半导体制造工艺之离子注入原理课件
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微电子工艺原理与技术--离子注入 ppt课件
先加速后分析注入机结构示意
离子注入系统的原理示意图
国产中束流离子注入机
Vll Sta 810XEr 中束流注入机
20-80KeV 400-500W/h
Vll Sta 80HP 300mm 大束流注入 机
1-80KeV FOR 90nm IC process
900XP 高能注入机
高能P阱注入机
2keV - 900keV
国产多功能离子改性注入机
无分析器 气体 金属 辅助 溅射 四种离子源
全方位离子注入
离子源的种类
1. 潘宁源 在阴极-阳极间起弧电离源气分子，获得等离 子体，适合小束流气体离子注入
2. 2.热灯丝源（Freeman源） 靠灯丝发射电子激发等 离子体，适合无氧气体离子的中小束流注入
中束流离子源（CF-3000）
Eaton注入机 离子源
大束流离子源（8-10mA） 中束流离子源（NV-6200）
蒸发离子源的结构
磁分析器原理
设吸出电压为V，对电荷q的正离子，能量为qV(eV)。
EqV1m2v, v 2qV
2
m
经过磁场强度为B、方向与离子运动方向垂直的分析腔，
受到洛仑兹力qvB，该力使离子作圆周运动。有：
m2v
mv1 2m 1 m
qvr B, V ,B 2V
r
qBB q
rq
可见，偏转半径r与B成反比，与m成正比。对固定的离 子注入机，分析器半径r和吸出电压固定，调节B的大小 （励磁电流）即可分析出不同荷质比的离子。
BF3气源磁分析质谱
磁分析器的分辨率
注意： 同一荷质比的离子有相同的偏转半径，磁分析 器无法作出区分。要求源气有很高的纯度，尽量避免相 同荷质比离子出现。如：N2+ 和Si+，N+ 和Si++ ，H2+ 和 He++等。
半导体制造技术导论chapter8离子注入工艺
• 从高温获得的热能，帮助非晶态原子复 原成单晶体结构
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半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
热退火
•晶格原子
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•掺杂物原子
半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
热退火
•晶格原子
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•掺杂物原子
半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
• 离子束并非完美的平行，许多离子在穿入 基片之后立刻会和晶格原子发生许多的原 子核碰撞。一部分的离子可以沿着通道深 入基片，而很多其他离子则被阻滞成常态 的高斯分佈.
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半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
损害制程
• 注入的离子转移能量给晶格原子
– 原子从晶格的束缚能释放出来
半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
离子注入：气体系统
• 特殊的气体递送系统控制有害的气体 • 更换气体钢瓶需要特殊的训练 • 氩气用来吹除净化和离子束校正
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半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 离子注入：电机系统
• 高压系统
– 决定控制接面深度的离子能量
快速加热步骤和高温炉退火
•多晶 硅 •硅
•RTP退火
•匣
极 •二
氧化
硅匣
极 •源极 / 漏极
•硅
•多晶 硅
•高温炉退 火
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半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
问与答
• 为什么高温炉的温度无法像RTP系统一样 急速上升及冷却?
• 高温炉有非常高的热容量，需要非常高的 加热功率以快速升高温度。由于温度会过 高(overshoot)或是过低(undershoot)，所以很 难做到快速升温而没有大的温度震盪.
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半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
热退火
•晶格原子
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•掺杂物原子
半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
热退火
•晶格原子
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•掺杂物原子
半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
• 离子束并非完美的平行，许多离子在穿入 基片之后立刻会和晶格原子发生许多的原 子核碰撞。一部分的离子可以沿着通道深 入基片，而很多其他离子则被阻滞成常态 的高斯分佈.
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半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
损害制程
• 注入的离子转移能量给晶格原子
– 原子从晶格的束缚能释放出来
半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
离子注入：气体系统
• 特殊的气体递送系统控制有害的气体 • 更换气体钢瓶需要特殊的训练 • 氩气用来吹除净化和离子束校正
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半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 离子注入：电机系统
• 高压系统
– 决定控制接面深度的离子能量
快速加热步骤和高温炉退火
•多晶 硅 •硅
•RTP退火
•匣
极 •二
氧化
硅匣
极 •源极 / 漏极
•硅
•多晶 硅
•高温炉退 火
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半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
问与答
• 为什么高温炉的温度无法像RTP系统一样 急速上升及冷却?
