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
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4章离子注入
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。
离子注入
High energy High dose Slow scan speed
离子注入机
低能 低剂量 快速扫描
Ion implanter
掺杂离子
束扫描
Mask xj Beam scan
13
离子注入的应用
1.P阱或N阱注入 ~1E12 atom/cm2 2.阈值调整注入 ~1E11 atom/cm2 3.场注入 ~1E12 atom/cm2 4.源漏注入 ~1E15 atom/cm2 5.隔离注入 ~1E15 atom/cm2 6.基区注入 ~1E12 atom/cm2 7.发射、收集区注入 ~1E15 atom/cm2 8.智能剥离氢注入 ~1E16 atom/cm2 9.材料改性注入 ~1E16 atom/cm2 10. SOI埋层注入 ~1E17-1E18 atom/cm2
4.9 理论模拟。
离子注入概述
离子注入
目的：掺杂（1954年，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: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。
17
退火处理
通常，离子注入的深度较浅且浓度较大，必 须使它们重新分布。同时由于高能粒子的撞击， 导致硅结构的晶格发生损伤。
为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行 退火处理。在退火的同时，掺入的杂质同 时向半导体体内进行再分布。
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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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
ddE xSnESeE
-dE/dx：能量损失梯度
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
面。
第四章离子注入
❖ 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。
第四章离子注入
4.1 核碰撞和电子碰撞
❖ 离子注入不仅要考虑注入离子与靶内自由电 子和束缚电子的相互作用，而且与靶内原子 核的相互作用也必须考虑。
❖ 1963年，林华德、沙夫、希奥特，首先确立 了注入离子在靶内的能量损失分为两个过程： 核碰撞和电子碰撞，总能量的损失为它们的 总和。
第四章离子注入
4.1 核碰撞和电子碰撞（LSS理论）
❖ 8、离子注入是通过硅表面的薄膜入射到硅中， 该膜起到了保护作用，防止污染。
❖ 9、容易实现化合物半导体材料的掺杂。 第四章离子注入
缺点
会在晶体中引入晶格损伤 产率低 设备复杂，投资大
第四章离子注入
基本概念
❖ 靶：被掺杂的材料称为靶 ❖ 散射离子：一束离子轰击靶时，其中一部分离
子在靶表面就被反射了，不能进入的离子称散 射离子。 ❖ 注入离子：进入靶内的离子称注入离子
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究
射程分布（LSS）理论 带有一定能量的入射离子在靶
材内同靶原子核和电子相碰撞，进 行能量交换，最后静止。
1963年，林华德、沙夫、希奥 特，首先确立了LSS理论，认为注 入离子在靶内的能量损失分为两个 独立的过程： a. 核碰撞／阻止； b. 电子碰撞／阻止。 总能量损失为两者之和
下即在本身是清洁的气氛中进行的。
❖ 2、注入的剂量可在很宽的范围（1011－1017 离子/cm2）内变化,且在此范围内精度可控制 到±1％。与此相反,在扩散系统中,高浓度时 杂质浓度的精度最多控制到5－10％,低浓度
时比这更差。
第四章离子注入
❖ 3、离子注入时，衬底一般是保持在室温或温
度 不 高 （ ≤ 400℃ ） ， 因 此 ， 可 用 各 种 掩 模
第四章离子注入
❖ 扩散是一个化学过程,离子注入是一个物理过 程.
❖ 所谓离子注入技术，就是将需要作为掺杂剂 的元素原子离化，转变为离子，并将其加速 到一定能量（50--500keV）后，注入到晶片 表面，以改变晶片表面的物理和化学性质。
第四章离子注入
离子注入就象用枪将子弹打入墙中一 样．子弹从枪中获取是量的动量，射入到墙 体内停下．离子注入过程中发生相同的情形， 替代子弹的是离子，掺杂原子被离化、分离、 加速形成离子束流，注入衬底Si片中，进入 表面并在表面以下停下。
是一种掺杂工艺。
这种材料表层的物理或化学
性质。
第四章离子注入
4.1离子注入设备与工艺
离子注入系统
离子注入系统： 应具备合适的可调能量范围和
束流强度，能满足多种离子的注入， 有好的注入均匀性以及无污染等性 能。
离子注入系统通常分为三部分： 离子源、加速器和终端台。
第四章离子注入
离子注入机 ❖ 源：采用气态源、固态源，大部分氟化物PF5,AsF5,BF3
第四章离子注入
❖ 核碰撞：指注入离子与靶内原
子核之间的相互碰撞。由于入 射离子与靶原子的质量一般为 同一数量级，因此每次碰撞后， 注入离子发生大角度的散射， 并失去一定的能量，如果靶原 子获得的能量大于束缚能，就 会离开晶格位置，进入晶格间 隙，留下空位，形成缺陷.
❖ 电子Байду номын сангаас撞：指注入离子与靶内
自由电子以及束缚电子之间的
通过加热分解气态源，使其成为带电离子P+，B+，As+,通过加速管，使它们在 管内被电场加速到高能状态，注入到Si片中
第四章离子注入
注入方法
❖ 直接注入
离子在光刻窗口直接注入Si衬底。射程大、杂质重时用。 ❖ 间接注入；
通过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。间接注入沾污少， 可以获得精确的表面浓度。
❖ 多次注入
第四章离子注入
什么是离子注入 离子注入的基本过程
❖ 将某种元素的原子或携带该
是离子被强电场加速后
元素的分子经离化变成带电
注入靶中，离子受靶原子阻
的离子
止，停在其中，经退火后， ❖ 在强电场中加速，获得较高
杂质进入替位位置，电离成
的动能
为具有电活性的杂质，这一
❖ 注入材料表层（靶）以改变 过程是一非平衡的物质过程,