5-离子注入解析
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离子注入知识学习
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成本高
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4.2 离子注入设备原理
离子注入设备结构
①离子源;②质量分析器;③加速器;④偏束板;⑤扫描器;⑥靶 室
离子注入系统的原理示意图
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4.3 离子注入机理 -核碰撞与电子碰撞
4.3.3 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; 以dε/dρ–ε1/2 作图,得图4.5
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4.3 离子注入机理 -核碰撞与电子碰撞
①注入离子与靶原子的相互作用
库仑力 F(r)=q2Z1Z2/r2
势能
V(r)=q2Z1Z2/r
Z1 、Z2 --核电荷数;r—距离。
②考虑电子的屏蔽作用
势能
V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a)
f(r/a)--屏蔽函数;a--屏蔽参数;
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。
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4.1 离子注入特点
③无污染:注入离子纯度高,能量单一。
（质量分析器;背景真空度高）
④横向扩散小:有利于器件特征尺寸的缩小。
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5离子注入
• (4)束流是发散的，可以省去束流约束与扫 描系统而达到大的注入面积 • 其革命性主要表现在两个方面 • 一是它的高性能 • 一是使离子注入机的结构大大简化，主要 由离子源、靶室和真空系统这三部分组成
• M EVVA源金属离子注入特别适用于以下几 类工模具和零部件的表面处理： • (1)金属切削工具(包括各种用于精密加 工和数控加工中使用的钻、铣、车、磨等 工具和硬质合金工具)，一般可以提高使用 寿命3-10倍； • (2)热挤压和注塑模具，可使能耗降低 20%左右，延长使用寿命10倍左右；
2、离子注入基本原理
• 用一定能量的离子束入射到材料中去， 离子束与材料中的原子或分子将发生 一系列物理的和化学的相互作用，入 射离子逐渐损失能量，最后停留在材 料中，并引起材料表面成分、结构和 性能发生变化，从而优化材料表面性 能，或获得某些新的优异性能。
2、离子注入基本原理
• 离子束材料改性，内容主要包括三个方面 1、改善物理性能 例如改善材料发面的电磁 学及光学性能，提尚超导的转变温度等； 2．改善化学性能 例如提高材料表面的抗腐 蚀、抗氧化件能； 3．改善机械性能 例如改变材料表面的摩擦 系数，提高表面硬度和抗磨损能力，改善 • 材料的疲劳性能等。
• 2）、离子注入应用于金属材料改性 70年代以后，离子注入在金属表面改性方面的 应用迅速发展。 • 离子注入应用于金属材料改性，是在经过热处 理或表面镀膜工艺的金属材料上，注入一定剂 量和能量的离子到金属材料表面，改变材料表 层的化学成份、物理结构和相态，从而改变材 料的力学性能、化学性能和物理性能。 • 具体地说，离子注入能改变材料的声学、光学 和超导性能，提高材料的工作硬度、耐磨损性、 抗腐蚀性和抗氧化性，最终延长材料工作寿命。
• 这种退火有两种方式。 • ①高温（约 900℃）热退火为常用的方式。 在集成电路工艺中，这种退火往往与注入 后的其他高温工艺一并完成。这些高温工 艺会引起杂质的再一次扩散，从而改变原 有的杂质分布，在一定程度上破坏离子注 入的理想分布，高温过程也可使过饱和的 注入杂质失活。
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。
第四章离子注入介绍
离子束从<111>轴偏斜7°入射
入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟 道效应, 只有当入射离子的入射角小于某 一角度时才会发生, 这个角称为临界角
沟道效应与离子注入方向的关系
沟道效应与单晶靶取向的关系
硅的<110 >方向沟道开口约
1.8 Å, <100 >方向沟道开口
约11.22 Å, <111>方向沟道开口介
3. 射程估算
a. 离子注入能量可分为三个区域:
低能区— 核阻滞能力占主导地位，电子阻滞可被忽略；
中能区— 在这个比较宽的区域，核阻滞和电子阻滞能力同等重要， 必须同时考虑； 主导地位, 核阻滞可被忽略。 超出高实能际区应—用电范子围阻；滞能力占
b.Sn(E) 和 Se(E) 的能量变 化曲线都有最大值。分别在低 能区和高能区；
能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，损失
给靶原子核的能量S n。E
dE dx
n
能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到 原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可 能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。