• 高温炉有非常高的热容量，需要非常高的 加热功率以快速升高温度。由于温度会过 高(overshoot)或是过低(undershoot)，所以很 难做到快速升温而没有大的温度震盪.
离子注入获奖课件
Typical implant voltages: 50~200 KeV, the trend is to lower voltages.
Typical implant dose: 1011~1016 cm2.
离子注入
二、离子注入旳特点
离子经加速，到达半导体表面； 离子经过碰撞损失能量，停留在不同深度旳位置， 此位置与离子能量有关；
Si Displaced Si ato去m 一定旳能量。靶原子也因碰撞 Si Si Si 而取核得碰能撞量，假如取得旳能量不
小于原注子入束离缚子能与，靶就内会原离子开核原间来
所旳在碰晶撞格。位置，进入晶格间隙，
并留下一种空位，形成缺陷。
核碰撞和电子碰撞
核阻止本事：能够了解为能量为E旳一种注入离子，在单位
产生沟道效应旳原因 当离子注入旳方向=沟道方向时,离子因为没有遇到晶格
而长驱直入，故注入深度较大。
沟道效应产生旳影响 在不应该存在杂质旳深度发觉杂质。
离子注入旳沟道效应
离子注入旳通道效应
离子注入旳沟道效应
处理沟道效应旳措施
1.倾斜样品表面，晶体旳主轴方向偏离注入方向，经典值为7°； 2.先重轰击晶格表面，形成无定型层； 3.表面长二氧化硅、氮化硅、氧化铝无定型薄层。
一级近似下，核阻止本事与入射离子旳能量无关。
注入离子在无定形靶中旳分布
注入离子在靶内分布是与注入方向有着一定旳关系， 一般来说，粒子束旳注入方向与靶垂直方向旳夹角比较小。
注入离子在靶内受到旳碰撞是随机过程。假如注入旳 离子数量很小，它们在靶内旳分布是分散旳，但是大量注 入离子在靶内旳分布是按一定统计规律分布。
虽然晶体某个晶向平行于离子注入方向,但注入离子进入晶 体前,在无定形旳介质膜中屡次碰撞后已经偏离了入射方向,偏 离了晶向。
第七章掺杂技术离子注入ppt课件
在 E B 质量分析器中，所需离子不改动方向，但在输出
的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器那么相反，所需 离子要改动方向，但其优点是中性粒子束不能经过。
;
7.2 平均投影射程
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，其方向改动，能量减少，经过一段曲折途径的 运动后，因动能耗尽而停顿在某处。
第七章 离子注入 〔Ion Implantation〕
;
离子注入概述
最早运用于原子物理和核物理研讨 提出于1950’s 1970’s中期引入半导体制造领域
;
离子注入
离子注入是另一种对半导体进展掺杂的方法。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。
RP
34
59
81 102 122 143 161 180 198
;
7.3 离子注入的特点
1.特点 可以独立控制杂质分布〔离子能量〕
和杂质浓度〔离子流密度和注入时间〕 各向异性掺杂 容易获得高浓度掺杂
〔特别是：重杂质原子，如P和As等〕。
;
2.离子注入与分散的比较
分散
离子注入
;
2.注入与分散的比较
为
qo
q m
Vf2 2d2B2Va
对于某种荷质比为 qo 的所需离子，可经过调理偏转电压
Vf 或偏转磁场 B ，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转
而经过光阑。
1
V f d B (2 q oV a ) 2 ,ຫໍສະໝຸດ 或 BVf1
d (2 q oV a ) 2
通常是调理 Vf 而不是调理 B。;
当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为qs =
的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器那么相反，所需 离子要改动方向，但其优点是中性粒子束不能经过。
;
7.2 平均投影射程
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，其方向改动，能量减少，经过一段曲折途径的 运动后，因动能耗尽而停顿在某处。
第七章 离子注入 〔Ion Implantation〕
;
离子注入概述
最早运用于原子物理和核物理研讨 提出于1950’s 1970’s中期引入半导体制造领域
;
离子注入
离子注入是另一种对半导体进展掺杂的方法。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。
RP
34
59
81 102 122 143 161 180 198
;
7.3 离子注入的特点
1.特点 可以独立控制杂质分布〔离子能量〕
和杂质浓度〔离子流密度和注入时间〕 各向异性掺杂 容易获得高浓度掺杂
