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第七章：离子注入

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第七章 离子注入

第七章 离子注入

核阻挡本领 电子阻挡本领
Sn

dEn dx
Se

dEe dx
= ke
E
一个入射离子在 dx 射程内，由于与核及电子碰撞而失去的 总能量为
dE = dEn + dEe = (Sn + Se ) dx
由此可得平均投影射程为
RP =
RP dx =
0
0 dE E0 Sn + Se
Sn 的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。下图 是数值计算得到的曲线形式的结果。
• 束流能量超过 200 keV 到几 MeV. • 向沟槽或厚氧化层下面注入杂质. • 能形成倒掺杂阱和埋层.
• 大电流系统，用于 (SOI) 的氧注入.
7.2 离子注入工艺过程和参数
Electronic collision
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Energetic dopant ion
6、均匀性和重复性好； 7、横向扩展小，有利于提高集成电路的集成度、提高器件 和集成电路的工作频率；
8、可以用电的方法来控制离子束，因而易于实现自动控制， 同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术；
9、扩大了杂质的选择范围； 10、离子注入中通过质量分析器选出单一的杂质离子，保 证了掺杂的纯度。
离子注入的 缺点
7.1.6 偏转扫描系统 用来使离子束沿 x、y 方向在一定面积内进行扫描。
Low frequency Yaxis deflection
Y-axis deflection
High frequency Xaxis deflection

第七章 离子注入原理下晶格损伤

第七章 离子注入原理下晶格损伤

前言 晶体生长 实验室净化及硅片清洗 光刻 热氧化 热扩散 离子注入 薄膜淀积 刻蚀 后端工艺与集成 未来趋势与挑战
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (下)
上节课主要内容
3/37
1 x R 2 0.4Q p CP C x C p exp R p R 2 p
损伤的产生
• 移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。 • 移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需 的最小能量. (对于硅原子, Ed15eV)
E<Ed 无位移原子 ������ Ed<E<2Ed 有位移原子 ������ E>2Ed 级联碰撞
• 注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程， 称为能量传递过程
INFO130024.02
集成电路ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ艺原理
第七章 离子注入原理 (下)
17/37
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (下)
18/37
非晶化（Amorphization）
注入离子引起的晶格损伤 有可能使晶体结构完全破 坏变为无序的非晶区。
与注入剂量的关系 – 注入剂量越大，晶格损 伤越严重。 – 临界剂量：使晶格完全 无序的剂量。 – 临界剂量和注入离子的 质量有关
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (下) 离子注入损伤估计
16/37
100KeV B离子注入损伤 初始核能量损失：30eV/nm, 硅晶面间距: 0.25nm, 每穿过一个晶面 能量损失: 30eV/nm X 0.25nm=7.5eV <Ed (15eV). 当能量降到50KeV, 穿过一个晶面能量损失为15eV, 该能量所对应的射程为: 150nm. 位 移原子数为: 150/0.25=600, 如果移位距离为: 2.5nm, 那么损伤体积: (2.5)2 X150=3X10-18cm3. 损伤密度: 2X1020 cm-3, 大约是原子密度 0.4%. 100KeV As离子注入损伤 平均核能量损失：1320eV/nm,损伤密度: 5X1021 cm-3, 大约是原子密 度10%, 该数值为达到晶格无序所需的临界剂量, 即非晶阈值.

离子注入

离子注入

Beam in Voltage 25 keV I+ 300 kV 25 keV I++ 300 kV
Beam Out 325 keV 25+300*2= 625KeV ?
用高价离子注入可以增加注入能量，使注入深度 增加；但是由于高价离子产生较少，其束流较小 第七章 离子注入
13
e)聚焦和扫描系统 (deflection and scanning ) 离子束 离开加速管后进入控制区，先由静电聚焦透镜使其 聚焦。再进行x-y两个方向扫描，然后进入偏转系统， 束流被偏转注到靶上。
R
Rp
第七章 离子注入
27
注入离子如何在体内静止？
注入离子通过库仑散射(Coulomb Scattering)失去能量从而静止 – 离子和靶内的自由电子及束缚电子相互作用(通常对较轻的 离子和高能量注入） – 离子和靶内原子核作用(通常对重离子和低能量离子注入） 第七章 离子注入
28
核阻挡本领与电子阻挡本领-LSS理论
32
R
E
Nuclear Stopping
理论基础：两体碰撞 入射离子与靶内原子核之间 是弹性碰撞，两粒子之间的 相互作用力是电荷作用，忽 略两粒子之间的电子屏蔽作 用，而且势能函数V只与两粒 子之间的距离有关，势能函 数可近似为
V( r ) q Z1Z2 r exp( ) 4r a
2
Z1和Z2分别为两个 粒子的原子序数
Monte –Carlo simulation, SRIM software 第七章 离子注入
25
•射程 (range) 离子在靶内的总路线长度 •投影射程 (projected range) R在入射方向上的投影
•射程分布

