第四章 离子注入
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第四章 离子注入
❖ 根据LSS射程分布的理论，离子注入非晶靶后的杂质浓度 以高斯函数的形式分布
C(xp)Cmaex x p([2 x(p RRpp)2 )2]
ΔRp ：标准偏差
RP：平均投影射程
xp ：投影射程
Cmax：峰值处的离子浓度
C(xp)：表示距靶表面深度为xp处的注入离子浓度
精品课件
如果把杂质浓度分布公式对 xp 积分，就得到 单位面积的表面层中注入的总离子数，即注入剂量NS
低能 区
中能 区
dESnESeE
dx
高能 区
核阻止本领和电子阻止本领曲线
(1)低能区：Sn(E)占主要地位，Se(E)可忽略 (2)中能区：Sn(E)和Se(E)同等重要 (3)高能区：Se(E) 占主要地位， Sn(E) 可忽略
精品课件
1.2几个基本概念：射程、投影射程及 标准偏差
射程R : 离子从进入靶开始到停止点所通
精品课件
3) 离子注入的能量损失机制
获得一定能量后的靶原子核可能离开原来 的晶格位置。 ——若进入晶格间隙，留下空位，形 成缺陷； ——还可以继续碰撞另外一个原子核， 使一系列核离开晶格位置，造成晶体损 伤。 ——当剂量很高时，甚至可以使单晶 硅严重损伤以至变成无定形硅。
精品课件
❖单位路程上注入离子由于核阻止（Sn(E)） 和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量
过的总路程叫射程。
投影射程xp : 射程在离子入射方向的投影长度
称作投影射程。
射程横向分量Xt： 射程在垂直于入射 方向的平面内的投 影长度
精品课件
射程、投影射程及标准偏差
❖ 平均投影射程RP ：虽然入射到靶内的是同一种离子、具
有的能量也相同，但是各个入射离子进入靶后所经历的碰 撞过程是一个随机过程，所以各个离子的射程和投影射程 不一定相同。大量入射离子投影射程的统计平均值称作平
第四章离子注入
碰撞，这种碰撞能瞬间形成电
子空穴对。由于两者的质量相
差很大，每次碰撞注入离子能
量损失小，散射角度小，运动
方向基本不变。
第四章离子注入
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（Sn(E)）
和电子阻止(Se(E) )所损失 的能量 。 核阻止本领Sn(E) ：来自靶原子 核的阻止。 电子阻止本领Se(E) ：来自靶内 自由电子和束缚电子的阻 止。
第四章 离子注入
第四章离子注入
4.1离子注入设备与工艺 4.2核碰撞和电子碰撞 4.3注入离子在无定形靶中的分布 4.4注入损伤 4.5热退火
第四章离子注入
❖ 离子注入技术是20世纪60年代开 始发展起来的掺杂工艺,它在很多方 面都优于扩散工艺.由于采用了离子 注入技术,推动集成电路的发展,从 而使集成电路进入了超大规模.
通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近； 也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中， 使杂质分布为设计形状第。四章离子注入
9
离子注入有别于扩散工艺的特点表现在以下几 个方面： ❖ 1、可以用质量分析系统获得单一能量的高纯
杂质原子束，没有沾污。因此，一台注入机 可用于多种杂质。此外，注入过程是在真空
（如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶）进行选
择掺杂。在制备不能采用扩散工艺的器件时，
这为独特的自对准掩模技术的设计提供了很
大的自由度。
❖ 4、离子束的穿透深度随离子能量的增大而增
大，因此，控制同一种或不同种的杂质进行
多次注入时的能量和剂量，可以在很大的范
围内得到不同的掺杂剂浓度分布截面。用这
种方法比较容易获得超陡的和倒置的掺杂截
第四章离子注入
4.1 核碰撞和碰撞
4.1.3 射程粗略估计 LSS模型：引入简化的无量纲的能量参数ε和射程参 数ρ，即 ρ = (RNM1M24πa2)/(M1+M2)2 ε = E0aM2/[Z1Z2q2(M1+M2)] N- 单位体积的原子数； 1/2 作图，得图4.5 以dε/dρ–ε
4.1 核碰撞和电子碰撞
第四章 离子注入
定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的沟道掺杂， 防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。 特点: ①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,<400℃。 （避免了高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩 蔽膜。） ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在 ±1％（高浓度扩散5％－10％）；能精确控制浓度分 布及结深，特别适合制作高浓度浅结、突变型分布。
注入离子能量与阻挡本领 ①高能区：电子阻挡占主要，核阻挡可忽略。 ②中能区：核阻挡占与电子阻挡相当； ③低能区：核阻挡占主要，电子阻挡可忽略；
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。
4.2 注入离子分布
1.总射程R 定义：注入离子在靶内走过的路径之和。 R与E的关系：根据能量的总损失率， dE dE dE , S E S E
dR dR
n
dR
e
n
e
1 E0 dE S n E S e E dE 则， R dR E0 0 dE / dR 0
第四章 离子注入
第四章：离子注入.