〔特别是：重杂质原子，如P和As等〕。
;
2.离子注入与分散的比较
分散
离子注入
;
2.注入与分散的比较
为
qo
q m
Vf2 2d2B2Va
对于某种荷质比为 qo 的所需离子，可经过调理偏转电压
Vf 或偏转磁场 B ，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转
而经过光阑。
1
V f d B (2 q oV a ) 2 ,ຫໍສະໝຸດ 或 BVf1
d (2 q oV a ) 2
通常是调理 Vf 而不是调理 B。;
当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为qs =
半导体离子注入设备课件 (一)
半导体离子注入设备课件 (一)半导体离子注入设备课件半导体离子注入设备是半导体工业中的重要设备，它能够将高能量离子注入到半导体晶体中，从而改变它们的电学特性，实现器件加工和微电子器件制造。
下面我们来了解一下半导体离子注入设备的相关知识。
一、半导体离子注入设备的组成半导体离子注入设备主要由加速器、注入室、密封室等组成。
其中加速器是用来加速离子的，注入室是将离子注入到半导体晶体的主要工作区域，密封室是将本体密封，并保持真空状态的区域。
加速器部分:加速器主要有静电加速器和磁聚焦加速器两种。
其中静电加速器是由电极和绝缘体组成，电极和绝缘体之间形成高电场，从而加速离子。
磁聚焦加速器则是通过磁场对离子进行聚焦，从而达到加速的目的。
注入室部分:注入室是将离子注入到半导体晶体的主要工作区域，通常由加速器发射离子的开口、准直器、扫描磁铁和样品台组成。
注入室需要保持高真空状态，以防止离子被空气与杂质所散射。
密封室部分:密封室是将本体密封并保持真空状态的区域，它主要由靠桶、密封室壳体、水冷板、电子阱等组成。
二、半导体离子注入技术半导体离子注入技术是一种利用离子轰击半导体晶体的方法来改变它们的电学特性的技术。
它是半导体加工过程中的重要工艺之一，主要用于晶体生长、器件加工等方面。
半导体离子注入技术能够实现如下功能：1. 通过选择离子种类和注入剂量，可以改变半导体的导电性和光电性能。
2. 可以通过选择不同的控制电压，实现对器件加工过程中晶体表面的加工。
3. 可以用于芯片掺杂，用于制造各种半导体器件，如MOS器件、CMOS 器件等。
总之，半导体离子注入技术是半导体加工过程中不可或缺的一环，它能够实现对半导体材料及器件性能的精确控制，使得芯片的性能得到了极大提高。
三、半导体离子注入设备的主要应用领域半导体离子注入设备主要应用于半导体领域，涉及半导体材料性质的调整、器件制造等方面。
半导体离子注入设备的主要应用领域包括：1. 芯片掺杂：用于控制半导体芯片中各种元素的浓度和深度，从而实现对器件性质的调整。
半导体制造工艺之离子注入原理课件
Z12
3
Z
2 2
3
m1 m2
摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295
例如：磷离子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅 Z2 = 14, m2 = 28, 计算可得：
Sn ~ 550 keV-mm2
电子阻止本领
局部电子阻止 非局部电子阻止
减少沟道效应的措施
❖ 对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离7－10o
❖用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶 化，形成非晶层（Pre-amorphization）
❖增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成， 沟道离子减少）
❖表面用SiO2层掩膜
典型离子注入参数
离子：P，As，Sb，B，In，O 剂量：1011~1018 cm-2 能量：1– 400 keV 可重复性和均匀性: ±1% 温度：室温 流量：1012-1014 cm-2s-1
1) 试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、 峰 值浓度、结深
2) 如注入时间为1分钟，估算所需束流。
【解】1) 从查图或查表 得
Rp=4289 Å=0.43 mm Rp855 Å0.086 mm 峰值浓度
Cp=0.4Q/Rp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019 cm-3
110
111
100
倾斜旋转硅片后的无序方向
沿<100>的沟道效应
产生非晶化的剂量
浓度分布 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏
离LSS理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现 一个相当长的“尾巴”
