离子注入技术(Implant)
Ion Implantation离子注入
Hong Xiao, Ph. D.
Comparison of Implantation and Diffusion
Diffusion Ion Implantation
High temperature, hard mask Isotropic dopant profile Cannot independently control of the dopant concentration and junction depth Batch process
Low temperature, photoresist mask Anisotropic dopant profile Can independently control of the dopant concentration and junction depth Both Batch and single wafer process
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 14
Misalignment of the Gate
Metal Gate Gate Oxide Metal Gate
n-Si
p+ S/D Aligned
n-Si
p+ S/D Misaligned
Chapter 8 Ion Implantation
Hong Xiao, Ph. D. hxiao89@
/HongXiao/Book.htm
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 1
/HongXiao/Boo k.htm 2
Hong Xiao, Ph. D.
Ion Implantation
• • • • • Introduction Safety Hardware Processes Summary
离子注入技术ppt课件
Z 1 Z 2
M 1 e V c m 2
Z 1 23 Z 2 23M 1 M 2
忽略外围电子屏蔽作用，注入
离子与靶内原子之间势函数：
M——原子序数
下标1——离子 下标2——靶
整理版课件
10
核碰撞
考虑电子屏蔽时离子
与靶核之间相互作用势 函数
最简屏蔽函数
f
r
表面非晶层对于沟道效应的作用
Boron implant into SiO2
Boron implant into Si
整理版课件
27
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）
1
R bM
2
M1
b ——E 和R 的缓慢变化函数
RP
2 M1M2 3整M理1版课件M2
RP
M1>M2; b=1/3
19
纵向分布
离子注入的实际浓度分布用高斯函数表示
n(x) 2QT Rpexp12xRRpp2
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
n(Rp)Nmax
QT
2Rp
单位面积注入的离子总数 QT 2NmaxRp
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
整理版课件
3
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
离子注入培训教程
离子注入培训教程上帝在调情发表于: 2010-5-28 10:45 来源: 半导体技术天地1．什么是离子注入?离子注入（Ion Implant）是一种把高能量的掺杂元素的离子注入半导体晶片中，以得到所需要的掺杂浓度和结深的方法。
2．离子注入安全操作应注意什么?1）本工艺所接触的固源、气源的安全操作固体磷、固体砷、三氟化硼气体均为有毒有害化学品，进行一切与之发生接触的操作维护时，都必须戴好防毒面具、乳胶手套、袖套、围裙等安全防护用品，在通风柜中进行。
2）设备安全操作①离子注入机在高电压下工作，维护维修时必须关闭电源，拔下操作面板钥匙，防止有人误操作，打开设备门，用放电棒对离子源气柜、离子源头部件、高压电缆、灯丝电极等部位放掉高压静电，并将放电棒挂在源法兰上，才可进行维护维修操作。
②离子注入机工作时有少量放射线产生，注片过程中严禁打开门，或过分接近设备后部，更不能进入注入机下面的格栅。
③离子注入机离子源工作时产生高温，必须等离子源部件降温后才可进行维护维修操作。
3．请写出离子注入常用源材料、常用离子种类及其AMU（原子质量单位）数值。
离子注入常用源材料：固体磷、固体砷、三氟化硼气体、氩气常用离子种类：B+—11，BF2+—49，P+—31，As+—75，Ar+—404．哪些工艺在大束流注入机上进行生产? 哪些工艺在中束流注入机上进行生产? 试举例说明。
注入剂量大于5e14cm-2的注入工艺在大束流注入机上进行生产，如MOS电路的源漏注入、电容注入、多晶互连注入等。
注入剂量小于1e14cm-2的注入工艺在中束流注入机上进行生产，如MOS电路的阱注入、场注入、PT注入、LDD注入、VT注入等等。
5．产品流程单规定的注入工艺参数有哪些?产品流程单规定的注入工艺参数有注入离子种类（AMU）、能量（Energy）、剂量（Dose）、倾斜角（TiltAngle）等。
6．注入前的来片检查应注意什么?注入前的来片检查应确认产品批号、片数与流程单一致，上道工序已完成，圆片无破损，如有异常应向带班人员报告。
第五章离子注入_572605374
x j = Rp + ΔRp
2 ln⎜⎜⎝⎛
1
φ ⎟⎞
2π ΔRp N B ⎟⎠
（假设0 ≤ x ≤ Rp时，均有N(x) > NB）
23
实际的入射离子分布问题
沟道效应 横向分布 复合靶注入
24
沟道效应：在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时，有 部分离子可能会行进很长距离，造成较深的杂质分布。
深度为Rp时的离子浓度为最大值： Cp =
Q
2π ΔRp
离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量：
∫∞
Q = N (x)dx = 0
2π ΔRpCp
16
200KeV implants
17
