离子注入技术工艺-中文
离子注入工艺流程
离子注入工艺流程
《离子注入工艺流程》
离子注入工艺是一种将离子束束注入半导体器件中，改变器件性能的技术。
离子注入工艺可以增强器件的导电性、改变其电子结构、调节材料的性能等。
下面我们将介绍一下离子注入工艺的基本流程。
首先，器件准备。
在进行离子注入之前，需要准备好待处理的半导体器件。
这包括对器件进行清洁和表面处理，以确保离子能够完全渗透到材料内部。
接着是离子注入。
在离子注入设备中，通过高能离子束束注入到半导体器件中。
这一步需要严格控制离子束的能量、注入时间和深度，以确保离子能够准确地渗透到材料内部并达到预期的效果。
然后进行退火处理。
在离子注入完成后，通常需要对器件进行退火处理。
这是为了让离子束注入的材料重新排列，使其在晶格中形成更稳定的结构，并恢复器件的性能。
最后是器件测试。
经过以上步骤后，需要对器件进行测试，以确保离子注入工艺达到预期的效果。
这包括对器件的导电性能、电子结构等进行检测。
总的来说，离子注入工艺流程包括器件准备、离子注入、退火处理和器件测试。
通过严格控制这些步骤，离子注入工艺可以
有效地改善半导体器件的性能，为半导体工业的发展提供重要支持。
半导体制造技术导论离子注入工艺
• 阈值电压控制：通过离子注入工艺调节PMOS和NMOS
区
的阈值电压
• NMOS器件：N型半导体作为沟道，P型半导体作为源漏
• 掺杂区形成：通过离子注入工艺形成PMOS和NMOS的
区
源漏区
离子注入工艺在光电二极管中的应用
光电二极管的结构特点
• P-N结：由P型半导体和N型半导体组成的结
• 光敏区：位于P-N结附近的区域，对光敏感
• 掺杂浓度均匀性：如何实现更均匀的掺杂，提高器件性能
• 注入损伤：离子注入过程中如何减少对半导体材料的损伤
• 工艺集成：如何将离子注入工艺与其他工艺集成，提高生产效率
解决方案
• 优化离子注入设备和工艺：提高掺杂浓度的均匀性和降低注入损伤
• 采用新型离子注入技术：如扫描离子注入、等离子体浸入离子注入等，提高工艺效
• 多离子注入技术的发展：实现多种元素的共注入，提高器件的性能和可靠性
离子注入工艺的发展方向
• 精确控制掺杂：实现更精确的浓度控制和更均匀的掺杂
• 降低能耗优化离子注入设备和工艺，降低能耗
• 环保减排：减少离子注入过程中的污染排放，提高环保水平
离子注入工艺面临的挑战及解决方案
离子注入工艺面临的挑战
果
• 加强工艺集成：与光刻、刻蚀等工艺进行集成，提高生产效率
离子注入工艺在未来半导体制造中的应用前景
离子注入工艺在集成电路制造中的应用
• 提高晶体管、二极管等器件的性能，提高集成电路的整体性能
• 实现新型器件的制作，如鳍式场效应晶体管（FinFET）等
离子注入工艺在光电二极管制造中的应用
• 提高光电二极管的光电转换效率，提高光电传感器的性能
• 大电流器件：需要承受大电流的器件
【doc】离子注入工艺简介
离子注入工艺简介离子注入工艺简介蔡宁张伯昌亚舍立半导体贸易(上海)有限公司200122)1引言在过去的三十多年中,CMOS工艺的发展极大地推动了离子注入工艺的发展.反言之,离子注入工艺的不断成熟进一步改善了半导体产品的质量,尤其是CMOS产品的性能,当线宽进入亚微米后,离子注入在整个半导体生产中更成了不可或缺的一部分.离子注入的主要功能是通过改变芯片内载流子的分布从而达到所需的电参数,其中包括源漏极间的串联电阻,优化其沿路的电场分布,并减低甚至消除短沟道效应,降低CMOS的工作电压,提高运行速度,降低寄生电容及功耗.下面我们逐步介绍每一道离子注入工艺要求及目的.'2离子注入工艺的概述一般的CMOS需8—10步离子注入工艺,而当今先进的CMOS产品更需20多步离子注入.根据在场效应管的位置,离子注入工艺可分为三大块:1)沟道区及井区(Channe1 andWel1)掺杂;2)多晶硅(Poly)注入:3)源漏区(SourceDrain)注入.2.1沟道及井区掺杂沟道区及井区的掺杂主要有阈值电压调节(V+Adjust)注入,反穿通(Anti-punchthrough)注入,埋层(BuriedLayer)注入,井问绝缘注入(Channe1Stop),井区反型(RetrogradeWel1)注入及吸收(Gettering)注入.