表面非晶层对于沟道效应的作用
半导体制造工艺09离子注入
表面非晶层对于沟道效应的作用
Boron implant into SiO2
Boron implant into Si
减少沟道效应的措施
❖ 对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离7－10o
❖ 用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶 化，形成非晶层（Pre-amorphization）
❖ 增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成 ，沟道离子减少）
LSS理论
-dE/dx：能量随距离损失的平均速率
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
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/截面 (eVcm2) Se(E)：电子阻止本领/截面（eVcm2) N: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
大角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一 侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。
R （μm）
横向效应
横向效应指的是注入 离子在垂直于入射方 向平面内的分布情况
横向效应影响MOS晶体 管的有效沟道长度。
35 keV As注入
120 keV As注入Βιβλιοθήκη 注入掩蔽层——掩蔽层应该多厚？
如果要求掩膜层能完全阻挡离子
对比一下：如果采用预淀积扩散（1000 C），表面浓度 为固溶度1020 cm-3时，
D～10-14 cm2/s
每秒剂量达1013/cm2
常用注入离子在不同注入能量下的特性
标准偏差Rp 平均投影射程Rp
已知注入离子的能量和剂量， 估算注入离子在靶中的 浓度和结深
问题：140 keV的B+离子注入到直径为150 mm的硅靶中。 注入 剂量Q=5×10 14/cm2（衬底浓度2×1016 /cm3）
离子注入(PDF课件)
2010-5 -12 7
Z1 Z 2 M1 2 2 1 ( Z1 3 Z 2 3 ) 2 M1 M2
(eV • cm )
2
硅靶核阻止能量损失率
dE dR
2010-5 -12
n
196
Z 1Z 2 M1 2 2 1 (Z1 3 14 3 ) 2 M 1 28
(keV/ m)
可见，核阻挡本领与核阻止能量损失率均与能量E无关。 无关 。
公用工艺 1. 增强扩散 2. 损伤吸杂 3. 增速腐蚀 ( 利用损伤)
XAUT
2
主 要 内 容
5-1 1 离子注入系统（ 离子注入系统（5.5 ） 5-2 2 能量损失机构（ 能量损失机构（5.2 ） 核碰撞和电子碰撞 离子注入的特征量 5-3 3 离子在非晶靶、单晶靶和双层靶中的分布 * 离子在非晶靶中的分布 离子在单晶靶中的分布 离子在双层靶中的分布 注入损伤与退火特性（ 5.3 ～ 5.4） 5-4 4 注入损伤与退火特性（ 注入损伤 退火特性 5-5 5 离子注入工艺参数的计算与工艺设计* * 离子注入工艺参数的计算 离子注入工艺的设计 5-6 6 掺杂技术小结
— —— — 称为 称为核阻止能量损失率 核阻止能量损失率。 。
根据能量守恒定律和库仑引力的屏蔽作用得到 得到 核阻挡本领为： 核阻挡本领为：
S n S0 2 .8 10
15
假设入射离子的原子序数为 Z1 ，质量为M M1，能量为 能量为E； ； 1， 固体靶的原子密度为N N、原子序数为 原子序数为Z Z2、质量为M2； 入射离子进入靶内经过一个微小的位移段dR， ，该入射离 子和NdR个靶核碰撞而失去的能量为 个靶核碰撞而失去的能量为-dE|n dE|n，则 ，则平均每个 平均每个 靶原子对入射离子的核阻挡作用称为阻挡本领 S(E)：
Z1 Z 2 M1 2 2 1 ( Z1 3 Z 2 3 ) 2 M1 M2
(eV • cm )
2
硅靶核阻止能量损失率
dE dR
2010-5 -12
n
196
Z 1Z 2 M1 2 2 1 (Z1 3 14 3 ) 2 M 1 28
(keV/ m)
可见，核阻挡本领与核阻止能量损失率均与能量E无关。 无关 。
公用工艺 1. 增强扩散 2. 损伤吸杂 3. 增速腐蚀 ( 利用损伤)
XAUT
2
主 要 内 容
5-1 1 离子注入系统（ 离子注入系统（5.5 ） 5-2 2 能量损失机构（ 能量损失机构（5.2 ） 核碰撞和电子碰撞 离子注入的特征量 5-3 3 离子在非晶靶、单晶靶和双层靶中的分布 * 离子在非晶靶中的分布 离子在单晶靶中的分布 离子在双层靶中的分布 注入损伤与退火特性（ 5.3 ～ 5.4） 5-4 4 注入损伤与退火特性（ 注入损伤 退火特性 5-5 5 离子注入工艺参数的计算与工艺设计* * 离子注入工艺参数的计算 离子注入工艺的设计 5-6 6 掺杂技术小结