一个任意的杂质分布可用一系列的矩来描述：归一化的一次矩是投影射 程，二次矩是标准偏差，三次矩是偏斜度；四次矩是峭度。
静电光栅扫描：适于中低束流机 机械扫描：适于强束流机
剂量控制
法拉第杯：捕获进入的电荷，测
量离子流
注入剂量：
Dose =
1 A
∫
I q
dt
当一个离子的荷电态为m时，
∫ 注入剂量为 Dose =
1
I dt
mA q
两种注入机扫描系统
9
离子注入工艺控制参数
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 注入剂量（单位：原子数/cm2）—— 决定杂质浓度 束流（单位：mA或μA）—— 决定扫描时间
注入损伤阈值剂量：
超过某一剂量注入后，形成完全 损伤，晶体的长程有序被破坏。
离子注入技术(Implant)
4、离子注入系统复杂昂贵。
3
离子注入的应用
半导体掺杂工艺： 大规模集成电路 固体材料表面改性： 抗腐蚀、硬度、耐磨、润滑 光波导: 光纤传感器 太阳能电池
离子注入机设备与发展
中束流 μA 350D
NV6200A
NV10-80
大束流 mA NV10-160 NV10-160SD NV10-180
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。 离子浓度呈高斯分布。
x
y
0
z
注入离子分布(高斯型)
RP：投影射程，射 程的平均值
2.3 退火工艺
• 注入离子会引起晶格损伤ห้องสมุดไป่ตู้一个高能离子可以 引起数千个晶格原子位移）。 • 离子注入后需要将注入离子激活。
基本结构：离子注入系统（传统）
离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质 源气体有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。 质量分析器：不同离子具有不同的电荷质量 比，因而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。 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（离子能量为100keV量级)。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分 离中性原子。
4 总结
未来电子技术发展水平的瓶颈；
未来高精工艺的发展方向；
未来尖端技术如航空航天、军事等领域 所必须的基础。
Thank you!
各向同性
可以独立控制结深和浓 不能独立控制结深和 离子注入与扩散的比较 3 度 浓度
一 言 以 蔽 之 ： 可 控 性 好
离子注入的缺点
硅集成电路工艺——离子注入IonImplantation
§4.4 注入损伤
❖ 级联碰撞： 不同能量的注入离子与靶原子发生碰撞的情况：
❖ E<Ed，不会产生移位原子，表现形式为宏观热能； ❖ Ed<E<2Ed，产生一个移位原子和一个空位； ❖ E>2Ed，被撞原子本身移位之后，还有足够高的能量于
其他原子发生碰撞使其移位，这种不断碰撞的现象称 为“级联碰撞”。
小结
❖ 离子注入相比于扩散的优缺点 ❖ 两种碰撞（阻止）模型及其适用情况 ❖ 注入离子的分布；射程和投影射程的概念；沟道效应的
原因及解决方法 ❖ 离子注入系统的主要构件及其基本原理 ❖ 注入损伤的形成及影响，级联碰撞 ❖ 热退火的定义及作用，热退火进入晶格位置，实现一定比例的电
激活
热退火过程（固相外延）
快速退火 Rapid Thermal Annealing (RTA)
❖ 普通热退火需要经过长时间的高温过程，会导致明显的杂质 再分布，还可能造成硅片翘曲变形
❖ 快速退火的目的：降低退火温度或缩短退火时间 ❖ 快速退火手段：脉冲激光；脉冲电子束；扫描电子束等
Self-alignment（自对准掺杂）
离子注入的缺点：
❖ 入射离子对衬底有损伤； ❖ 很浅和很深的结难于制得； ❖ 高剂量注入产率受限制； ❖ 设备昂贵。
§4.1 离子注入机理
LSS理论：S=Sn+Se
核碰撞（核阻止） ❖ 和晶格原子的原子核发
生碰撞 ❖ 发生明显的散射 ❖ 造成大量晶格损伤
pn结漏电流增大 ❖ 注入离子大多处于间隙位置，起不到施主或者受主
的作用，晶格损伤造成的破坏使之更难处于替位位 置，非晶区的形成更使得注入的杂质根本起不到作 用。
热退火的定义和目的
定义： ❖ 将注入离子的硅片在一定温度和氛围下，进行适
离子注入技术Implant共27页
E < 10 KeV ，刻蚀、镀膜 E = 10 ~ 50 KeV，曝光 E > 50 KeV，注入掺杂
离子束加工方式可分为 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（FIB,Focus Ion Beam）
掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离 子体型离子源，其典型的有效源尺寸为100 m，亮度 为10 ~ 100 A/cm2.sr。 聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离 子源（LMIS , Liquid Metal Ion Source ）出现后才得 以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为 5 ~ 500 nm， 亮度为 106 ~ 107 A/cm2.sr 。
可
1 室温或低于400℃
900－1200 ℃
控
2
各向异性
各向同性
性
3 离可子以独注立控入度制结与深扩和浓散不能的独立比浓控度较制结深和
好
离子注入的缺点
1、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷； 2、离子注入难以获得很深的结（一般在 1um以 内，例如对于100keV离子的平均射程的典型值约为0.1um ）； 3、离子注入的生产效率比扩散工艺低； 4、离子注入系统复杂昂贵。
3 离子注入的应用
半导体掺杂工艺： 大规模集成电路
固体材料表面改性： 抗腐蚀、硬度、耐磨、润滑
光波导: 光纤传感器
太阳能电池
离子注入机设备与发展
中束流 μA
大束流 mA