❖低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加, 而在某个中等能量达到最大值, 在高 能量时, 因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换, 所以核阻止 变小。
❖ 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子 浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶 格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质 浓度可以不受固溶度的限制。
❖ 6.离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所引 起的热缺陷。
❖ 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的 图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器 件特征尺寸缩小。
离子注入介绍
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<10Kev 刻蚀，镀膜 E:10~50Kev 曝光 E>50Kev 注入掺杂
概述
离子注入工艺是IC制造中占主导的掺杂技术
离子注入：将杂质离化，通过电场加速，将这些离化的杂质直接 打入晶元中，达到掺杂的目的
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，因为熔点高或蒸气压高而无法制成单体LMIS。
根据冶金学原理，由两种或者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气压。
例如，金和硅的熔点分别为1063℃和1404℃，他们在此温度的蒸气压分别为1e-3Torr和1e-1Torr。 当以适当的组分组成合金时，其熔点降为370℃，在此温度下，金和硅的蒸气压分别仅为1e22Torr和1e-19Torr。这就满足了LMIS的要求。
加速方式： 先加速后分析 前后加速，中间分析 第二种方式比较常见
聚焦系统和中性束偏移器
5.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 静电光栅扫描，适于中低束流机 机械扫描，适于强束流机
离子束电流的测量
法拉第杯：捕获进入的电荷，测量离子电流 注入剂量：
当一个离子的荷电量为m时，注入剂量为：
两种质量分析器的对比：
在E×B质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有中性粒子，磁质量分析 器则相反，所需离子需要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。
离子加速器
产生高压静电场，用来对离子 加速。该加速能量是决定离子 注入深度的一个重要参量，一 般需要<1e-6Torr的真空环境
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<10Kev 刻蚀，镀膜 E:10~50Kev 曝光 E>50Kev 注入掺杂
概述
离子注入工艺是IC制造中占主导的掺杂技术
离子注入：将杂质离化，通过电场加速，将这些离化的杂质直接 打入晶元中，达到掺杂的目的
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，因为熔点高或蒸气压高而无法制成单体LMIS。
根据冶金学原理，由两种或者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气压。
例如，金和硅的熔点分别为1063℃和1404℃，他们在此温度的蒸气压分别为1e-3Torr和1e-1Torr。 当以适当的组分组成合金时，其熔点降为370℃，在此温度下，金和硅的蒸气压分别仅为1e22Torr和1e-19Torr。这就满足了LMIS的要求。
加速方式： 先加速后分析 前后加速，中间分析 第二种方式比较常见
聚焦系统和中性束偏移器
5.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 静电光栅扫描，适于中低束流机 机械扫描，适于强束流机
离子束电流的测量
法拉第杯：捕获进入的电荷，测量离子电流 注入剂量：
当一个离子的荷电量为m时，注入剂量为：
两种质量分析器的对比：
在E×B质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有中性粒子，磁质量分析 器则相反，所需离子需要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。
离子加速器
产生高压静电场，用来对离子 加速。该加速能量是决定离子 注入深度的一个重要参量，一 般需要<1e-6Torr的真空环境
第四章离子注入
1）离子束扫描： ——扫描方式：静电 扫描、机械扫描和混 合扫描。常用静电扫 描和混合扫描。
——静电光栅扫描适于 中低束流机，机械扫 描适于强束流机。
两种注入机扫描系统
在盘山的 取样狭缝
法拉第杯电流测量
带硅片的 扫描盘
抑制栅孔径 法拉第杯