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。
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）。
SOI结构SEM照片
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
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
QBm＝q· NB· Xdm， QBm为表面耗尽层单位面积上的电荷密度
轻掺杂漏（LDD：Lightly Doped Drain ） 注入
源漏注入
多晶硅栅掺杂注入 沟槽电容器注入
超浅结注入
超浅结
绝缘体上的硅（SOI）中的氧注入
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）
χ — 离样品表面的深度
Rp — 平均投影射程
Scharff and Schiott首
先确立了注入离子在靶 内分布理论, 简称 LSS 理论
△Rp — 投影射程的平均标准偏差
离子注入的浓度分布曲线
离子注入浓度分布的最大浓度Nmax
第四章离子注入
分析磁体 粒子束
加速管
工艺腔 扫描盘
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，
10~200Kev ❖ 注入剂量（单位：原子数/cm2）——决定杂质浓度 ❖ 束流（单位：mA或uA）——决定扫描时间 ❖ 注入扫描时间（单位：秒）——决定注入机产能
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，
要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中
的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合，
成为中性的粒子。
对于出现在扫描 系统以前的中性粒子
没有偏转的中性束粒子继续向前
，扫描电场对它已不
200 kev 注入离子在 靶中的高斯分布图
硼原子在不同入射能量 对深度及浓度分布图
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
❖ 已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材 （衬底Si,SiO2,Si3N4等）
求解step1：查LSS表可得到Rp和ΔRp
和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量 损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-dE/dx：能量损失梯度
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
能量E的函数
Se(E)：电子阻止本领
C: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
能量为E的 入射粒子在 密度为C的 靶内走过x 距离后损失 的能量
加速管
工艺腔 扫描盘
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，
10~200Kev ❖ 注入剂量（单位：原子数/cm2）——决定杂质浓度 ❖ 束流（单位：mA或uA）——决定扫描时间 ❖ 注入扫描时间（单位：秒）——决定注入机产能
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，
要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中
的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合，
成为中性的粒子。
对于出现在扫描 系统以前的中性粒子
没有偏转的中性束粒子继续向前
，扫描电场对它已不
200 kev 注入离子在 靶中的高斯分布图
硼原子在不同入射能量 对深度及浓度分布图
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
❖ 已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材 （衬底Si,SiO2,Si3N4等）
求解step1：查LSS表可得到Rp和ΔRp
和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量 损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-dE/dx：能量损失梯度
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
能量E的函数
Se(E)：电子阻止本领
C: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
能量为E的 入射粒子在 密度为C的 靶内走过x 距离后损失 的能量
集成电路工艺第四章：离子注入
其中N为入射离子总数， 为第i 其中N为入射离子总数，RPi为第i个离子的投影射 程
离子投影射程的平均标准偏差△ 离子投影射程的平均标准偏差△RP为
其中N 其中N为入射离子总数 Rp 为平均投影射程 Rpi为第 Rpi为第i个离子的投影射程 为第i
