离子注入资料
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【精品】表面工程技术6离子注入
§6离子注入离子注入是核科学技术在材料工业方面的应用，其基本工艺是将几万到几十万eV 的高能离子流注入到固体材料表面，从而使材料表面的物理、化学或机械性能发生变化，达到表面改质的目的. 离子注入技术首先应用于半导体材料。
该技术使大规模集成电路的研究和生产获得了极大的成功,70年代以后才开始用于金属材料的表面改质.§6.1离子注入的原理一、离子束和材料的相互作用1、离子与靶材原子相互作用过程(1）离子与靶材原子的相互作用高能离子（20～100keV ）以高速(107～108cm/sec ）射向靶材表面，与靶材相互作用，产生核碰撞(核阻止）、电子碰撞（电子阻止），并与靶材原子进行能量交换，其中核阻止起主要作用。
阻止本领的大小（即碰撞几率的大小）用阻止截面来表示。
注入的离子损失了原有能量，停在靶材内部。
经过一次碰撞，离子传递给靶原子的最大能量为：12max 12124()m m A E m m =+m 1、m 2分别为入射离子和靶原子质量。
E 1入射离子的初始能量。
当离子传递给靶原子的能量大于点阵对原子的束缚能时（A >E d ,E d 点阵原子束缚能,约为几十eV），离子撞击使点阵原子离开正常位置，产生一个空位和间隙原子。
当A>〉E d，离子撞击使原子获得很大的能量，离开原来的位置（即离位原子或反冲原子），获得能量的反冲原子和点阵中其它原子发生碰撞,产生更多的反冲原子，形成级联碰撞过程.离子的轰击，可以使靶材发生溅射，靶材中产生大量的置换原子、间隙原子和空位（即产生缺陷）；高速运动的离子终止在靶材中会产生热效应。
在热效应作用下,点阵缺陷开始迁移，形成间隙原子团、空位团（即位错环）。
(2)离子在靶材中的分布离子注入、能量交换是一个随机过程。
注入离子的浓度在靶材中的射程(即深度）中呈高斯分布。
2、离子撞击引起的效应概括为三种：①掺杂作用:引起材料表层的原子成分发生变化，如大规模集成电路采用的离子注入。
第4章离子注入
离子注入掺杂
发展历史： 1954年肖克莱首先提出并申请了专利。 1955年英国人W. D. Gussins 用硼离子轰击 Ge晶片，在n型材料上形成p型层，但当时对 p-n结形成机理不很清楚，所以这一新技术没 有得到人们重视。 随着原子能技术的发展，对于离子束对 物质轰击效果的研究，强离子束设备的出现， 为离子注入的发展奠定了基础。
掩蔽层
Mask
xj Silicon substrate
Mask
Silicon substrate
a) 低掺杂浓度与浅结
b) 高掺杂浓度与深结
聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。
缺点是 生产效率低，设备复杂，控制复杂。聚焦方
式的关键技术是
1、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源；
2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转
液态金属
同轴形
毛细管形
钨针
对液态金属的要求 (1) 与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润；
(3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太
高的温度下既保持液态又不蒸发。
能满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn
等少数几种，其中 Ga 是最常用的一种。
E3 E1 是主高压，即离子束的 加速电压；E2 是针尖与引出极
离子注入概述
扩散掺杂
• 最先被采用的半导体掺杂技术 • 是早期集成电路制造中最重要的技术之一，高温炉 通称为“扩散炉”。 • 需在高温炉中进行 • 需使用二氧化硅作掩膜 • 无法独立控制结深和浓度 • 各向同性 • 杂质剂量控制精度较差。 自1970年中期开始离子注入技术被广泛采用。扩散技 术目前主要应用于杂质的推进，以及用于形成超浅结 （仍处于研发中）。
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7章 离子注入
二、将硅晶 片偏离主平 面5-10度。 此方法大部 分的注入机 器将硅晶片 倾斜7度。
离子注入
晶格 不对准晶轴的入射
三、先注入大 量硅或锗原子 以破坏硅晶片 表面，可在硅 晶片表面产生 一个随机层， 这种方法需使 用昂贵的离子 注入机。
离子注入 损伤的 晶格 晶格 在单晶层上的预先损伤
§3 注入损伤和退火
分析磁体
加速管
中性束流阱
静电离子束扫描
空间电荷中和
掺杂离子
+ + + + + + + + +
二次电子
+ ƻ
+
+ +
粒子束膨胀剖面
具有空间电荷中和地粒子束剖面
离子注入的优点 1. 精确控制杂质含量； 2. 很好的杂质均匀性； 3. 对杂质穿透深度有很好的控制； 4. 产生单一粒子束； 5. 低温工艺； 6. 注入的离子能穿过掩蔽膜； 7. 无固溶度极限。
60keV As→Si
相对浓度
离子束
掩蔽层 掩蔽层 衬底 阴影区
θ
0 ° 45° 86° 70°
0 10 20 30 40 50 60 70 80
深度nm
注入阴影效应
粒子束
光刻胶
光刻胶
无倾斜的机械扫描
正常倾斜的静电扫描
高能量与大电流注入 高能量注入：使用能量高达1.5~5MeV 的离子束。可以制作低电阻埋层。
射程R为 R dx
0
R
E0
0
dE S n ( E ) Se ( E )
离子沟道效应 沿 <110> 轴的硅晶格视图
<100>
第八章：离子注入
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 为高斯分布其方程为
其中φ为注入剂量
χ为离样品表面的深度
Rp为平均投影射程
△Rp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
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，最大浓度位置在样品内的平均投 影射程处
第八章：离子注入
掺杂技术之二
8.1 引 言
离子注入的概念：
离子注入是在高真空的复杂系统中，产生电离杂质 并形成高能量的离子束，入射到硅片靶中进行掺杂 的过程。
束流、束斑
高能离子轰击（氩离子为例）
1. 离子反射（能量很小） 2. 离子吸附（<10eV） 3. 溅射（0.5keV~5keV） 4. 离子注入（>10keV）
622 252 199 84 127 43
1283 418 388 152 217 72
1921 540 586 216 303 99
2528 634 792 276 388 125
3140 710 1002 333 473 151