粒子束
电流 积分仪
扫描方向
离子注入机示意图
离子源
等离子体 吸出组件
源磁铁
离子源
N
S
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
吸出组件
接地电极
抑制电极
-
-
-
-
-
+粒子束
-
-
-
-
-
-
To PA
N S
5V 灯丝
120 V 起弧
2.5 kV 抑制
60 kV 吸引
参考端 (PA电压)
2.2 质量分析器
❖ 从离子源引出的离子束里包含几种甚至十几种 元素，但是需要注入的只是某一种特定元素的 离子，所以需要质量分析器把该特定元素分选 出来。离子注入机中采用磁分析器分析。
电极 +100 kV+80 kV+60 kV+40 kV+20 kV 0 kV
粒子束
粒子束
来自分 析磁体
至工艺腔
+100 kV
100 MW 100 MW100 MW100 MW100 MW
离子从离子源到靶室中的硅片，一般要飞行几米到几十米的距 离。为了减少离子在行进中的损失，必须要对离子进行聚焦。 一般聚焦系统在加速管后面。最常用的有静电四极透镜和磁四 极透镜。聚焦后的离子束到达硅片的束斑要尽可能小，一般直 径为几毫米。 静电透镜：离子束聚焦 静电偏转系统：滤除中性粒子
——静电光栅扫描适于 中低束流机，机械扫 描适于强束流机。
两种注入机扫描系统
在盘山的 取样狭缝
法拉第杯电流测量
带硅片的 扫描盘
抑制栅孔径 法拉第杯
粒子束
电流 积分仪
扫描方向
离子注入机示意图
离子源
等离子体 吸出组件
源磁铁
离子源
N
S
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吸出组件
接地电极
抑制电极
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+粒子束
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To PA
N S
5V 灯丝
120 V 起弧
2.5 kV 抑制
60 kV 吸引
参考端 (PA电压)
2.2 质量分析器
❖ 从离子源引出的离子束里包含几种甚至十几种 元素，但是需要注入的只是某一种特定元素的 离子，所以需要质量分析器把该特定元素分选 出来。离子注入机中采用磁分析器分析。
电极 +100 kV+80 kV+60 kV+40 kV+20 kV 0 kV
粒子束
粒子束
来自分 析磁体
至工艺腔
+100 kV
100 MW 100 MW100 MW100 MW100 MW
离子从离子源到靶室中的硅片，一般要飞行几米到几十米的距 离。为了减少离子在行进中的损失，必须要对离子进行聚焦。 一般聚焦系统在加速管后面。最常用的有静电四极透镜和磁四 极透镜。聚焦后的离子束到达硅片的束斑要尽可能小，一般直 径为几毫米。 静电透镜：离子束聚焦 静电偏转系统：滤除中性粒子
离子注入调研报告
离子注入调研报告离子注入是一种将离子束注入到材料中的技术，主要应用于材料改性、材料表面处理和材料分析等领域。
离子注入技术具有处理速度快、操作简便、能耗低和处理效果好等优点，因此在材料工程领域得到了广泛应用。
以下是对离子注入技术的调研报告。
调研内容：1. 离子注入技术的原理和基本步骤。
2. 离子注入技术在材料改性中的应用。
3. 离子注入技术在材料表面处理中的应用。
4. 离子注入技术在材料分析中的应用。
5. 离子注入技术的优点和局限性。
调研结果：1. 离子注入技术的原理是利用加速器将离子加速到高能量，然后通过设备将离子束引导到目标材料上。
离子注入的基本步骤包括加速和选择离子、引导离子束和控制注入能量。
2. 离子注入技术在材料改性中的应用非常广泛，可以改变材料的结构和性能，使其具有更好的机械强度、耐磨性、耐腐蚀性和耐温性等特性。
常见的材料改性方法包括氮化、碳化和氧化等处理。
3. 离子注入技术在材料表面处理中可以形成各种功能性膜层，如陶瓷涂层、金属涂层和硅化膜等。
这些膜层可以提高材料的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性等特性，并且可以用于电子器件、太阳能电池和医疗器械等领域。
4. 离子注入技术在材料分析中可以用于元素分析和缺陷分析。
通过改变注入能量和注入剂量，可以定量分析材料中的元素组成和杂质含量。
此外，还可以利用离子注入技术研究材料的缺陷结构和形成机制。
5. 离子注入技术具有处理速度快、操作简便、能耗低和处理效果好等优点。
然而，这种技术的局限性包括材料收到辐照损伤、离子束束流均匀性不高以及设备成本较高等方面的问题。
结论：离子注入技术是一种重要的材料处理和分析技术，在材料工程领域有着广泛的应用前景。
然而，由于该技术存在一些局限性，还需要继续开展相关研究，以提高其应用的可靠性和经济效益。
离子注入工艺PPT课件
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•
•
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。
As, N), 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)N：s
Ns ＝ Qss/q =(I t) /(q A) 2 R
4.最大离子浓度：第22N页/M共5A3X页=
22
*注入离子分布
• •
N(x)=Nmax
2、可能沿某些方向由原子列包围成直通道－－沟道，离子进入沟道时，沿沟道前进阻力小，射程要大
得多。