这部分注入工艺的能量比较宽,但剂量属中低范围,所以此部分注入工艺基本上使用中束流及高能注入机.2.1.1阈值电压调节注入工艺(V.Adjust)阈值电压调节注入工艺是半导体工业中使用最早的离子注入技术工艺.由于在CMOS中N型井与P型井共存,它们的功能电压会有不同,V+ 注入是将所需的元素掺杂在门下方的沟道区内,改变电荷而得到所需的工作电压,使这两种井区共用一个闸门电压.高性能产品的N井区里传统的硼掺杂逐渐被铟(indium)注入所代替,其目的是使载子浓度分布更陡,以提高开关速度并降低功耗.2.1.2反击通注入工艺(Ant1一Dunchthr0ugh)该注入工艺的功能是防止源漏两极在沟道下面导通,因PN结深与载流子浓度成反比,如果沟道下部载流子浓度很低,在细线宽情况下源漏之间的PN结就会靠很近而容易被击通,增加此区域的载流子浓度就是为了降低耗尽层的厚度,使源漏不会在沟道下面导通,所以此注入要比阈值电压调节注入要更深一些.2.1.3井间绝缘注入工艺(Channel Stop)井间绝缘的注入是将杂质掺在用于隔开井区的绝缘栏的下方,此目的是为了提高井间寄生场效应管的阈值电压,使在正常的工作情形下此寄生三极管不会被导通而起到绝缘的效果.2.1.4埋层注入工艺(BuriedLayer)该工艺是要降低井区底部的电阻,以防芯片在运行中出现死循环(Latch—up)现象.井区内二个寄生的三极管(NPN&PNP)在一定的条件下可变成一个PNPN可控硅而形成自锁,埋层注入可降低PNP--极管的输出电阻,抬高死循环引发电流而彻底消除死循环现象.2.1.5吸取注入工艺(Gettering)它是在CM0S离子注入中能量最高的工艺,其目的是利用所注入的元素的化学特性和注后所形成的缺陷的物理特性来吸收井区里的其它杂质(如:重金属等)及晶格缺陷,以提高井区内,尤其是沟道区内的材料质量来提升产品性能.离子注入晶体后与原子核碰撞的可能性是和离子本身的能量成反比,所以在高能注入的条件下,有些轻元素如硼及磷,因注入而产生的缺陷分布与注入元素的分布极为接近,利用这—特性离子注入就可在所需的地方将晶格破坏,此外利用硼与磷的化学特性也可将重金属元素吸收.2.1.6反型井区注入工艺(RetrogradeWel1)在早期此工艺由炉管扩散或注入后驱动扩散而完成,但其不能在井区内形成优化的载流子分布,高性能的芯片要求硅片表面的载流子浓度低,而在硅片深度的某些部位要浓,这样既能提高芯片的运行速度,又能达到以上所述的反穿通,抑制死循环及吸取污染杂质的效果.由于在扩散时载流子的浓度是从硅片表面逐步向硅片内部降低的连续分布,这样的分布势必影响到硅片表面载流子的移动集虞电?蠢用2o年9居●■率而降低芯片的运营速度,为提高芯片的功能离子注入就成了必不可少的手段,新一代的CMOS技术已全部使用离子注入方式,当今的CMOS技术更采用双井反型工艺(Twin Retrogradewel1),它综合了以上所讨论的阈值电压调节注入,反穿通注入,井问绝缘注入,及埋层注入,构成一个完整的反型井层注入工艺链. 亚舍立科技(Axcelis)公司的高能注入机的设计,可提供连续注入(ChainImplant)技术,即将这些注入工艺步骤在一次装片中连续注入,这样既可提高产量,降低成本,还可提高产品性能,降低在硅片上的尘粒总数量.2.2多晶硅注入此注入工艺是为了降低多晶硅的电阻,是CMOS注入工艺中注入剂量最大的工艺.有的制成在长多晶硅的同时已掺入所需的元素,假如长多晶硅时没有掺杂,则要做多晶硅注入,再进行退火,注入后的元素在退火时在多晶硅中的扩散率与单晶硅相比会高出二个数量级,因此掺杂后的多晶硅的阻值与非掺杂的多晶硅相比会有大幅度的下降.此工艺因剂量很大,能量较低,在生产中一般都采用大束流离子注入机. 2.3源漏区注入工艺源漏区注入主要包括大角度晕环(Halo)注入,延伸(Extension)注入,源漏(Source—drain)及非晶体化(Pre-amorphouse)注入,此部分工艺技术要求越来越高,并与注入后的退火工艺有着密切的联系. 该部分的注入工艺其能量相对较低, 但剂量属中高范围,一般采用中束流及大束流注入机.2.3.1大角度注入工艺(Halo)Halo是大角度(>20度)四方向的中剂量离子注入工艺,它的主要功能是防止源漏相通,降低延伸区的结深及缩短沟道长度,有利于提高芯片的性能,一般在延伸注入工艺之后注入.