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 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 其中 为注入剂量 χ为离样品表面的深度 为离样品表面的深度 Rp为平均投影射程 为平均投影射程 △Rp为投影射程的平均标准偏差 为投影射程的平均标准偏差
离子注入的浓度分布曲线
离子注入浓度分布的最大浓度Nmax 离子注入浓度分布的最大浓度Nmax
从上式可知，注入离子的剂量φ越大， 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， 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
4.2 离子注入工艺原理
离子注入参数
注入剂量φ 注入剂量 注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数 是样品表面单位面积注入的离子总数。 注入剂量 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（ 其中 为束流，单位是库仑每秒（安 培） t为注入时间，单位是秒 为注入时间， 为注入时间 q为电子电荷，等于 ×10－19库仑 为电子电荷， 为电子电荷 等于1.6× n为每个离子的电荷数 为每个离子的电荷数 A为注入面积，单位为 2 —束斑 为注入面积， 为注入面积 单位为cm
2267 475 866 198 673 126
4587 763 1654 353 1129 207
6736 955 2474 499 1553 286
第四章 离子注入
2 2 2 x R 1 1 y z p f x , y , z 3 exp 2 2 2 / 2 2 Y Z 2 R Y Z R p p
25
26
三、一级近似得到的高斯分布，在峰值附近与实际分布符合
较好，距峰值较远时有一定偏离 原因： 高斯分布是在随机注入条件下得到的粗略结果，那些碰撞 次数小于平均值的离子，可能停止在比Rp更远处； 而碰撞次数大于平均值的离子可能停在表面与Rp之间； 实际注入时还有更多影响离子分布的因素需考虑： B：峰值靠近表面一侧的离子数量高于另一侧（轻，大角 度散射），不服从严格的高斯分布，出现明显的不对称性， 如下图所示； As：x > Rp一侧有较多的离子分布（重，散射角小），同 样也偏离了理想的高斯分布。 尽管如此，实践中通常仍利用理想高斯分布来快速估算 注入离子在非晶靶以及单晶靶材料中的分布。 27
S E CV k E e e
1 2
其中V为注入离子的速度，系数ke与注入离子的原子序数、质
量、靶材料的原子序数和质量有着微弱的关系。在粗略近似下， 对于无定形硅靶来说， ke为一常数。
17
4.1.3 射程的粗略估计
根据LSS理论，得到核阻止本领和电子阻止本领曲线，如 下图所示，其中和是无量纲的能量和射程参数。
5
目 录
4.1 核碰撞和电子碰撞
4.2 注入离子在无定形靶中的分布
4.3 注入损伤
4.4 热退火
6
4.1 核碰撞和电子碰撞
注入离子在靶内的分布理论（LSS理论）
1963年，林华德(Lindhard)，沙夫(Scharff)和希奥特(Schiott) 首先确立：
第四章离子注入
第四章 离子注入
1954年，Bell Lab. ，Shockley 提出； 应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的沟道掺 杂，防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。 定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 特点: ①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,<400℃。避免了 高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜。 ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在 ±1％（高浓度扩散5％－10％）；能精确控制浓度分 布及结深，特别适合制作高浓度浅结器件。
max
⎢ ⎣ 2
∆RP
⎥ ⎦
Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值浓度（在RP处），NS—注入剂量
4.2 注入离子分布
4.2.2 横向效应 ①横向效应与注入 能量成正比； ②是结深的30％ －50％； ③窗口边缘的离子 浓度是中心处的50％；
4.2 注入离子分布
4.2.3 沟道效应(ion channeling) 非晶靶：对注入离子的 阻挡是各向同性； 单晶靶：对注入离子的 阻挡是各向异性； 沟道：在单晶靶的主晶 轴方向呈现一系列平行 的通道，称为沟道。
dR dR
n
dR
e
n
e
−1 E0 dE R = ∫ dR = − ∫ = ∫ [S n (E ) + S e (E )] dE E0 dE / dR 0 0
式中，E0—注入离子的初始能量。
4.2 注入离子分布
2.投影射程XP： 总射程R在离子入射方向 （垂直靶片）的投影长度 ，即离子注入的有效深度。 3.平均投影射程RP： 投影射程XP的平均值，具 有统计分布规律－几率分 布函数。
4.1 核碰撞和电子碰撞
4.1.1 核阻挡本领Sn(E) Sn(E)=(dE/dx)n (dE/dx)n --核阻挡能量 损失率.