第七章_离子注入2

第七章_离子注入2

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。
产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。
大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加 速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。
之间的电压，用以调节针尖表
引 出 极
E2 E1
面上液态金属的形状，并将离 子引出；E3 是加热器电源。
针尖的曲率半径为 ro = 1 ~ 5 m，改变 E2 可以调节针尖与
引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆
锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级，这就是 LMIS 能产生小 束斑离子束的关键。
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。
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。
平均投影射程：投影射程的平均值，记为 RP
投影射程的标准偏差： Rp xp Rp
2
zp
x
y
yp
xp
0

第七章掺杂技术离子注入ppt课件

第七章掺杂技术离子注入ppt课件
在 E B 质量分析器中，所需离子不改动方向，但在输出
的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器那么相反，所需 离子要改动方向，但其优点是中性粒子束不能经过。
;
7.2 平均投影射程
离子注入过程：入射离子与半导体〔靶〕的原子核和电子 不断发生碰撞，其方向改动，能量减少，经过一段曲折途径的 运动后，因动能耗尽而停顿在某处。
第七章 离子注入 〔Ion Implantation〕
;
离子注入概述
最早运用于原子物理和核物理研讨 提出于1950’s 1970’s中期引入半导体制造领域
;
离子注入
离子注入是另一种对半导体进展掺杂的方法。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。
RP
34
59
81 102 122 143 161 180 198
;
7.3 离子注入的特点
1.特点 可以独立控制杂质分布〔离子能量〕
和杂质浓度〔离子流密度和注入时间〕 各向异性掺杂 容易获得高浓度掺杂
〔特别是：重杂质原子，如P和As等〕。
;
2.离子注入与分散的比较
分散
离子注入
;
2.注入与分散的比较
为
qo
q m
Vf2 2d2B2Va
对于某种荷质比为 qo 的所需离子，可经过调理偏转电压
Vf 或偏转磁场 B ，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转
而经过光阑。
1
V f d B (2 q oV a ) 2 ,ຫໍສະໝຸດ 或 BVf1
d (2 q oV a ) 2
通常是调理 Vf 而不是调理 B。;
当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为qs =

半导体制造工艺_10离子注入(下)

半导体制造工艺_10离子注入(下)

半导体制造工艺基础
第七章 离子注入 (下)
什么是注入损伤 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。
5
(Si)SiSiI + SiV
精确控制掺杂，浅结、 浅掺杂，纯度高，低温， 多种掩模，… 非晶靶。能量损失为两个彼 此独立的过程(1) 核阻止与(2) 电子阻止之和。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。
C * xm CB
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入 (下)
2
总阻止本领（Total stopping power）
第七章 离子注入 (下) 损伤退火 （Damage Annealing）
被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对 载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。 注入后的半导体材料： 杂质处于间隙 n<<ND；p<<NA 晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降 热退火后：n n=ND (p=NA)
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入 (下)
6
损伤的产生
• 移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。 • 移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生 移位，所需的最小能量. (对于硅原子, Ed15eV) • 注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电 子的过程，称为能量传递过程
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入 (下)
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入 (下) 离子注入损伤估计
8
100KeV B离子注入损伤 初始核能量损失：30eV/nm, 硅晶面间距: 0.25nm, 每穿过一个晶面 能量损失: 30eV/nm X 0.25nm=7.5eV <Ed (15eV). 当能量降到50KeV, 穿过一个晶面能量损失为15eV, 该能量所对应的射程为: 150nm. 位 移原子数为: 150/0.25=600, 如果移位距离为: 2.5nm, 那么损伤体积: (2.5)2 X150=3X10-18cm3. 损伤密度: 2X1020 cm-3, 大约是原子密度 0.4%. 100KeV As离子注入损伤 平均核能量损失：1320eV/nm,损伤密度: 5X1021 cm-3, 大约是原子密 度10%, 该数值为达到晶格无序所需的临界剂量, 即非晶阈值.