— —— — 称为 称为核阻止能量损失率 核阻止能量损失率。 。
根据能量守恒定律和库仑引力的屏蔽作用得到 得到 核阻挡本领为： 核阻挡本领为：
S n S0 2 .8 10
15
假设入射离子的原子序数为 Z1 ，质量为M M1，能量为 能量为E； ； 1， 固体靶的原子密度为N N、原子序数为 原子序数为Z Z2、质量为M2； 入射离子进入靶内经过一个微小的位移段dR， ，该入射离 子和NdR个靶核碰撞而失去的能量为 个靶核碰撞而失去的能量为-dE|n dE|n，则 ，则平均每个 平均每个 靶原子对入射离子的核阻挡作用称为阻挡本领 S(E)：
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➢ 平面上杂质掺杂分布非常均匀（1% variation across an 8’’ wafer） ➢ 表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度 ➢ 注入元素可以非常纯，杂质单一性 ➢ 可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由
度大 ➢ 离子注入属于低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入原理 (上)
7
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。
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入原理 (上)
8
注入离子如何在体内静止？
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究
• 总能量损失为两者的和
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入原理 (上)
9
核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论
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和电子阻止所损失的能量 (Sn(E),
Se(E) )。
核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入原理 (上)
1
有关扩散方面的主要内容
➢费克第二定律的运用和特殊解 ➢特征扩散长度的物理含义 ➢非本征扩散 ➢常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用 ➢常用扩散掺杂方法 ➢常用扩散掺杂层的质量测量
Distribution according to error function
把固体中的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气 体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平
方根成正比。 Se E Cvion kE1/ 2 , k 0.2 1015 eV1/ 2cm2
电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入原理 (上)
10
LSS理论
dE dx
NSn ES e E
Sn E
1 N
dE dx
, n
SeE
1 N
dE dx
e
-dE/dx：能量随距离损失的平均速率
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
对心碰撞，最大能量转移：
ETrans
4m1m2 (m1 m2 )2
E
核阻止能力的一阶近似为：
m——质量， Z——原子序数 下标1——离子，下标2——靶
Sn E 2.8 1015
Z1Z 2
m1 eV cm2
Z12
3
Z
2 2
3
m1 m2
摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295
b) 离子源（Ion Source）：灯丝（filament）发出的 自由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞 击源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极 吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器
气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，... 离子源：B ， As，Ga，Ge，Sb，P，...