1954年，Bell Lab. ，Shockley 提出； 应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的沟道掺 杂，防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。 定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 特点: ①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,<400℃。避免了 高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜。 ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在 ±1％（高浓度扩散5％－10％）；能精确控制浓度分 布及结深，特别适合制作高浓度浅结器件。
max
⎢ ⎣ 2
∆RP
⎥ ⎦
Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值浓度（在RP处），NS—注入剂量
4.2 注入离子分布
4.2.2 横向效应 ①横向效应与注入 能量成正比； ②是结深的30％ －50％； ③窗口边缘的离子 浓度是中心处的50％；
4.2 注入离子分布
4.2.3 沟道效应(ion channeling) 非晶靶：对注入离子的 阻挡是各向同性； 单晶靶：对注入离子的 阻挡是各向异性； 沟道：在单晶靶的主晶 轴方向呈现一系列平行 的通道，称为沟道。
dR dR
n
dR
e
n
e
−1 E0 dE R = ∫ dR = − ∫ = ∫ [S n (E ) + S e (E )] dE E0 dE / dR 0 0
式中，E0—注入离子的初始能量。
4.2 注入离子分布
2.投影射程XP： 总射程R在离子入射方向 （垂直靶片）的投影长度 ，即离子注入的有效深度。 3.平均投影射程RP： 投影射程XP的平均值，具 有统计分布规律－几率分 布函数。
4.1 核碰撞和电子碰撞
4.1.1 核阻挡本领Sn(E) Sn(E)=(dE/dx)n (dE/dx)n --核阻挡能量 损失率.
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R
E0 dE dE E0 S ( E ) S ( E ) 0 S E S E n e n e 0
（4.4）
E0为注入离子的起始能量。
在p=0时，两球将发生正面碰撞，此时传输的能量最大，用表示： （4.5） 实际上注入离子与靶原子之间还存在着相互作用力（吸引力或排斥 力）。 若忽略外围电子的屏蔽作用，这两个粒子之间的作用力实际上就是库 仑力： q2Z Z
S n E dx n
同样，电子阻止本领定义为:
dE S e E dx e
（4.2）
在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为:
dE S n E S e E dx
（4.3） 如果知道了Sn(E)和Se(E)，就可以直接对上式积分，求出注入离子在靶内 运动的总路程:
2 DR
*注入离子分布
1 x R 2 p N(x)=Nmax exp DR 2 p
N(x):距表面x处的浓度, DRp:查表所得的标准偏差 Nmax:峰值浓度(x=Rp处) Rp:平均投影射程
*离子注入结深计算
N (x j ) 1 xR NS p exp 2 DR p 2 DR p
F r r
1 2 2
4M 1 M 2 1 2 TM M 2U 2 E 2 M 1 势函数形式为
（4.7） 其中Z1和Z2分别为两个粒子的原子序数，r为距离(只考虑库仑作用时， 对运动缓慢而质量较重的注入离子来说，所得结果与实验不太符合)。 当考虑电子屏蔽作用时，注入离子与靶原子之间 的相互作用的势函数可用下面形式表示：
注入杂质原子能量损失
携能杂 质离子
硅晶格
Si Si Si X-射线 Si Si Si Si Si Si Si
电子碰撞
Si Si
原子碰撞
Si Si Si Si
被移动的硅原子
Si
Si Si Si
Si
Si
Si
Si
(二)．核碰撞和电子碰撞