第七章：离子注入答辩

第七章：离子注入答辩
加速管
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
1. 固定硅片、移动束斑（中、小束流） 2. 固定束斑、移动硅片（大束流）
扫描种类
1. 静电扫描：在一套X-Y电极上加特定电压使离子束 发生偏转注入到固定的硅片上。属于固定硅片、移 动束斑的扫描方式。
SOI结构SEM照片
本章习题
书中第17章：30、53、55、56
第四次作业
第六章（书中第16章）：1、5、30 第七章（书中第17章）：23、25、34 第七章附加题：在P型〈100〉衬底硅片上，进行
As离子注入，形成P-N结二极管。已知衬底掺杂 浓度为1×1016cm-3，注入能量：100KEV，注入剂 量：5.0E15，试计算砷离子注入分布的最大掺杂 浓度Nmax和注入结深。
离子注入的优点： 3. 杂质浓度均匀性、重复性很好
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 ± 10％，1013ions/cm2以下的小剂量，扩散无法实 现。 4. 掺杂温度低 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）增加了工艺的灵活性
入射能量 （KEV） 注入的离子
B
RP
20
40
60
80
100 120 140 160 180
622 1283 1921 2528 3140 3653 4179 4685 5172
RP
252
418 540 634 710 774 827 874 914
P
RP
199

第七章掺杂技术离子注入

第七章掺杂技术离子注入

引
E2
加速电压；E2 是针尖与引出极 之间的电压，用以调节针尖表
出
极
E1 面上液态金属的形状，并将离
子引出；E3 是加热器电源。
针尖的曲率半径为 ro = 1 ~ 5 m，改变 E2 可以调节针尖与 引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆 锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级，这就是 LMIS 能产生小 束斑离子束的关键。
使之满足下式，从而使该种离子通过光阑 2，
1
B


2Va qor 2
2
其余的离子则不能通过光阑 2，由此达到分选离子的目的。
另外，若固定 r 和 Va ，通过连续改变 B ，可使具有不同 荷质比的离子依次通过光阑 2，测量这些不同荷质比的离子束 流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。
液态金属 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。 能同时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

qvB


2qVa m
2
qB
为向心力，使离子作圆周运动，
半径为
1
1
r

mv qB


2mVa qB2
2


2Va qo B2
2
从上式可知，满足荷质比
qo

2Va r2B2
的离子可通过光阑 2。
或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场 B

§7离子注入工艺

§7离子注入工艺

N), 能量（keV）
2.单流位，面t: 积时注间入，电A：荷扫：描Qs面s ＝积I （t /园A,片I：尺注寸入）束
3.单位面积注入离子数(剂量)：
Ns ＝ Qss/q =(I t) /(q A) 4.最大离子浓度：NMAX=
Ns
2 R
2021/8/17
24
*注入离子分布
N(x)=Nmax
exp
2021/8/17
10
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。
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29
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。
54
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41
2021/8/17
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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三．自对准金属栅的结构
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四. 离子注入的应用

第七章掺杂技术离子注入

第七章掺杂技术离子注入

低温，光刻胶掩膜 室温或低于400℃ 各向异性
不能独立控制结深和浓度 可以独立控制结深和浓度
3.离子注入控制
离子束流密度和注入时间控制杂质浓度 （注入离子剂量）
离子能量控制结深 杂质分布各向异性
4.阻止机制
典型离子能量：5～500keV 离子注入衬底，与晶格原子碰撞，逐渐损失其
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。
例如，金和硅的熔点分别为 1063oC 和 1404oC，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。
7.1 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：不同离子具有不同的电荷质量比，因而在分 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。
Db y Lf y Lf Ld