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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。
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• （8）离子往往是通过硅表面上的薄膜注入到硅中，因此硅表面上的薄膜 起到了保护膜作用
• （9）化合物半导体是两种或多种元素按 一定组分构成的，这种材料经 高温处理时，组分可能发生变化。采用离子注入技术，基本不存在上述问 题，因此容易实现对化合物半导体的掺杂
离子注入法介绍PPT课件
（2）已知离子注入时的注入束流I，靶面积A，注入时解第3步
计算杂质最大浓度：
求解第4步
写出杂质浓度分布公式：
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4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（3）假设衬底为反型杂质，且浓度为NB，计算PN结结深 由N(xj)=NB 可得到结深计算公式：
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4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
（4）根据分布公式，计算不同深度位置的杂质浓度
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5、实际杂质分布偏差描述的改善
■ 对于低浓度区的偏差，采用高斯分布的高次矩描述：
■ 对于硼的分布，采用Pearson IV分布描述。
■ 用蒙特卡洛法模拟杂质分布在 离子注入计算机模拟工具中十 分常见。
（2）质量分析器：
选择注入所需的杂质成分(B+)
■ 分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的速度方向
离子运动路径：
离子运动速率：
质量m+m的离子产生的位移量
■ 出口狭缝：只允许一种(m/q)的离子离开分析仪
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（3）加速管：
加速离子，获得所需能量；高真空(<10-6 Torr)
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二、离子注入工艺设备及其原理
1、离子注入技术的三大基本要素：
(1) 离子的产生 (2) 离子的加速 (3) 离子的控制
2、离子注入系统的三大组成部分：
(1) 离子源——杂质离子的产生 (2) 加速管——杂质离子的加速 (3) 终端台——离子的控制
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（1）离子源：
图5.8 常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系
第16页/共32页
第七章：离子注入
调节阈值电压 阈值电压公式：
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 沟槽电容器
超浅结
超浅结
绝缘体上的硅（SOI）
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）
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)
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）
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
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第5章
离子注入
内容
5.1 概述
5.2 离子注入原理
5.3 等离子体基离子注入（PBII）基本原理 5.4 离子渗氮基本原理及工艺
5.1 概述
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,掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓
目前等离子体基离子注入已不仅局限于气体介 质的离子注入(GaPBⅡ)，而且可以进行金属的 注入(MePBⅡ)，以及金属和气体离子多元离子
复合注入。通常MePBⅡ的设备要比GaPBⅡ的
复杂；其金属离子往往大于一价，而GaPBⅡ的 离子一般为一价或半价；而且MePBⅡ能提供 较大的剂量，高斯浓度分布不明显。因此气体 介质和金属离子的PBⅡ技术尚存在一定区别。
射程分布： 平均投影射程Rp， 标准偏差Rp， 横向标准偏差R
离子注入相关理论基础
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) 核碰撞（nuclear stopping）
位长度时，损失给靶 原子核的能量。
dE Sn E dx n
EOR damage（射程终点损伤）
Courtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002).
影响注入离子分布的因素
实际上高能离子入射到衬底时，一小部分 与表面晶核原子弹性散射，而从衬底表面 反射回来，未进入衬底，这叫背散射现象.
