集成电路工艺第四章：离子注入

离子注入工艺原理离子注入（Ion Implantation）是一种常用的半导体加工技术，通过将选择性的离子注入到半导体材料中，来改变其电学性质，实现各种功能。

离子注入工艺原理可以分为三个主要步骤：离子产生，离子加速以及离子注入。

首先，离子产生是离子注入过程的第一步。

离子源是离子加速的关键，通常使用离子源来产生所需的离子种类。

离子源有许多类型，包括离子脱附（sputtering）源、电离源（ionization）或者离子化（ionized）源等。

其中较为常见的是离子脱附源，通过将砷、硼等半导体材料投放在高能量粒子（如氩离子）中，来脱离砷或硼原子产生相应离子。

这些离子会进一步被加速，并被注入到半导体材料中。

接下来，是离子加速的过程。

离子会通过一种电场来加速，通常是一个加速器。

这个电场可以是一个电势差，通过与离子之间形成的电场将离子加速到高能量。

在离子注入中，通常使用的是加速电势差。

离子源中的离子在电场的作用下，获得足够的能量，从而达到所需的注入深度。

最后，是离子注入的过程。

一旦离子获得足够的能量，它们会进入到半导体材料中，并通过对材料进行注入来改变其电学性质。

离子注入的深度可以通过加速电压和荷质比等参数来控制，通过调整参数可以实现不同深度的注入。

离子注入技术的原理在于将特定的离子种类注入到半导体材料中，从而改变其性质。

原子尺寸的改变可以影响材料的电学、磁学和光学性质。

例如，将掺杂硼离子注入到硅材料中可以将其掺杂变成P类型半导体，而将掺杂磷离子注入到硅材料中可以将其掺杂变成N类型半导体。

这种通过离子注入调整材料性质的能力，使得离子注入成为了半导体工业中不可或缺的一部分。

离子注入工艺有许多应用，包括集成电路制造和半导体器件制造。

通过离子注入，可以改变材料的导电性、控制晶体中的通道形成、增加或改变半导体材料中的杂质等。

这对于集成电路芯片和其他电子元件的设计和制造至关重要，使其具有所需的电学性质和性能。

总之，离子注入工艺通过离子源的产生、离子加速和离子注入等步骤，将特定的离子注入到半导体材料中，从而改变其性质。

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离子注入的杂质分布还与衬底晶向有 关系。如果注入的离子沿规则排列的晶格 方向进入硅中，离子可能要走很长一段路 途才碰到硅原子，因此，进入深度就大， 使杂质分布出现两个峰值，这种现象称为“ 沟道效应”。向<100>， <110>晶向注入 时，往往会发生这种沟道效应，而<111> 再偏离一定角度，情况就好得多。
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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。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。实践表明，用离子注入 方法在硅片内部形成杂质分布与扩散是完 全不同的。扩散法得到的杂质分布近似为 余误差函数和高斯函数分布，而用离子注 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 。
第四章 离子注入工艺
离子注入的特点是加工温度低，易 做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀 ，掺杂种类广泛，并且易于自动化。由 于采用了离子注入技术，大大地推动了 半导体器件和集成电路工业的发展，从 而使集成电路的生产进入了大规模及 ULSI时代。
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一．离子注入工艺设备结构
离子注入机原理图
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§4.1核碰撞和电子碰撞
LSS理论:注入离子在靶内的能量损 失分为两个彼此独立的过程(1)核碰撞， （2）电子碰撞，总能量损失为它们的和。
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核碰撞和电子碰撞:
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（一）、核阻止本领

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
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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。
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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 。
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通过狭窄掩模窗口注入离子后的杂质分布情况
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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

在平均投影射程Rp两边，注入离子浓度对称下降， x-Rp 越大，下降越快。在x-Rp＝±△RP处N(x)/Nmax=e-1/2=0.6065 1 x R pn结的位置：
2 p N B N max exp 2 R p
x j R p R p
2 2 x Rp 1 z2 1 y N ( x, y , z ) exp (2 )3 / 2 R p (R ) 2 2 (R ) 2 (R ) 2 R p
△R┴
Rp
x
y
4.2 注入离子分布
4.1 核碰撞和电子碰撞



注入离子能量 ①低能区：核阻挡占主要，电子阻挡可忽略； ②中能区：核阻挡与电子阻挡相当； ③高能区：电子阻挡占主要，核阻挡可忽略。
4.1 核碰撞和电子碰撞
临界能量（交叉能量）Ene( Ec): Sn(E)=Se(E)处的能量。 ①Ene随注入离子原子量 的增加而增大。 ②轻离子，B: Ene≈15keV， 重离子，P: Ene≈150keV。
离子注入的特点：
④横向扩散小：有利于器件特征尺寸的缩小。 ⑤不受固溶度限制:原则上各种元素均可掺杂。 ⑥注入深度随离子能量的增加而增加。 （诸多优点，使离子注入成为IC工艺的主要掺 杂技术） 缺点： ①损伤(缺陷)较多:必须退火。 ②设备昂贵，成本高。
离子注入基本原理：
基本原理——将杂质原子经过离化变成带电的杂质离
基本概念：
靶：被掺杂的材料。 常用的靶有 晶体靶：Si片； 无定形靶：SiO2、Si3N4、光刻胶等。

无定形靶：可精确控制注入深度。
4.1 核碰撞和电子碰撞