350D NV6200A NV10-80 NV10-160 NV10-160SD NV10-180
GSD/200E2离子注入机技术指标 1.离子束能量 80KeV 形式：2 - 80KeV（也可选90KeV） 160KeV形式：5 – 160KeV(也可选180KeV) 2.80KeV注入机的最大束流
半导体离子注入的概念
半导体离子注入是半导体制程中关键的工艺技术，主要涉及将杂质元素以离子形态注入到硅晶圆中，以改变晶圆衬底材料的化学性质。
具体来说，这一过程通过将气体形态的掺杂化合物原材料导入反应腔，加入电场和磁场交作用形成电浆等离子体，然后离子束从反应腔萃取出来后，受到电场牵引而加速前进，并在通过磁场后进行二次加速，提高离子束射程。
在加速过程中，高能量离子束与材料中的原子或分子发生物理和化学相互作用，最终导致注入的离子停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能的变化。
离子注入技术具有许多优点，例如能够精确控制注入剂量、注入角度、注入深度和横向扩散等，使得其在半导体制造中被广泛应用。
与传统的热扩散工艺相比，离子注入技术具有更高的精度和灵活性。
在集成电路制造工艺中，离子注入通常应用于深埋层、倒掺杂阱、阈值电压调节、源漏注入、多晶硅栅掺杂等。
这一技术的应用提高了材料表面的载流子浓度和导电类型，为现代电子设备的微型化和高性能化奠定了基础。
如需更多关于“半导体离子注入”的信息，建议咨询半导体相关专家或查阅相关专业文献。
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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xpy pz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 0n ed d d d d R E E E ER x E x S S ===+⎰⎰⎰（4）n S 的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。
图2.1.1(b)是数值计算得到的曲线形式的结果。
e S 的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。
左图中，2EE =时，n e S S =图2.1.1（b ）离子总能量损失率数值计算曲线ypx pr px px pr d d Exe d ()d E xn d ()d E xE1E 2E 0E图2.1.1（c ）S n > S e 时离子路径 图2.1.1（d ）S n < S e 时离子路径讨论：(1)当入射离子的初始能量0E 小于2E 所对应的能量值时，n e S S >，以核阻挡为主，此时散射角较大，离子运动方向发生较大偏折，射程分布较为分散。
如图2.1.1（c ）。
(2)当0E 远大于2E 所对应的能量值时，ne S S <，以电子阻挡为主，此时散射角较小，离子近似作直线运动，射程分布较集中。
随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，离子射程的末端部分又变成为折线。
如图2.1.1（d ）2.2 基本结构离子注入机总体上分为七个主要的部分，分别是： ①离子源：用于离化杂质的容器。
常用的杂质源气体有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。
②质量分析器： 不同离子具有不同的电荷质量比，因而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。
④中性束偏移器： 利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。
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 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。
图2.2离子注入系统示意图2.2.1离子源根据离子源的类型分类，可以将其分为两类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS ）。
其中，掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为 100m ，亮度为 10 ~ 100 A/cm 2.sr 。
而聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS ）出现后才得以顺利发展。
LMIS 的典型有效源尺寸为 5 ~ 500 nm ，亮度为 106 ~ 107 A/cm 2.sr 。
液态金属离子源是近几年发展起来的一种高亮度小束斑的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 纳米量级的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。
此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻蚀等。
工作原理：E 1 是主高压，即离子束的加速电压；E 2 是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离子引出；E 3 是加热器电源。
针尖的曲率半径为 r o = 1 ~ 5 m ，改变 E 2 可以调节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级，这就是 LMIS 能产生小束斑离子 图2.2.1液态金属离子源工作示意图 束的关键。
当E 2 增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（ Ga 的场蒸发值为 15.2V/nm ）时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。
其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。