度由注入杂质离子的数目(剂量)决定
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 注入材料表层（靶）以改变
这种材料表层的物理或化学
性质
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（1011-1017 cm-2）和能量（5-500 keV）来达到,均匀性及重复性很好 同一平面上杂质掺杂分布非常均匀（±1% variation across an 8’’ wafer） 非平衡过程，不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度 注入元素通过质量分析器选取，纯度高，能量单一 低温过程（因此可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质）；避 免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂(高温 热扩散时化合物组分会变化)； 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小 结合牢固，无黏附破裂或剥落等问题
离子注入工艺技术
离子注入法能用对离子束电流量及电压的控制来改变掺杂的浓度与深度， 已取代传统的热扩散工艺，成为超大规模IC最主要的掺杂工艺。 电流范围：中电流1~2mA；高电流10~30mA 能量范围：10~200KeV 工艺参数：杂质种类、杂质注入浓度、杂质注入深度 设备参数：弧光反应室的工作电压与电流、热灯丝电流、离子分离装置 的分离电压及电流、质量分析器的磁场强度、加速器的加速电压、扫 描方式及次数 注入离子浓度由离子束的电流、晶片经离子束扫描的次数和速度等决定。
Hale Waihona Puke (2) 电子碰撞 （electronic stopping）
阻止本领（stopping power）：材料中注入离子的能量损 失大小。
核碰撞
核碰撞：能量为E的
一个注入离子与靶 碰撞参数 p≤r1+r2 原子核碰撞，离子 能量转移到原子核 上，结果将使离子 改变运动方向，而 靶原子核可能离开 原位，成为间隙原 核阻止本领 子核，或只是能量 能量为E的注入离子在 增加。 单位密度靶内运动单
注入前把晶片送入热管炉热氧化生长一层20~40nm的二氧化硅，防止
沟道效应。
Ion Implanter
Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side
离子注入设备
中科院沈阳科仪
真空室尺寸：Φ1000×1200 漏 率： <3.75×10-7 Pa· L/S 真空室极限真空度：3.75×10-5 Pa
注入层薄，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，如真空室、高压、有毒气体
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。
5.3 等离子体基离子注入（PBII）基本原理
原理：
采用热阴极、射频（RF）、电子回旋共振（ECR）、 金属蒸汽真空放电（MeVVA）等方法产生弥漫在整
个真空室内PBII所需的等离子体，使工件直接湮灭
在等离子体中。形成鞘层后，以工件为阴极，真空 室壁为阳极，施加一高压脉冲，工件表面附近电子
被逐出，正离子在电场作用下被加速，射向工件表
离子注入应用：
注入的粒子流：
• 非金属元素：N、C、B等；
• 耐蚀抗磨金属元素：Ti、Cr、Ni等；
• 固体润滑元素：S、Mo、Sn、In等； • 耐高温元素：Ir
• 其它： 稀土元素
5.2离子注入原理
R：射程（range） 离子在靶内的总路 线长度 Xp：投影射程（projected range） R在 入射方向上的投影
面并注入工件表面。
上图是PBⅡ装置示意图。设备由真空室、进气系统、等离子体源、
等离子体、真空泵系统、电绝缘工件台和脉冲高压电源组成。
在PBⅡ加工时，先将工件置于真空室内，由于等离子体中电子的
运动速度远大于正离子速度，因此由于热运动而随机投向工件表面
的电子流量要比正离子大得多，于是将形成近工件表面处富集电子 而近等离子体侧则富集正离子所谓Langmuir鞘层。然后以工件为 阴极，真空室壁为阳极，施加一高电压脉冲。在此瞬时，工件表面 附近电子被逐出，而正离子在电场作用下被加速，射向工件表面并 注入工件表面。
离子注入
内容
5.1 概述
5.2 离子注入原理
5.3 等离子体基离子注入（PBII）基本原理 5.4 离子渗氮基本原理及工艺
5.1 概述
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,掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓
目前等离子体基离子注入已不仅局限于气体介 质的离子注入(GaPBⅡ)，而且可以进行金属的 注入(MePBⅡ)，以及金属和气体离子多元离子
复合注入。通常MePBⅡ的设备要比GaPBⅡ的
复杂；其金属离子往往大于一价，而GaPBⅡ的 离子一般为一价或半价；而且MePBⅡ能提供 较大的剂量，高斯浓度分布不明显。因此气体 介质和金属离子的PBⅡ技术尚存在一定区别。
射程分布： 平均投影射程Rp， 标准偏差Rp， 横向标准偏差R
离子注入相关理论基础
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) 核碰撞（nuclear stopping）
位长度时，损失给靶 原子核的能量。
dE Sn E dx n
EOR damage（射程终点损伤）
Courtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002).
