第五章-离子注入

离子注入在硅基材料中的应用
一、引言
随着科技的飞速发展，半导体材料的研究和应用越来越广泛。

其中，硅作为最重要的半导体材料之一，被广泛应用在各种电子设备中。

而离子注入技术作为一种重要的掺杂方法，对硅基材料性能的提升起着关键作用。

二、离子注入技术概述
离子注入是一种通过加速离子束入射到材料表面，使注入的离子深入材料内部并改变其物理、化学性质的技术。

这种技术可以精确地控制注入的元素种类、剂量以及深度分布，因此在微电子、光电等领域有着广泛的应用。

三、离子注入在硅基材料中的应用
1. 掺杂：离子注入技术可以精确控制掺杂元素的种类和浓度，从而实现精确的电学特性控制。

例如，可以通过硼或磷离子注入制造p型或n型硅半导体。

2. 制造MOS器件：通过离子注入可以在硅片上制造出氧化层下的杂质区域，这是制造金属-氧化物-半导体（MOS）器件的关键步骤。

3. 退火处理：离子注入过程中，高速离子与硅原子发生碰撞，会产生大量的缺陷。

这些缺陷会影响硅材料的电学性能。

通过适当的热处理（退火），可以修复这些缺陷，提高硅材料的电学性能。

四、总结
离子注入技术的发展，极大地推动了硅基材料在电子工业中的应用。

然而，离子注入技术也面临着一些挑战，如如何进一步提高注入精度，如何更好地理解和控制注入后的退火过程等。

这些问题的解决，将有助于我们更好地利用离子注入技术，开发出更优秀的硅基电子器件。

当注入离子未与硅原子碰撞减速,而就是穿透了 晶格间隙时(见下图)就发生了沟道效应。
沿<110>晶向得硅晶格视图
控制沟道效应得方法 1、 倾斜硅片:保证很短距离发生碰撞
常用方法,一般MOS工艺倾斜7o 阴影效应、横向掺杂、超浅结注入不起作用 2、 缓冲氧化层:离子通过氧化层后,方向随机。 可同时减小离子注入损伤 产生不需要得氧注入 有效性与厚度、注入能量、方向、杂质种类相关
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器件得抗闩锁和穿通能力。
穿通阻挡层注入
作用:防止亚微米及以下得短沟道器件源漏穿通,保 证源漏耐压。
阈值电压调整注入
NMOS阈值电压公式:
QBm＝q·NB·Xdm, QBm为表面耗尽层单位面积上得电荷密度
轻掺杂漏(LDD:Lightly Doped Drain )注入
其中N为入射离子总数,RPi为第i个离子得投影射程
离子投影射程得平均标准偏差△RP为
RP
RP RP,i 2 N
其中N为入射离子总数 Rp 为平均投影射程 Rpi为第i个离子得投影射程
离子注入浓度分布
LSS理论描述了注入离子在无定形靶中得浓度分布 为高斯分布其方程为
其中φ为注入剂量 χ为离样品表面得深度 Rp为平均投影射程 △Rp为投影射程得平均标准偏差
通过调节磁场大小 选择特定得离子
3、 加速管
加速管用来加速正离子以获得更高得速度(即动能) 。
加速管
离子注入能量与剂量
高能注入
线性加速器:一组电极,只有离子处于两电极之间时 两电极加电压,从而只需几十kV得电压源产生可达 MeV得注入能量。
低能注入
带相同电荷得离子在行进过程中互相排斥,低能注 入行进时间长,离子束直径增大明显。 增大束斑、减小束流、减小离子束运动距离(甚至 不用加速管)、束流减速、空间电荷中和。

4、离子注入系统复杂昂贵。
3
离子注入的应用
半导体掺杂工艺： 大规模集成电路 固体材料表面改性： 抗腐蚀、硬度、耐磨、润滑 光波导: 光纤传感器 太阳能电池
离子注入机设备与发展
中束流 μA 350D
NV6200A
NV10-80
大束流 mA NV10-160 NV10-160SD NV10-180
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，其方向改变，能量减少，经过一 段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。 离子浓度呈高斯分布。
x
y
0
z
注入离子分布(高斯型)
RP：投影射程，射 程的平均值
2.3 退火工艺
• 注入离子会引起晶格损伤ห้องสมุดไป่ตู้一个高能离子可以 引起数千个晶格原子位移）。 • 离子注入后需要将注入离子激活。
基本结构：离子注入系统（传统）
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（离子能量为100keV量级)。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分 离中性原子。
4 总结
未来电子技术发展水平的瓶颈；
未来高精工艺的发展方向；
未来尖端技术如航空航天、军事等领域 所必须的基础。
Thank you!
各向同性
可以独立控制结深和浓 不能独立控制结深和 离子注入与扩散的比较 3 度 浓度
一 言 以 蔽 之 ： 可 控 性 好
离子注入的缺点

§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，还有足够高的能量于
其他原子发生碰撞使其移位，这种不断碰撞的现象称 为“级联碰撞”。
小结
❖ 离子注入相比于扩散的优缺点 ❖ 两种碰撞（阻止）模型及其适用情况 ❖ 注入离子的分布；射程和投影射程的概念；沟道效应的
原因及解决方法 ❖ 离子注入系统的主要构件及其基本原理 ❖ 注入损伤的形成及影响，级联碰撞 ❖ 热退火的定义及作用，热退火进入晶格位置，实现一定比例的电
激活
热退火过程（固相外延）
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，会导致明显的杂质 再分布，还可能造成硅片翘曲变形
❖ 快速退火的目的：降低退火温度或缩短退火时间 ❖ 快速退火手段：脉冲激光；脉冲电子束；扫描电子束等
Self-alignment（自对准掺杂）
离子注入的缺点：
❖ 入射离子对衬底有损伤； ❖ 很浅和很深的结难于制得； ❖ 高剂量注入产率受限制； ❖ 设备昂贵。
§4.1 离子注入机理
LSS理论：S=Sn+Se
核碰撞（核阻止） ❖ 和晶格原子的原子核发
生碰撞 ❖ 发生明显的散射 ❖ 造成大量晶格损伤
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。
热退火的定义和目的
定义： ❖ 将注入离子的硅片在一定温度和氛围下，进行适