不同靶材、不同注入离子的 Ec不同，对于硅靶：B注入 时Ec=15ev,P注入Ec=150ev。 注入能量>>Ec，主要以电子 在LSS理论中，把固体中的电子看为自由电子气。电 阻止形式损失能量，核阻止 子的阻止就类似于黏滞气体的阻力，在注入离子常用 损失的能量可以忽略,则射 能量范围内，电子的阻止本领： E CV k E 1 2 程： Se R k1 E1 2 e 则入射离子主要 其中V为注入离子的速度，系数Ke与注入离子的原子 E Ec 以核阻止形式损失能量，射 序数、质量、靶材料的原子序数以及质量有着微弱的 程： 关系。无定形靶为一常数。
沿 <110> 轴的硅晶格视图
Used with permission from Edgard Torres Designs
离子入射角与沟道
<100>
<110>
<111>
Used with permission from Edgard Torres Designs
解决办法，偏离此方向，以大于临界角注入。
硅片工艺流程中的离子注入
硅片制造 (前端) 硅片起始
薄膜
无图形硅片 完成的硅片 扩散 光刻
抛光
刻蚀
光刻胶掩蔽
测试/拣选 注入后退火
注入 硬膜掩蔽 （氧化硅或氮化硅）
控制杂质浓度和深度
低能 低剂量 快速扫描 高能 大剂量 慢速扫描
离子注入机 掺杂离子 束扫描 掩蔽层
Ion implanter
Beam scan
（4.8） 其中f(r/a)是电子屏蔽函数，a为屏蔽参数（其 大小和玻尔半径同数量级）。一般地说，当r由 零变∞时，应该由1变到零。f(r/a)的最简单形 式可选取下面形式： f r a a r （4.9） 那么注入离子与靶原子之间的势函数与距离的平 方成反比。
V r q 2 Z1Z 2 r f r a
xj
Mask
Mask
Mask
xj
Silicon substrate Silicon substrate
a)
低掺杂浓度 (n–, p–) 和浅结深 (xj)
b)
高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结深 (xj)
离子注入机
离子注入机
Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side
第四章 离子注入
教师： 潘国峰 E-mail: pgf@
河北工业大学微电子研究所
离子注入技术始于20世纪60年代。离子注入技术大大推 动了半导体器件和集成电路的发展,从而使集成电路的生产进 入超大规模时代。 1952年,美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善 半导体的特性。 1954年前后，shockley提出采用离子注入技术能够制造半导体 器件,并且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。 1955年,英国的W.D.Cmsins发现硼离子轰击锗晶片时，可在N型 材料上形成P型层。到了1960年,对离子射程的计算和测量、辐 射损伤效应以及沟道效应等方面的重要研究已基本完成。离子 注入技术开始在半导体器件生产上得到广泛应用。 1968年，报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分 布的变容二极管以及铝栅自对准MOS晶体管。 1972年后对离子注入现像有了更深入的了解,并且采用离子注 入技术制造具有不少独特优点的砷化镓高速集成电路。 目前，离子注入技术已成为超大规模集成电路制造中不可 缺少的掺杂工艺。
离子注入到无定形靶中的高斯分布情况
4.2.4
浅结的形成
随集成度的提高，为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器件的短沟道 效应。要求减小CMOS的源、漏结的结深。而且CMOS器件还要求高的表面掺杂 浓度、低接触电阻以及小的结漏电流。 浅结制造困难较多，①如硼注入形成浅P＋结，问题很多，见书上 （P90)， ②降低注入能量形成浅结，但低能注入时的沟道效应明显，离子 束稳定性，尤其需大束流注入的源、漏区和发射区，问题更严重。由空间电 荷效应造成（带电离子相互排斥造成的。离子的能量低、飞行时间长、导致 离子束发散），可利用宽束流和缩短路径加以解决。 预先非晶化是一种实现P+结的比较理想方法。在注硼前，以重离子高 剂量注入形成表面非晶层，以减小沟道效应；也可注入不激活物质如Si+、 Ce+、Sb＋形成非晶层。注入Si+结深下降20％。注入Ce+ 结深下降40％，具 有更小的缺陷和漏电流。