B

2qsVa
1
2
Vf d



1 L2f 4 Va

1 2
Ld Lf Va

y
Vf
v
O
B

半导体工艺基础 第七章 掺杂技术-离子注入

半导体工艺基础 第七章 掺杂技术-离子注入

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。
能同时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
Lf Ld
k
Vf Fe qE q ( j ), d Fm qv B qvB ( j )
1 2 2qVa 由 qVa mv 得 v , 代入 Fm , 得： 2 m
1 2
2qVa Fm qB( j ) m
1 2
Vf 2qVa 当 Fe Fm 时，即当 q qB 时， d m
引 出 极
E2 E1
加速电压；E2 是针尖与引出极
之间的电压，用以调节针尖表
面上液态金属的形状，并将离 子引出；E3 是加热器电源。
针尖的曲率半径为 ro = 1 ~ 5 m，改变 E2 可以调节针尖与
引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆
锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级，这就是 LMIS 能产生小 束斑离子束的关键。
半径为
1 2
2Va mv 2mVa r 2 2 qB qB qo B
1 2
1 2
2Va 从上式可知，满足荷质比 qo 2 2 的离子可通过光阑 2。 r B
或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场 B 使之满足下式，从而使该种离子通过光阑 2，
1483 405 677
855

第七章-掺杂技术-离子注入

第七章-掺杂技术-离子注入

As
RP
151
263 368 471 574 677 781 855 991
RP
34
59
81 102 122 143 161 180 198
7.3 离子注入的特点
1.特点 可以独立控制杂质分布（离子能量）
和杂质浓度（离子流密度和注入时间） 各向异性掺杂 容易获得高浓度掺杂
（特别是：重杂质原子，如P和As等）。
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。
2、聚焦方式（扫描方式)
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。实现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。
液态金属 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。 能同时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
集中。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，离子
射程的末端部分又变成为折线。
rp
xp
rp
xp
在实际工作中，平均投影射程 RP (Å) 及标准偏差 RP (Å)与注入能量 (KeV) 的 关系可从下图 （下表）查到。
入射能量
注入硅中的 离子
B
RP
20 714
40
60
80
100 120 140 160 180

第七章掺杂技术离子注入

第七章掺杂技术离子注入

1、等离子体型离子源
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。
产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。 大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加 速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。

qvB


2qVa m
2
qB
为向心力，使离子作圆周运动，
半径为
1
1
r

mv qB


2mVa qB2
2


2Va qo B2
2
从上式可知，满足荷质比
qo

2Va r2B2
的离子可通过光阑 2。
或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场 B
第七章 离子注入 （Ion Implantation）
离子注入概述
最早应用于原子物理和核物理研究 提出于1950’s 1970’s中期引入半导体制造领域
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。
使之满足下式，从而使该种离子通过光阑 2，
1
B


2Va qor 2
2
其余的离子则不能通过光阑 2，由此达到分选离子的目的。
另外，若固定 r 和 Va ，通过连续改变 B ，可使具有不同 荷质比的离子依次通过光阑 2，测量这些不同荷质比的离子束 流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。
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离子注入的优点：
质量分离技术产生没有沾污的纯离子束， 减少了 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。
5. 沾污少
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：
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
7.2 离子注入工艺原理


离子投影射程的平均标准偏差△RP为
其中N为入射离子总数 Rp 为平均投影射程 Rpi为第i个离子的投影射程

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 为高斯分布其方程为
其中φ为注入剂量
χ为离样品表面的深度
Rp为平均投影射程
△Rp为投影射程的平均标准偏差

离子注入浓度分布的最大浓度Nmax
6. 源漏注入 7. 多晶硅栅掺杂 8. 沟槽电容器 9. 超浅结 10. 绝缘体上的硅（SOI）

深埋层 高能（大于200KEV）离子注入，深埋层的作用：控 制CMOS的闩锁效应

倒掺杂阱 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。

穿通阻挡层 作用：防止沟道很短的亚微米器件源漏穿通，保 证源漏耐压。
布，增大了设计的灵活性。

离子注入的优点： 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 ± 10％，1013ions/cm2以下的小剂量，扩散无法实 现。
3. 杂质浓度均匀性、重复性很好
4. 掺杂温度低 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）增加了工艺的灵活性

注入损伤 高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤，减少注 入损伤的常用办法是退火，退火的另一个作用是电 激活注入杂质。常用的退火方法有以下两种： 1. 高温退火 2. 快速热退火
（a）轻离子损伤退火工艺目的： 消除晶格损伤，并且使注入的杂质转入替位位置 而实现电激活。 1. 高温热退火 通常的退火温度：磷、砷 650℃，硼 920℃，时间： 30分钟左右 缺点：高温会导致杂质的再分布。
格间隙时（见下图）就发生了沟道效应。硅片倾
斜是减小沟道效应的常用办法。硅片倾斜使单晶 在离子入射方向上按非晶无定型结构处理和理论 吻合得很好。（100）晶向的硅片常用的角度是 偏离垂直方向7°注入机在出厂前就把角度调好。