为了使载流子分布更陡,以更有效的防止短沟道效应,最新的掺杂技术是用锑来替代砷,用铟来替代硼.2.3.2延伸注工艺(Extension)它先前也称作低剂量掺杂(LDD),它是在CMOS中注入能量最低的工艺,其作用是优化源漏问的电场分布,降低最高电场,在高阻与电阻区之间起一个衔接作用.其剂量随着沟道缩短而增加.线宽的变窄要求延伸区的结深越来越浅,晕环注入可对此有帮助.但还不够,尤其对n+井区,唯一可用的注入元素是质量很轻的硼,或稍高的BF,并在退火时由于存在过渡性扩散(TED),硼在退火时的扩散率很高,这就更要求注入的能量要非常低,所以如何在延伸区形成浅结是近年来注入工业界的最大课题.2.3.3源漏注入工艺(source-drain)源漏注入的剂量很大,是降低场效应管串型电阻的重要一环.与延伸注入工艺一样,现在源漏注入最大挑战是如何形成具有一定导电率的浅结,这是一个离子注入与快速退火的工艺优化问题,但最基本的要求是低能量注入.因其要求的剂量很大,这对离子注入机的生产率是一大考验,如何设计出在低能时能产生高电流是每个离子注入厂家的努力方向.2.3.4非晶体化注入工艺((pre-amorphouse)在源漏区还有一种注入工艺被有些厂家所采用,它就是非晶体化注入工艺,其注入元素主要有锗(Ge)和硅(Si),其中锗的使用比较广泛一些,因为其原子重量大,容易达到非晶体化效果,并能降低源漏区的接触电阻.非晶体化的目的主要是防止下—步注入的沟道效应,并可降低在退火时其掺杂元素激活的激活能.其不利之处在于难于消除在晶体与非晶体界面层的缺陷因而增加源漏区的漏电.3总结离子注入工艺的优化就是选择所需的掺杂元素和注入的能量,剂量及角度的过程,当今的离子注入工艺无论是从能量还是剂量涵盖很广,所以对设备的要求可大致分为高能,大束流及中束流.设备的合理选择及搭配就是要既能满足工艺要求,又能达到高效低成本的目的.亚舍立科技(Axcelis)公司是当今全球唯—提供整合注入相关工艺配套的半导体设备商,产品种类包括光刻胶定型机,去胶机,快速退火炉及全套离子注入系统,包括具有低能量功能的大束流注入机,中束流注入机及高能注入机,并可为用户提供整套设备和工艺服务.-■集成电路应用2oo2年9月。
微电子工艺 离子注入
称作投影射程。
内有多少条鱼浓度（个数域单位体积内有多少条鱼,…….离子源通过吸极电源把离子从离子源引出可变狭缝v⊕一个质量数为M的正离子，以速度v垂直于磁力线的方向进入磁场，受洛伦茨力的作用，在磁场中作匀速圆周运动的半径为R。
子离开分析仪电磁场的磁极平行平板电极⊕当离子束垂直进入均匀的正交电磁场时，将同时受到电场力和洛伦茨力的作用，这两个力的方向正好相反，只有在某个质量为M的离子在分析器中所受的电场力和洛伦茨力的数值相等时，不发生偏转而到达靶室，大于或小于M的离子则被偏转加速器加速离子，获得所需能量；高真空（<10-6Torr 静电加速器：调节离子能量静电透镜：离子束聚焦静电偏转系统：滤除中性粒子X方向扫描板Y方向扫描板扫描范围中性束偏转板+-的浓度比其它地方高。
终端台：控制离子束扫描和计量离子束扫描：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<110>向和偏转10°方向的晶体结构视图<111><100><110>40 kevP +31注入到硅中的浓度分布0.20.40.60.8 1.0µm43210 注入深度对准<110> 偏<110> 2°偏<110> 8°子在靶中行进的重要效应之一。
窗口边缘处浓度为同等深度窗口中心部位浓度的1/2离子越轻，阈值剂量越高；温度越高，阈值剂量越高。
扩散率提高，聚集成团，几种等时退火条件下，硅中注入硼离子的激活百分比。
离子注入技术(Implant)
离子注入技术摘要离子注入技术是当今半导体行业对半导体进行掺杂的最主要方法。
本文从对该技术的基本原理、基本仪器结构以及一些具体工艺等角度做了较为详细的介绍，同时介绍了该技术的一些新的应用领域。
关键字离子注入技术半导体掺杂1绪论离子注入技术提出于上世纪五十年代，刚提出时是应用在原子物理和核物理究领域。
后来，随着工艺的成熟，在1970年左右，这种技术被引进半导体制造行业。
离子注入技术有很多传统工艺所不具备的优点，比如：是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺杂种类广泛，并且易于自动化。