一.损伤形式
1、孤立的点缺陷或缺陷群， 2、局部非晶层，一般与低剂量的重原子注入有关， 3、非晶层，局部非晶层的相互重叠， 解决：退火、激活
离子束 修复硅晶格结构 并激活杂质－硅键
a) 注入过程中损伤的硅晶格
b) 退火后的硅晶格
二.移位原子数的估算
三．非晶层的形成
四. 损伤区的分布
轻离子，电子碰撞为主，位移少，晶格损伤小，损伤 体积计算见P105
R k 2 E0
4.2.1 注入离子的纵向分布
* 注入离子的分布计算
1.平均投影射程Rp，标准偏差DR通过查表 根据靶材（Si，SiO2， Ge），杂质离子(B，P，As) 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)： Ns ＝ Qss/q =(I t) /(q A) Ns 4.最大离子浓度：NMAX=
离子注入的概念：将具有很高能量的杂质离子射入半导
体衬底中的掺杂技术。 掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由 注入杂质离子的数目(剂量)决定。
离子注入特点：
掺杂的均匀性好、污染小 温度低：小于400℃ 可以精确控制杂质分布（数量和深度） 可以注入各种各样的元素、无固溶度的限制 横向扩展比扩散要小得多。 可以对化合物半导体进行掺杂
q 2 Z1 Z 2 V r r2
(一).射程的概念
杂质离子的射程和投影射程
入射离 子束
硅衬底 对单个离 子停止点
Rp
DRp杂
质分布
注入能量对应射程图
1.0
注入到 硅中
Projected Range, Rp (mm) P As
B 0.1
Sb
0.01
10
100
注入能量 (keV)
1,000
1．普通热退火
退火时间通常为15--30min，使用通常的扩散炉， 在真空或氮、氩等气体的保护下对衬底作退火处理。 缺点：清除缺陷不完全，注入杂质激活不高，退火温 度高、时间长，导致杂质再分布。
2．硼的退火特性
Ⅰ区单调上升：点缺 陷、陷井缺陷消除、 自由载流子增加 Ⅱ区出现反退火特性： 代位硼减少，淀积在 位错上 Ⅲ区单调上升剂量越 大，所需退火温度越 高。
目录
4.1 核碰撞和电子碰撞（核、电子阻止本领、射程估计） 4.2 注入离子在无定形靶中的分布（纵向分布、横向效
应、沟道效应和浅结的形成）
4.3 注入损伤（级联碰撞、简单晶格损伤、非晶形成） 4.4 退火（硅的退火特性、硼、磷退火特性，退火中的扩散效应、
快速退火）
4.1
核碰撞和电子碰撞
设一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻止本 领可定义为: （4.1） dE
重离子，原子碰撞为主，位移多，晶格损伤大,损 伤体积计算见P105 4.22式
4.4
热退火
退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、氩 等高纯气体的保护下，经过适当时间的热处理， 部分或全部消除硅片中的损伤，少数载流子的寿命及 迁移率也会不同程度的得到恢复， 电激活掺入的杂质 分为普通热退火、硼的退火特性、磷的退火特性、扩 散效应、快速退火
E0 dE dE E0 S ( E ) S ( E ) 0 S E S E n e n e 0
（4.4）
E0为注入离子的起始能量。
在p=0时，两球将发生正面碰撞，此时传输的能量最大，用表示： （4.5） 实际上注入离子与靶原子之间还存在着相互作用力（吸引力或排斥 力）。 若忽略外围电子的屏蔽作用，这两个粒子之间的作用力实际上就是库 仑力： q2Z Z
S n E dx n
同样，电子阻止本领定义为:
dE S e E dx e
（4.2）
在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为:
dE S n E S e E dx
（4.3） 如果知道了Sn(E)和Se(E)，就可以直接对上式积分，求出注入离子在靶内 运动的总路程:
2 DR
*注入离子分布
1 x R 2 p N(x)=Nmax exp DR 2 p
