：离子注入课件

第四章：离子注入

掺杂技术之二第四章：离子注入掺杂技术之二为什么开发离子注入技术？随着器件特征尺寸的减小，出现的一些特殊的掺杂（如小剂量浅结掺杂、深浓度峰分布掺杂等）扩散是无法实现的，而离子注入却能胜任。离子注入是继扩散之后发展起来的第二种掺杂技术离子注入成为现代集成电路制造的主流工艺4.1引言为什么开发离子注入技术？4.1引言4.1引言离子注入的概念：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4.1引言离子注入的概念：束流、束斑

离子注入的优点：

1.精确地控制掺杂浓度和掺杂深度

离子注入层的深度依赖于离子能量、杂质浓度依赖于离子剂量，可以独立地调整能量和剂量，精确地控制掺杂层的深度和浓度，工艺自由度大。

2.可以获得任意的杂质浓度分布

由于离子注入的浓度峰在体内，所以基于第1点采用多次叠加注入，可以获得任意形状的杂质分布，增大了设计的灵活性。离子注入的优点：

离子注入的优点：

3.杂质浓度均匀性、重复性好

用扫描的方法控制杂质浓度的均匀性，在1010～

1017ions/cm2的范围内，均匀性达到±2％而扩散在

±10％，1013ions/cm2以下的小剂量，扩散无法实现。4.掺杂温度低

注入可在125℃以下的温度进行，允许使用不同的注入阻挡层（如光刻胶）增加了工艺的灵活性离子注入的优点：

离子注入的优点：

5.沾污少

质量分离技术产生没有沾污的纯离子束，减少了由于杂质源纯度低带来的沾污，另外低温工艺也减少了掺杂沾污。

6.无固溶度极限

注入杂质浓度不受硅片固溶度限制离子注入的缺点：

1.高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤

2.注入设备复杂昂贵离子注入的优点：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φ是样品表面单位面积注入的离子总数。单位：离子数/cm2

I

—

束流，单位：库仑/秒（安培）

t—注入时间，单位：秒

q—电子电荷，=1.6×10－19库仑

n—每个离子的电荷数

A—束斑（即注入区）面积单位：cm24.2离子注入工艺原理离子注入参数注入能量离子的注入能量用电子电荷与电势差的乘积来表示。单位：千电子伏特（KEV）带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场运动，它的能量为100KEV注入能量射程、投影射程具有一定能量的离子入射靶中，与靶原子和电子发生一系列碰撞（即受到了核阻止和电子阻止）进行能量的交换，最后损失了全部能量停止在相应的位置，离子由进入到停止所走过的总距离，称为射程用R表示。这一距离在入射方向上的投影称为投影射程

Rp。投影射程也是停止点与靶表面的垂直距离。射程、投影射程投影射程示意图

第i个离子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi投影射程示意图第i个离子在靶中的射程Ri和投影射程Rp平均投影射程

离子束中的各个离子虽然能量相等但每个离子与靶原子和电子的碰撞次数和能量损失都是随机的，使得能量完全相同的同种离子在靶中的投影射程也不等，存在一个统计分布。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个离子的投影射程平均投影射程离子投影射程的平均标准偏差△RP为其中N为入射离子总数Rp为平均投影射程Rpi为第i个离子的投影射程离子投影射程的平均标准偏差△RP为其中N为入射离子总数离子注入浓度分布

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—注入剂量

χ—离样品表面的深度

Rp—平均投影射程△Rp—投影射程的平均标准偏差LSS-

1963年,Lindhard,ScharffandSchiott首先确立了注入离子在靶内分布理论,简称

LSS理论离子注入浓度分布其中φ—注入剂量LSS-

1963年,离子注入的浓度分布曲线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离子注入浓度分布的最大浓度Nmax离子注入结深Xj其中NB为衬底浓度离子注入结深Xj其中NB为衬底浓度RP和△RP的计算很复杂，有表可以查用

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP66213021903246529943496397444324872RP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279RP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005RP5999136172207241275308341（一）各种离子在Si中的Rp和△Rp值(Å)RP和△RP的计算很复杂，有表可以查用入射能量20406（二）各种离子在光刻胶中的Rp和△Rp值(Å)

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007RP475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675RP19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015RP126207286349415480543606667（二）各种离子在光刻胶中的Rp和△Rp值(Å)入射能（三）各种离子在SiO2中的Rp和△Rp值(Å)

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172RP252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859RP84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823RP437299125151176201226251（三）各种离子在SiO2中的Rp和△Rp值(Å)入射（四）各种离子在Si3N4中的Rp和△Rp值(Å)