离子注入技术的应用，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展，从而使集成电路的生产进入了大规模及超大规模时代（ULSI）。
由此看来，这种技术的重要性不言而喻。
因此，了解这种技术进行在半导体制造行业以及其他新兴领域的应用是十分必要的。
2 基本原理和基本结构2.1 基本原理离子注入是对半导体进行掺杂的一种方法。
它是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，注入到硅中而实现掺杂。
离子具体的注入过程是：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。
在这一过程中，涉及到“离子射程”、“”等几个问题，下面来具体分析。
2.1.1离子射程图2.1.1（a ） 离子射程模型图图2.1.1（a ）是离子射入硅中路线的模型图。
其中，把离子从入射点到静止点所通过的总路程称为射程；射程的平均值，记为R ，简称平均射程 ；射程在入射方向上的投影长度，记为p x ,简称投影射程；投影射程的平均值，记为p R ，简称平均投影射程。
入射离子能量损失是由于离子受到核阻挡与电子阻挡。
定义在位移x 处这两种能量损失率分别为n S 和e S ：nn xdE S d =（1）ee e dE S k E dx==（2）则在dx 内总的能量损失为：()n e n e dE dE dE S S dx =+=+（3）P0000P 0nd d d d d R E E E ER x E x S S ===+⎰⎰⎰（4）n S 的计算比较复杂，而yxpx py pz d Ed E且无法得到解析形式的结果。
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
离子注入
43
热退火过程中的扩散效应 热退火过程中的扩散效应
高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏 离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数 衰减的拖尾
44
快速热退火（ RTA） 快速热退火（ RTA） 传统热退火的缺点
不能完全消除缺陷，产生二次缺陷
28
解决办法
怎么解决？？？
29
阴影效应
离子束
掺杂区域
阴影区域
30
阴影效应消除
退火和扩散后
31
注入损伤过程 注入后发生了什么………
晶格损伤和无定型层
靶原子在碰撞过程中，获得能量，离开晶格位置，进 入间隙，形成间隙－空位缺陷对；
脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可使得 被碰靶原子脱离晶格位置。 缺陷的存在使得半导体中载流子的迁移率下降，少子 寿命缩短，影响器件性能。
非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程相联系 在再生长过程中，Ⅴ族原子实际上与硅原子难以区分，它们在再 结晶的过程当中，作为替位原子被结合在晶格位置上。所以在相 对很低的温度下，杂质可被完全激活。
41
热退火过程中的扩散效应
热退火的温度与热扩散的温度相比，要低得多。
但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度下
退火温度可以分为三个区域
• 500℃以下，电激活比例又随温度上升而增加 • 500～600℃范围内，出现逆退火特性
– 晶格损伤解离而释放出大量的间隙Si原子，这些间隙Si原 子与替位B原子接近时，可以相互换位，使得B原子进入晶 格间隙，激活率下降。
• 600℃以上，电激活比例又随温度上升而增加
39
核碰撞和电子碰撞
离子注入法介绍
平行于主晶轴时 1、沟道效应：在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时， 沟道效应： 单晶靶中 当离子速度方向平行于主晶轴 有部分离子可能会行进很长距离 造成较深的杂质分布。 有部分离子可能会行进很长距离，造成较深的杂质分布。 很长距离，