3653 774 1215 387 559 176
4179 827 1429 437 646 201
得能量完全相同的同种离子在靶中的投影射程也不
等，存在一个Biblioteka 计分布。离子的平均投影射程RP为
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△RP为
RP
R
P
RP,i N
2
其中N为入射离子总数 Rp 为平均投影射程 Rpi为第i个离子的投影射程
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
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1968：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Al栅自对准MOS晶体管。
1972：对离子注入现象有更深入的了解，并且采用此技术制造了GaAs 高速集成电路。
1973：第一台商用注入机面世。
2
为什么要采用离子注入（扩散存在的问题）：
横向扩散： 晶体损伤： 低掺杂和超浅结： 表面效应 ： 对表面污染的控制能力：
3
§5.2特点和参数
一、 离子注入特点
离子纯度高、能量单一 注入剂量范围较宽、精度高 SiO2、SiN、Al、光刻胶等都可以作为选择性掺杂的掩蔽膜 可得到各种形状的分布 是非平衡过程
避免高温扩散引起的热缺陷
可实现化合物半导体的掺杂
4
二、
离子注入缺点
晶格有损伤
Low frequency Yaxis deflection High frequency X-axis deflection Scanning disk with wafers Suppressor aperture Wafer Faraday cup
Sampling slit in disk
Y-axis deflection
14
2 2V B ext q r2 m
M DM
R
φ
L
M
D
15
离子加速器：
Electrode Ion beam From analyzing magnet
+100 kV +80 kV +60 kV +40 kV +20 kV 0 kV
Ion beam To process chamber
或者对于给定的具有上述荷质比的离子，可通过调节磁场B 使
1 2： 之满足下式，从而使该种离子通过光阑
其余的离子则不能通过光阑2，由此达到分选离子的目的。 另外，若固定 r 和Vext ，通过连续改变B ，可使具有不同荷 质比的离子依次通过光阑 2，测量这些不同荷质比的离子束流 的强度，可得到入射离子束的质谱分布。
dE Sn (E) ( )n dx dE Se ( E ) ( )e dx 1 N 1 N
Silicon substrate
Rp Stopping point for a single ion DRp dopant distribution
7
§5.3 离子注入系统
1 、离子源：用于离化杂质的容器，有阴阳两个电极，阴 极接地，阳极接高压（约1000V）。常用的杂质源为 PH3 、 B2H3 、BF2 、AsH3 等。 2、质量分析器：由于不同离子具有不同的电荷质量比， 则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。 3 、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。
1952：美国贝尔实验室开始用离子束轰击技术改变半导体特性 1954：Shokley提出采用该技术能制造半导体器件，并预言用此方法可 以制造薄基区的高频晶体管 1955：英国W.D.Cussins用硼离子轰击Ge晶片时，可在n型材料上形成p 型区。 1960：对离子射程计算、测量、辐射损伤效应、沟道效应等方面的重 要研究已经完成。
Scanning disk
Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side
10
离子源（Nielsen 系统）：
11
磁质量分析器：
Ion source Extraction assembly Analyzing magnet Ion beam Lighter ions
100 MW 100 MW 100 MW 100 MW 100 MW
+100 kV
Linear accelerator
Atomic mass analysis magnet
Final energy analysis magnet
Wafer Source Scan disk
16
终端台 （A)扫描装置
很浅或很深的注入分布都难以得到，甚至是不可得到的
离子注入产率受到限制 设备昂贵
5
三、离子注入中涉及到的有关参数
1. 剂量Q：指单位面积硅片表面注入的离子数
Q
It enA
2. 射程R：指离子注入过程中离子穿入硅片的总距离
3. 投影射程Rp：指注入离子的总射程在入射方向上的投
影距离。
6
Incident ion beam
Neutrals Heavy ions 石墨
12
磁质量分析器：
光阑1
B Fm
Байду номын сангаасv
光阑2
r
2qVext F qvB qB为向心力，使离子作圆周运动， m
半径为：
mv 2mVext r 2 qB qB
1 2
13
q 2Vext 2 2 的离子可通过光阑2。 从上式可知，满足荷质比 m r B
Ion beam X-axis deflection
Current Twist integrator
Tilt
(B)法拉第杯
Scanning direction
17
§5.4注入离子在靶中的分布(LSS理论)
J.Lindhard, M.Scharff, H.E.Schiott (LSS) 1、核阻止 2、电子阻止
4 、中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度使中性原 子分离出去。
8
5、聚焦系统：用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的 离子束。 6、偏转扫描系统：用来实现离子束在 X 、Y 方向的一定面 积内进行扫描。 7、工作室：放置样品的地方，其位置可调。
9
Ion source
Plasma Extraction assembly Analyzing magnet Ion beam Acceleration column Process chamber
第五章 离子注入（Ion Implantation） §5.1概述
1. 介绍离子注入掺杂在硅片制造过程中的目的和应 用. 2. 对离子注入有整体的认识，包括优缺点. 3. 讨论剂量和射程在离子注入中的重要性. 4. 描述离子注入机的５个主要子系统. 5. 解释离子注入中的退火效应和沟道效应.
1
离子注入的发展