N(x):距表面x处的浓度, DRp:查表所得的标准偏差 Nmax:峰值浓度(x=Rp处) Rp:平均投影射程
*离子注入结深计算
N (x j ) 1 xR NS p exp 2 DR p 2 DR p
F r r
1 2 2
4M 1 M 2 1 2 TM M 2U 2 E 2 M 1 势函数形式为
（4.7） 其中Z1和Z2分别为两个粒子的原子序数，r为距离(只考虑库仑作用时， 对运动缓慢而质量较重的注入离子来说，所得结果与实验不太符合)。 当考虑电子屏蔽作用时，注入离子与靶原子之间 的相互作用的势函数可用下面形式表示：
注入杂质原子能量损失
携能杂 质离子
硅晶格
Si Si Si X-射线 Si Si Si Si Si Si Si
电子碰撞
Si Si
原子碰撞
Si Si Si Si
被移动的硅原子
Si
Si Si Si
Si
Si
Si
Si
(二)．核碰撞和电子碰撞
不同靶材、不同注入离子的 Ec不同，对于硅靶：B注入 时Ec=15ev,P注入Ec=150ev。 注入能量>>Ec，主要以电子 在LSS理论中，把固体中的电子看为自由电子气。电 阻止形式损失能量，核阻止 子的阻止就类似于黏滞气体的阻力，在注入离子常用 损失的能量可以忽略,则射 能量范围内，电子的阻止本领： E CV k E 1 2 程： Se R k1 E1 2 e 则入射离子主要 其中V为注入离子的速度，系数Ke与注入离子的原子 E Ec 以核阻止形式损失能量，射 序数、质量、靶材料的原子序数以及质量有着微弱的 程： 关系。无定形靶为一常数。
沿 <110> 轴的硅晶格视图
Used with permission from Edgard Torres Designs
离子入射角与沟道
<100>
<110>
<111>
Used with permission from Edgard Torres Designs
解决办法，偏离此方向，以大于临界角注入。
硅片工艺流程中的离子注入
硅片制造 (前端) 硅片起始
薄膜
无图形硅片 完成的硅片 扩散 光刻
抛光
刻蚀
光刻胶掩蔽
测试/拣选 注入后退火
注入 硬膜掩蔽 （氧化硅或氮化硅）
控制杂质浓度和深度
低能 低剂量 快速扫描 高能 大剂量 慢速扫描
离子注入机 掺杂离子 束扫描 掩蔽层
Ion implanter
Beam scan
（4.8） 其中f(r/a)是电子屏蔽函数，a为屏蔽参数（其 大小和玻尔半径同数量级）。一般地说，当r由 零变∞时，应该由1变到零。f(r/a)的最简单形 式可选取下面形式： f r a a r （4.9） 那么注入离子与靶原子之间的势函数与距离的平 方成反比。
V r q 2 Z1Z 2 r f r a
xj
Mask
Mask
Mask
xj
Silicon substrate Silicon substrate
a)
低掺杂浓度 (n–, p–) 和浅结深 (xj)
b)
高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结深 (xj)
离子注入机
离子注入机
Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side
第四章 离子注入
教师： 潘国峰 E-mail: pgf@
河北工业大学微电子研究所
离子注入技术始于20世纪60年代。离子注入技术大大推 动了半导体器件和集成电路的发展,从而使集成电路的生产进 入超大规模时代。 1952年,美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善 半导体的特性。 1954年前后，shockley提出采用离子注入技术能够制造半导体 器件,并且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。 1955年,英国的W.D.Cmsins发现硼离子轰击锗晶片时，可在N型 材料上形成P型层。到了1960年,对离子射程的计算和测量、辐 射损伤效应以及沟道效应等方面的重要研究已基本完成。离子 注入技术开始在半导体器件生产上得到广泛应用。 1968年，报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分 布的变容二极管以及铝栅自对准MOS晶体管。 1972年后对离子注入现像有了更深入的了解,并且采用离子注 入技术制造具有不少独特优点的砷化镓高速集成电路。 目前，离子注入技术已成为超大规模集成电路制造中不可 缺少的掺杂工艺。