工
艺 中
Q 2C1
D1t1
二 第二步 为有限源的扩散（Drive-in），往往同时氧化
步
（称为主扩散或再分布）
扩
控制扩散深度和表面浓度
散
C2
Q
D2t2
2
C1
D1t1 D2t2
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入原理 (上)
3
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s
erfc
2
x Dt
Distribution according to Gaussian function
Cx,t
QT
Dt
exp
x2 4Dt
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入原理 (上)
2
实
第一步 为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition） （称为预沉积或预扩散）
际
控制掺入的杂质总量
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/截面 (eVcm2) Se(E)：电子阻止本领/截面（eVcm2) N: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
能量E的函数
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入原理 (上)
11
核阻止本领
➢注入离子与靶内原子核之间两体碰撞 ➢两粒子之间的相互作用力是电荷作用
温过程引起的热扩散 ➢ 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小 • 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，如高压、有毒气体
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入原理 (上)
5
磁分析器
聚焦
扫描系统
靶
加速管
离
子
源
B10
B11
r
BF3：B++，B+，BF2+， F+, BF+，BF++
Q
1 A
I q
dt
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入原理 (上)
6
a) 源（Source）：在半导体应用中，为了操作方便， 一般采用气体源，如 BF3，BCl3，PH3，AsH3等。 如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它
例如：磷离子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅 Z2 = 14, m2 = 28, 计算可得：
Sn ~ 550 keV-mm2
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入原理 (上)
12
半导体制造工艺基础
第七章 离子注入原理 (上)
13
电子阻止本领
局部电子阻止 非局部电子阻止
不改变入射离子运动方向
电荷/动量交换导致入射离子运 动方向的改变（<核间作用）
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 较高的动能后，射入材 料表层（靶）
❖以改变这种材料表层的 物理或化学性质
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离子注入特点
➢ 可通过精确控制掺杂剂量（1011-1018 cm-2）和能量（1-400 keV）来 达到各种杂质浓度分布与注入浓度
• 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) 核阻止（nuclear stopping） (2) 电子阻止 （electronic stopping）
度大 ➢ 离子注入属于低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高
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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。
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注入离子如何在体内静止？
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究
• 总能量损失为两者的和
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核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论
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和电子阻止所损失的能量 (Sn(E),
Se(E) )。
核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。
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有关扩散方面的主要内容
➢费克第二定律的运用和特殊解 ➢特征扩散长度的物理含义 ➢非本征扩散 ➢常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用 ➢常用扩散掺杂方法 ➢常用扩散掺杂层的质量测量
Distribution according to error function
把固体中的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气 体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平
方根成正比。 Se E Cvion kE1/ 2 , k 0.2 1015 eV1/ 2cm2
电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。
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LSS理论
dE dx
NSn ES e E
Sn E
1 N
dE dx
, n
SeE
1 N
dE dx
e
-dE/dx：能量随距离损失的平均速率
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
对心碰撞，最大能量转移：
ETrans
4m1m2 (m1 m2 )2
E
核阻止能力的一阶近似为：
m——质量， Z——原子序数 下标1——离子，下标2——靶
Sn E 2.8 1015
Z1Z 2
m1 eV cm2
Z12
3
Z
2 2
3
m1 m2
摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295
b) 离子源（Ion Source）：灯丝（filament）发出的 自由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞 击源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极 吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器
气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，... 离子源：B ， As，Ga，Ge，Sb，P，...
工
艺 中
Q 2C1
D1t1
二 第二步 为有限源的扩散（Drive-in），往往同时氧化
步
（称为主扩散或再分布）
扩
控制扩散深度和表面浓度
散
C2
Q
D2t2
2
C1
D1t1 D2t2
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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s
erfc
2
x Dt
Distribution according to Gaussian function
Cx,t
QT
Dt
exp
x2 4Dt
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2
实
第一步 为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition） （称为预沉积或预扩散）
际
控制掺入的杂质总量
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/截面 (eVcm2) Se(E)：电子阻止本领/截面（eVcm2) N: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
能量E的函数
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核阻止本领
➢注入离子与靶内原子核之间两体碰撞 ➢两粒子之间的相互作用力是电荷作用
温过程引起的热扩散 ➢ 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小 • 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，如高压、有毒气体
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磁分析器
聚焦
扫描系统
靶
加速管
离
子
源
B10
B11
r
BF3：B++，B+，BF2+， F+, BF+，BF++
Q
1 A
I q
dt
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a) 源（Source）：在半导体应用中，为了操作方便， 一般采用气体源，如 BF3，BCl3，PH3，AsH3等。 如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它
例如：磷离子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅 Z2 = 14, m2 = 28, 计算可得：
Sn ~ 550 keV-mm2
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电子阻止本领
局部电子阻止 非局部电子阻止
不改变入射离子运动方向
电荷/动量交换导致入射离子运 动方向的改变（<核间作用）
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❖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 较高的动能后，射入材 料表层（靶）
❖以改变这种材料表层的 物理或化学性质
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离子注入特点
➢ 可通过精确控制掺杂剂量（1011-1018 cm-2）和能量（1-400 keV）来 达到各种杂质浓度分布与注入浓度
• 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) 核阻止（nuclear stopping） (2) 电子阻止 （electronic stopping）