1. 离子源怎样产生？（离子产生和萃取） 2. 怎样得到所需要的离子？（质量分析） 3. 怎样控制离子束的方向、能量和束径？
（离子控制） 4. 怎样检测离子束？（离子检测）
终端分析
1.探测离子束能量； 2.探测离子束大小； 3.探测离子流大小；
工艺中需要注意的问题
1. 元素污染； 2. 尘埃污染； 3. 遮挡问题。
元素污染
所谓元素污染是指离子束中含有其它杂质。 因为杂质离子的选择是靠m/q，所以只要m/q相同
的杂质离子就不能被分离出来。 例如：Mo2+与BF2+就难以分离，因为它们具有相
离子源系统（离子是怎样产生的？）
离子源系统有热电子离子源、射频离子源、微 波离子源等，其目的就是产生离子，对于热电 子离子源来说，其过程如下：
1. 放电腔内的灯丝发射热电子； 2. 电子与气态杂质源分子碰撞，杂质源分子分解
并离子化； 3. 杂质离子被萃取和减速之后通过一个狭缝离开
源室，形成离子束；
• 那么总能量损失S则可表示为：
S＝Se+Sn
• 而Se和Sn可以分别由LSS理论计算出来。
Se
dEe dx
ke
E
其中ke是与离子与靶物质有关的比例常数。可以看出： 电子阻挡随能量增大而增大。
Sn
dEn dx
2.8 1015
Z1Z2
Z 2/3 1
Z 2/3 2
1/ 2
M1 M1 M2
其中Z1、Z2和M1、M2分别是离子和靶原子的原子序数 和质量。可以看出，核阻挡和能量关系不大。
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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， 2C s Q Dt 每秒剂量达1013/cm2 D～10-离子在不同注入能量下的特性
Distribution according to Gaussian function
x2 QT C x, t exp 4 Dt Dt
第五章 离子注入 实 际 工 艺 中 二 步 扩 散
第一步 为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition） （称为预沉积或预扩散） 控制掺入的杂质总量
电荷/动量交换导致入射离子运 动方向的改变（<核间作用）
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。 1/ 2 15 1/ 2 2
Se E Cvion kE , k 0.2 10 eV cm
第五章 离子注入
ETrans 4 m1m2 E 2 (m 1 m2 )
核阻止能力的一阶近似为：
m——质量， Z——原子序数 下标1——离子，下标2——靶 例如：磷离子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅 Z2 = 14, m2 = 28, 计算可得： Sn ~ 550 keV-m2
Sn E 2.8 10
15
Z1Z 2
23 Z12 3 Z 2
m1 eV cm2 m1 m2
摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295
第五章 离子注入
第五章 离子注入
电子阻止本领
非 局 部 电 子 阻 止 局 部 电 子 阻 止
不改变入射离子运动方向
如果要求掩膜层能完全阻挡离子
* x R * P exp m C * ( xm ) CP *2 2R P

C
2

B
xm为恰好能够完全阻挡离子的 掩膜厚度 Rp*为离子在掩蔽层中的平均 射程，Rp*为离子在掩蔽层中 的射程标准偏差
第五章 离子注入
磁分析器
聚焦
扫描系统 靶
加速管
离 子 源
B10 B11
r
I 1 Q dt A q
BF3：B++，B+，BF2+， F+, BF+，BF++
第五章 离子注入
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。 b) 离子源（Ion Source）：灯丝（filament）发出的自 由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击 源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸 出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器
第五章 离子注入
注入离子的二维分布图
Log（离子浓度）
高斯分布
R Rp
离子入射
Rp
z
第五章 离子注入
投影射程Rp:
1 R p dx N 0
Rp
E0
dE S n E S e E 0
Rp Rp R Rp Rp R
Rp Rp R
第五章 离子注入
第五章 离子注入
【解】1) 从查图或查表 得 Rp=4289 Å=0.43 m Rp855 Å0.086 m 峰值浓度 Cp=0.4Q/Rp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019 cm-3 衬底浓度CB＝2×1016 cm-3 x j Rp 2 C x j CB C p exp 1 2 R p xj=0.734 m 2) 注入的总离子数 Q＝掺杂剂量×硅片面积 ＝5×1014×[(15/2)2]=8.8×1016 离子数 I＝qQ/t ＝[(1.6×10－19C)(8.8×1016)]/60 sec=0.23 mA
标准偏差Rp
平均投影射程Rp
第五章 离子注入
已知注入离子的能量和剂量， 估算注入离子在靶中的 浓度和结深
问题：140 keV的B+离子注入到直径为150 mm的硅靶中。 注入 剂量Q=5×10 14/cm2（衬底浓度2×1016 /cm3） 1) 试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、 峰 值浓度、结深 2) 如注入时间为1分钟，估算所需束流。


总能量损失为两者的和
第五章 离子注入 核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论
阻止本领（stopping power）：材料中注入离子的能量损失大小
单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量 (Sn(E), Se(E) )。 核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。


电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。
第五章 离子注入
由 可以得到： Q C x dx 2 RpC， p

CP
Q 0.4 R p 2 R p
Q

x R 2 Q p C ( x) exp 2 R p 2 R p
Q：为离子注入剂量（Dose）, 单位为 ions/cm2，可以 从测量积分束流得到
第五章 离子注入
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 当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大 角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有 较多的离子堆积；重离子散射得更深。
第五章 离子注入
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
Q 2C1
第二步
D1t1

为有限源的扩散（Drive-in），往往同时氧化 （称为主扩散或再分布） 控制扩散深度和表面浓度
Q 2 D1t1 C2 C1 D2t 2 D2t 2
第五章 离子注入
二步扩散的两种极端情况
D1t1 D2t2
当
or
D1t1 D2t2
D1t1 D2t 2 时，最后的杂质浓度分布可近似为 Figur 4.2 2 D t 2 x 2 1 1 C x , t , t C exp 1 2 1 Gaussfö rdelningen Gaussian distribution D t 4 D t 2 2 2 2 1.5
总阻止本领（Total stopping power）
核阻止和电 子阻止相等 的能量

核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端） 电子阻止本领在高能量下起主要作用
第五章 离子注入
n
e
n
离子 E2 B 17 keV P 150 keV As, Sb >500 keV
n
第五章 离子注入
射程终点（EOR） 处晶格损伤大
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 较高的动能后，射入材 料表层（靶） 以改变这种材料表层的 物理或化学性质


第五章 离子注入
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） 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 注入元素可以非常纯，杂质单一性 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 低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的 热扩散 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小 会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进 设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机） 有不安全因素，如高压、有毒气体
第五章 离子注入
第五章 离子注入
有关扩散方面的主要内容 费克第二定律的运用和特殊解 特征扩散长度的物理含义 非本征扩散 常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用 常用扩散掺杂方法 常用扩散掺杂层的质量测量 Distribution according to error function
x C x, t Cs erfc 2 Dt
=0.25
1
f(x)
0.5 0
=0.5 =0.5
Gaussian or normal distribution
2 1 x f x exp 2 2 2
-0.5
-2
-1
0
1
2
3
x
第五章 离子注入
什么是离子注入
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
a)
气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，... 离子源：As，Ga，Ge，Sb，P，...
第五章 离子注入
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，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。
第五章 离子注入
注入离子如何在体内静止？
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究

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。 该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独 立的过程 (1) 核阻止（nuclear stopping） (2) 电子阻止 （electronic stopping）