若改变E 2的极性 ，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。
2.2.2质量分析系统3E 2E 1E 引出极质量分析系统分为两种，E B ⨯质量分析器和磁质量分析器。
本文进分析E B ⨯质量分析器。
由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E 与 B 的方向相互垂直。
它由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E 与 B 的方向相互垂直。
图2.2.2 E B ⨯质量分析器原理图由2a 12qV mv =得12a 2qV v m ⎛⎫= ⎪⎝⎭，代入m F r，得：当时e m F F =，即当12a f 2qV V q qB d m ⎛⎫= ⎪⎝⎭时，离子不被偏转。
由此可解得不被偏转的离子的荷质比q o 为对于某种荷质比为q o 的所需离子，可通过调节偏转电压V f 或偏转磁场 B ，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑:(5)(6)f e m (),()V F qE q j dF qv B qvB j ==-=⨯=r r r r r r r(7)12m 2()()a qV F q B j m=r r 2f o 22a2V qq m d B V ==(8)当荷质比为q o 的离子不被偏转时，具有荷质比为 /q q m =s s 的其它离子的偏转量b D 为:将前面的B 的表达式:代入b D ，得:讨论(1) 为屏蔽荷质比为s q 的离子，光阑半径D 必须满足:(2) 若 D 固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽:而满足下列荷质比的离子均可通过光阑:以上各式可用于评价E B ⨯质量分析器的分辨本领。
(9)1f2f o a 12o a (2)(2)V V dB q V B d q V == 或 ()()()b f f d21d f f f 2s a a a 11242D y L y L L L L V L B q V d V V '=+⎛⎫⎡⎤=-⋅⋅+⋅ ⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎭(10)f 12o a (2)V B d q V=f ff b d a 11122V L L D L G V d ⎛⎫⎫⎛⎫=⋅+⋅-=- ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎭(11)(12)1D G ⎫<-⎪⎪⎭(13)22s o s o 11D D q q q q G G ⎛⎫⎛⎫>+<- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭或(14)22o s o 11D D q q q G G ⎛⎫⎛⎫-<<+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭(15)4 离子注入技术的优缺点及其应用4.1 离子注入技术和扩散工艺比较图4.1离子注入和扩散工艺的比较关于离子注入和传统扩散工艺的比较，我们可以通过下表直观看出来：表 4.1 离子注入和扩散工艺的比较扩散 离子注入 工作温度高温，硬掩膜 900－1200 ℃低温，光刻胶掩膜 室温或低于400℃ 各向同/异性 各向同性各向异性可控性不能独立控制结深和浓度可以独立控制结深和浓度4.2 优点和缺点4.2.1优点① 可控性好，离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深； ② 可以获得任意的掺杂浓度分布；③ 注入温度低，一般不超过 400℃，退火温度也在 650℃ 左右，避免了高温过程带来的不利影响，如结的推移、热缺陷、硅片的变形等； ④ 结面比较平坦；⑤ 工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底中，也可以采用多种材料作掩蔽膜，如 SiO2 、金属膜或光刻胶等； ⑥ 均匀性和重复性好；掺杂区结深度离子注入扩散⑦横向扩展小，有利于提高集成电路的集成度、提高器件和集成电路的工作频率；⑧可以用电的方法来控制离子束，因而易于实现自动控制，同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术；⑨扩大了杂质的选择范围；⑩离子注入中通过质量分析器选出单一的杂质离子，保证了掺杂的纯度。
4.2.2 缺点：①离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷；②离子注入难以获得很深的结深；③离子注入的生产效率比扩散工艺低；④离子注入系统复杂昂贵。
4.3离子注入技术的应用4.3.1 应用范围离子注入机主要应用在半导体行业和金属材料制造业。
在前者中，由于该技术的应用，产生了大规模和超大规模集成电路。
而在后者中，该技术大大改善了金属材料的表面性能，提高了其抗腐蚀、耐磨、润滑等性能。
4.3.2 生产厂家介绍目前全球最大的几家离子注入机设备厂商是VARIAN（瓦里安）, AXCELIS, AIBT （汉辰科技）, 而全球最大的设备厂商AMAT（应用材料）基本退出了离子注入机的制造领域，高能离子注入机以AXCELIS为主，主要为批量注入。
4.3.3离子注入机实例离子注入机一般根据其束流大小分为中束流、大束流和高强度三种类型，其中前两类应用较为广泛。
中束流（μA量级）的机型有350D、NV6200A、NV10-80，而大束流（mA量级）的机型有NV10-160、NV10-160SD、NV10-180。
下面给出了GSD/200E2离子注入机技术指标。
离子束能量分类：80KeV 形式：2 - 80KeV（也可选90KeV）160KeV形式：5 – 160KeV(也可选180KeV)表4.3.3（a）80KeV注入机的最大束流表4.3.3（b）160KeV注入机的最大束流可以看出，最大束流强度随着离子能量的增加而变大，但当增大到一定值时则停止增加，这说明束流强度已经达到饱和。