离子注入到无定形靶中的高斯分布情况
4.2.4
浅结的形成
随集成度的提高，为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器件的短沟道 效应。要求减小CMOS的源、漏结的结深。而且CMOS器件还要求高的表面掺杂 浓度、低接触电阻以及小的结漏电流。 浅结制造困难较多，①如硼注入形成浅P＋结，问题很多，见书上 （P90)， ②降低注入能量形成浅结，但低能注入时的沟道效应明显，离子 束稳定性，尤其需大束流注入的源、漏区和发射区，问题更严重。由空间电 荷效应造成（带电离子相互排斥造成的。离子的能量低、飞行时间长、导致 离子束发散），可利用宽束流和缩短路径加以解决。 预先非晶化是一种实现P+结的比较理想方法。在注硼前，以重离子高 剂量注入形成表面非晶层，以减小沟道效应；也可注入不激活物质如Si+、 Ce+、Sb＋形成非晶层。注入Si+结深下降20％。注入Ce+ 结深下降40％，具 有更小的缺陷和漏电流。
一.损伤形式
1、孤立的点缺陷或缺陷群， 2、局部非晶层，一般与低剂量的重原子注入有关， 3、非晶层，局部非晶层的相互重叠， 解决：退火、激活
离子束 修复硅晶格结构 并激活杂质－硅键
a) 注入过程中损伤的硅晶格
b) 退火后的硅晶格
二.移位原子数的估算
三．非晶层的形成
四. 损伤区的分布
轻离子，电子碰撞为主，位移少，晶格损伤小，损伤 体积计算见P105
R k 2 E0
4.2.1 注入离子的纵向分布
* 注入离子的分布计算
1.平均投影射程Rp，标准偏差DR通过查表 根据靶材（Si，SiO2， Ge），杂质离子(B，P，As) 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)： Ns ＝ Qss/q =(I t) /(q A) Ns 4.最大离子浓度：NMAX=
离子注入的概念：将具有很高能量的杂质离子射入半导
体衬底中的掺杂技术。 掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由 注入杂质离子的数目(剂量)决定。
离子注入特点：
掺杂的均匀性好、污染小 温度低：小于400℃ 可以精确控制杂质分布（数量和深度） 可以注入各种各样的元素、无固溶度的限制 横向扩展比扩散要小得多。 可以对化合物半导体进行掺杂
q 2 Z1 Z 2 V r r2
(一).射程的概念
杂质离子的射程和投影射程
入射离 子束
硅衬底 对单个离 子停止点
Rp
DRp杂
质分布
注入能量对应射程图
1.0
注入到 硅中
Projected Range, Rp (mm) P As
B 0.1
Sb
0.01
10
100
注入能量 (keV)
1,000
1．普通热退火
退火时间通常为15--30min，使用通常的扩散炉， 在真空或氮、氩等气体的保护下对衬底作退火处理。 缺点：清除缺陷不完全，注入杂质激活不高，退火温 度高、时间长，导致杂质再分布。
2．硼的退火特性
Ⅰ区单调上升：点缺 陷、陷井缺陷消除、 自由载流子增加 Ⅱ区出现反退火特性： 代位硼减少，淀积在 位错上 Ⅲ区单调上升剂量越 大，所需退火温度越 高。
目录
4.1 核碰撞和电子碰撞（核、电子阻止本领、射程估计） 4.2 注入离子在无定形靶中的分布（纵向分布、横向效
应、沟道效应和浅结的形成）
4.3 注入损伤（级联碰撞、简单晶格损伤、非晶形成） 4.4 退火（硅的退火特性、硼、磷退火特性，退火中的扩散效应、
快速退火）
4.1
核碰撞和电子碰撞
设一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻止本 领可定义为: （4.1） dE
重离子，原子碰撞为主，位移多，晶格损伤大,损 伤体积计算见P105 4.22式
4.4
热退火
退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、氩 等高纯气体的保护下，经过适当时间的热处理， 部分或全部消除硅片中的损伤，少数载流子的寿命及 迁移率也会不同程度的得到恢复， 电激活掺入的杂质 分为普通热退火、硼的退火特性、磷的退火特性、扩 散效应、快速退火