影响注入离子分布的因素
实际上高能离子入射到衬底时，一小部分 与表面晶核原子弹性散射，而从衬底表面 反射回来，未进入衬底，这叫背散射现象.
度由注入杂质离子的数目(剂量)决定
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 注入材料表层（靶）以改变
这种材料表层的物理或化学
性质
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（1011-1017 cm-2）和能量（5-500 keV）来达到,均匀性及重复性很好 同一平面上杂质掺杂分布非常均匀（±1% variation across an 8’’ wafer） 非平衡过程，不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度 注入元素通过质量分析器选取，纯度高，能量单一 低温过程（因此可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质）；避 免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂(高温 热扩散时化合物组分会变化)； 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小 结合牢固，无黏附破裂或剥落等问题
离子注入工艺技术
离子注入法能用对离子束电流量及电压的控制来改变掺杂的浓度与深度， 已取代传统的热扩散工艺，成为超大规模IC最主要的掺杂工艺。 电流范围：中电流1~2mA；高电流10~30mA 能量范围：10~200KeV 工艺参数：杂质种类、杂质注入浓度、杂质注入深度 设备参数：弧光反应室的工作电压与电流、热灯丝电流、离子分离装置 的分离电压及电流、质量分析器的磁场强度、加速器的加速电压、扫 描方式及次数 注入离子浓度由离子束的电流、晶片经离子束扫描的次数和速度等决定。
Hale Waihona Puke (2) 电子碰撞 （electronic stopping）
阻止本领（stopping power）：材料中注入离子的能量损 失大小。
核碰撞
核碰撞：能量为E的
一个注入离子与靶 碰撞参数 p≤r1+r2 原子核碰撞，离子 能量转移到原子核 上，结果将使离子 改变运动方向，而 靶原子核可能离开 原位，成为间隙原 核阻止本领 子核，或只是能量 能量为E的注入离子在 增加。 单位密度靶内运动单
注入前把晶片送入热管炉热氧化生长一层20~40nm的二氧化硅，防止
沟道效应。
Ion Implanter
Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side
离子注入设备
中科院沈阳科仪
真空室尺寸：Φ1000×1200 漏 率： <3.75×10-7 Pa· L/S 真空室极限真空度：3.75×10-5 Pa
注入层薄，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，如真空室、高压、有毒气体
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。
5.3 等离子体基离子注入（PBII）基本原理
原理：
采用热阴极、射频（RF）、电子回旋共振（ECR）、 金属蒸汽真空放电（MeVVA）等方法产生弥漫在整
个真空室内PBII所需的等离子体，使工件直接湮灭
在等离子体中。形成鞘层后，以工件为阴极，真空 室壁为阳极，施加一高压脉冲，工件表面附近电子
被逐出，正离子在电场作用下被加速，射向工件表
离子注入应用：
注入的粒子流：
• 非金属元素：N、C、B等；
• 耐蚀抗磨金属元素：Ti、Cr、Ni等；
• 固体润滑元素：S、Mo、Sn、In等； • 耐高温元素：Ir
• 其它： 稀土元素
5.2离子注入原理
R：射程（range） 离子在靶内的总路 线长度 Xp：投影射程（projected range） R在 入射方向上的投影
面并注入工件表面。
上图是PBⅡ装置示意图。设备由真空室、进气系统、等离子体源、
等离子体、真空泵系统、电绝缘工件台和脉冲高压电源组成。
在PBⅡ加工时，先将工件置于真空室内，由于等离子体中电子的
运动速度远大于正离子速度，因此由于热运动而随机投向工件表面
的电子流量要比正离子大得多，于是将形成近工件表面处富集电子 而近等离子体侧则富集正离子所谓Langmuir鞘层。然后以工件为 阴极，真空室壁为阳极，施加一高电压脉冲。在此瞬时，工件表面 附近电子被逐出，而正离子在电场作用下被加速，射向工件表面并 注入工件表面。