当离子速度方向与晶轴方向夹角远大于临界角 远大于临界角时 ■ 当离子速度方向与晶轴方向夹角远大于临界角时， 沟道效应很小。 沟道效应很小。
当剂量固定时，束流越大，扫描时间越短， 当剂量固定时，束流越大，扫描时间越短，机器产能越高 扫描时间太短，会影响注入的均匀性(一般最短扫描时间l0s) 扫描时间太短，会影响注入的均匀性(一般最短扫描时间l0s)
（6）杂质剂量与杂质浓度的关系 杂质剂量与杂质浓度 剂量与杂质浓度的关系
三、射程与入射离子的分布
■
决定引出离子的能量(速度) 决定引出离子的能量(速度)
（2）质量分析器： 质量分析器：
■
选择注入所需的杂质成分(B+) 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 方向垂直于离子束的速度方向 分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的
离子运动路径： 离子运动路径：
离子运动速率： 离子运动速率： 质量m+δ 的离子产生的位移量 质量m+δm的离子产生的位移量
气态源： 或固体源) 气态源： (或固体源) BF3 AsH3 PH3 SiH4 H2
■
放电室：低气压、 放电室：低气压、分解离化气体 BF3 → B，B+，BF2+，F+， B+， F+， …… 引出狭缝：负电位，吸引出离子 引出狭缝：负电位，
离子束流量(最大mA量级) 离子束流量(最大mA量级 量级) 吸极电压Vext：约15～30KV， 吸极电压V 15～30KV，
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离子注入技术工艺
中国科学院半导体研究所离子注入组
我们的离子注入机是中国电子科技集团公司第四十八研究所研制的LC–4 型离子注入机，中国科学院半导体研究所后对该注入机的真空系统、离子源、靶室等设施进行了升级改造，使该注入机在研究方面的性能和功能更加强大。
经过二十多年的运行，我们已为全国一百多家科研院所、大学和企业提供了离子注入技术工艺制作，来我们这里做离子注入工艺的不仅有中科院、北大、清华等众多内地著名单位而且还包括台湾和香港的多所大学；在国际上，美国、德国等西方国家的研究部门也多次来我们这里做离子注入，而我们对国外的收费一直是按照基本上与国际接轨的标准。
从国内外的回头客情况看，他们对我们离子注入的质量水平感到满意，特别是，德国Paderborn大学的Wolf Sohler 教授2009年专门来我们这里参观，他说：“我们多次来你们这里做注入，经我们德方的实验测试，你们注入的质量很好”。
这说明德国人来我们这里花费得到的技术工艺是物有所值的，也说明我们的离子注入技术经受住了国际方面的检验从而达到国际水平。
有关这台离子注入机的技术指标，其能量在15keV–600keV范围内连续可调，束流强度0.02μA–100μA。
注入离子的种类可做铅以下所有离子，现做过的离子包括Al+、As+、Ar+、Ag+、Au+、B+、BF
2
+、Br+、Be+、Bi+ 、Ba+ 、C+、Cr+、Ga+、
Cu+、Ge+、Ca+、Co+、Ce+、Dy+、Eu+、Er+ 、Fe+、Gd+、H+、H
2
+、He+、I+、In+、La+、
Li+、Mg+、Mo+、Mn+、N+、N
2+、Ni+、Nb+、Nd+、Ne+、O+、O
2
+、P+、Pr+、Pt+、Pd+、
S+、Si+、Se+、Sb+、Sm+、SiF
2
+、Te+、Ti+、Tb+、Ta+、Tm+、V+、W+、Xe+、Y+、Yb+、Zr+、Zn+、Zr+等超过60种离子。
我们可以实现重叠注入、垂直注入、大偏角或双偏角注入以及冷靶（液氮温度）或热靶（500 ℃以下）注入等，注入样品的形状可以是任意尺寸，最小可以是几个平方毫米，最大可达4英寸直径的圆片。
应用该机已在多种半导体器件、表面物理、半导体材料、金属材料、超导材料、生物材料、医学结构材料、地质矿藏材料、粮食种子改性、微生物品种改良等方面开展了研究，其中在很多方面已取得显著效果。
电子邮件：jml@（联系注入需通过发电子邮件网上预约，联系人：李建明）
地址：中国科学院半导体研究所,北京市海淀区清华东路甲35号4号实验楼102室
邮编：100083；电话/传真：（010）82304443。