沟道效应
沿<110>晶向的硅晶格视图

发生沟道效应的杂质分布曲线

控制沟道效应的方法 1. 倾斜硅片：常用方法 2. 屏蔽氧化层：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 入应用非常有效 4. 使用质量较大的原子

离子注入参数
注入剂量φ 注入剂量φ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（安 培） t为注入时间，单位是秒 q为电子电荷，等于1.6×10－19库仑 n为每个离子的电荷数 A为注入面积，单位为cm2

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 带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场 运动，它的能量为100KEV

离子注入系统


1. 离子源
离子源用于产生 大量的注入正离 子的部件，常用 的杂质源气体有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。
离子源

2. 引出电极（吸极）和离子分析器
吸极用于把离子从离子源室中引出。


质量分析器磁铁 分析器磁铁形成90°角，其磁场使离子的轨迹偏转成 弧形。不同的离子具有不同的质量与电荷（如BF3→ B＋、BF2＋等），因而在离子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。
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
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)
SOI结构SEM照片
本章习题

书中第17章：30、53、55、56
第四次作业

第六章（书中第16章）：1、5、30 第七章（书中第17章）：23、25、34 第七章附加题：在P型〈100〉衬底硅片上，进行 As离子注入，形成P-N结二极管。已知衬底掺杂 浓度为1×1016cm-3，注入能量：100KEV，注入剂 量：5.0E15，试计算砷离子注入分布的最大掺杂 浓度Nmax和注入结深。
（三）各种离子在SiO2中的Rp和△Rp 值 (Å)
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
622 252 199 84 127 43
1283 418 388 152 217 72
（四）各种离子在Si3N4中的Rp和△Rp 值 (Å)
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

离子注入的优点：
离子注入层的深度依赖于离子能量、杂质浓度依 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。
1. 精确地控制掺杂浓度和掺杂深度
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点
采用多次叠加注入可以获得任意形状的杂质分

静电扫描系统
静电扫描系统

机械扫描系统


5. 工艺腔
工艺腔包括扫描系统、具有真空锁的装卸硅片的 终端台、硅片传输系统和计算机控制系统。 硅片冷却：硅片温升控制在50℃以下，气冷和橡 胶冷却。


剂量控制：法拉第环电流测量
7.4 离子注入效应

1. 沟道效应 2. 注入损伤

沟道效应 当注入离子未与硅原子碰撞减速，而是穿透了晶

扫描种类 1. 静电扫描：在一套X-Y电极上加特定电压使离子束 发生偏转注入到固定的硅片上。属于固定硅片、移 动束斑的扫描方式。 2. 机械扫描：硅片放在轮盘上旋转，并上下移动。属 于固定束斑、移动硅片的扫描方式。 3. 混合扫描：硅片放在轮盘上旋转，沿Y方向扫描， 离子束沿X方向静电扫描。束斑和硅片都动。 4. 平行扫描：静电扫描+磁场控制角度



射程、投影射程
具有一定能量的离子入射靶中，与靶原子和电子 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，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， 称为射程用R表示。这一距离在入射方向上的投 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。
1950 496 612 215 301 97
2396 555 774 259 367 118
2820 605 939 301 433 137
3226 647 1105 340 500 157
3617 684 1271 377 586 176
3994 716 1437 411 637 195

利用下表计算离子注入结深Xj
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，最大浓度位置在样品内的平均投 影射程处

离子注入结深 Xj
x j Rp Rp
其中NB为衬底浓度
N max 2 ln N B

离子注入的浓度分布曲线

RP和△RP的计算很复杂，有表可以查用
（一）各种离子在Si中的Rp和△Rp 值 (Å)
分析磁体

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


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 1. 固定硅片、移动束斑（中、小束流） 2. 固定束斑、移动硅片（大束流）

投影射程示意图
第i个离子在靶中的射程Ri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损失能量都是随机的，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。 离子的平均投影射程RP为
其中N为入射离子总数，RPi为第i个离子的投影射程
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
2267 475 866 198 673 126
4587 763 1654 353 1129 207
6736 955 2474 499 1553 286