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994RP196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437RP65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637RP33567797118137157176195（四）各种离子在Si3N4中的Rp和△Rp值(Å)入例题：1.已知某台离子注入机的束斑为2.0cm2、束流为2.0mA、注入时间为16ms，试计算硼离子（B+）注入剂量。（注：电子电荷q=1.6×10－19库仑）

2.在N型〈111〉衬底硅片上，进行硼离子注入，形成P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为1×1015cm-3，注入能量：60KEV，注入剂量：5.0E14，试计算硼离子注入分布的最大掺杂浓度Nmax和注入结深。例题：4.3离子注入效应1.沟道效应2.注入损伤3.离子注入退火4.3离子注入效应1.沟道效应沟道效应

当注入离子未与硅原子碰撞减速，而是穿透了晶格间隙时（见下图）就发生了沟道效应。

沿<110>晶向的硅晶格视图沟道效应沿<110>晶向的硅晶格视图

控制沟道效应的方法

1.倾斜硅片：常用方法

2.缓冲氧化层：离子通过氧化层后，方向随机。

3.硅预非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）浅注入应用非常有效

4.使用质量较大的原子控制沟道效应的方法

注入损伤

高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤

（a）轻离子损伤情况（b）重离子损伤情况注入损伤（a）轻离子损伤情况离子注入退火目的：消除晶格损伤，并且使注入的杂质转入替位位置从而实现电激活。1.高温热退火通常的退火温度：＞950℃，时间：30分钟左右缺点：高温会导致杂质的再分布。2.快速热退火

采用PTP，在较短的时间（10－3～10－2

秒）内完成退火。

优点：杂质浓度分布基本不发生变化离子注入退火4.4离子注入的应用

在先进的CMOS工艺中，离子注入的应用：

1.深埋层注入

2.倒掺杂阱注入

3.穿通阻挡层注入

4.阈值电压调整注入

5.轻掺杂漏区（LDD）注入

6.源漏注入

7.多晶硅栅掺杂注入

8.沟槽电容器注入

9.超浅结注入

10.绝缘体上的硅（SOI）中的氧注入4.4离子注入的应用在先进的CMOS工艺中，离子注入深埋层注入高能（大于200KEV）离子注入，深埋层的作用：控制CMOS的闩锁效应深埋层注入倒掺杂阱注入高能量离子注入使阱中较深处杂质浓度较大，倒掺杂阱改进CMOS器件的抗闩锁能力。倒掺杂阱注入穿通阻挡层注入作用：防止亚微米及以下的短沟道器件源漏穿通，保证源漏耐压。穿通阻挡层注入阈值电压调整注入NMOS阈值电压公式：QBm＝q·NB·Xdm，QBm为表面耗尽层单位面积上的电荷密度阈值电压调整注入轻掺杂漏（LDD：Lightly

DopedDrain）注入轻掺杂漏（LDD：LightlyDopedDrain）源漏注入源漏注入多晶硅栅掺杂注入沟槽电容器注入

多晶硅栅掺杂注入超浅结注入

超浅结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（silicononinsulator）

SOI结构SEM照片绝缘体上的硅（SOI）中的氧注入S4.5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4.5离子注入设备离子注入机主要由以下5个部分组成离子注入系统离子注入系统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1.离子源离子源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。2.引出电极（吸极）和离子分析器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。

分析磁体质量分析器磁铁分析磁体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）。

加速管3.加速管加速管4.扫描系统用于使离子束沿x、y方向在一定面积内进行扫描。束斑中束流的束斑：1cm2大束流的束斑：3cm2

扫描方式固定硅片、移动束斑（中、小束流）固定束斑、移动硅片（大束流）扫描种类：静电扫描、机械扫描、混合扫描、平行扫描4.扫描系统静电扫描系统

静电扫描系统静电扫描系统静电扫描系统5.工艺腔工艺腔包括扫描系统、具有真空锁的装卸硅片的终端台、硅片传输系统和计算机控制系统。硅片冷却：硅片温升控制在50℃以下，气冷和橡胶冷却。5.工艺腔剂量控制：法拉第环电流测量剂量控制：法拉第环电流测量本章作业1.请简要描述离子注入2.列举离子注入优于扩散的6点3.在P型〈100〉衬底硅片上，进行As离子注入，形成P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为1×1016cm-3，注入能量：100KEV，注入剂量：5.0E15，试计算砷离子注入分布的最大掺杂浓度Nmax和注入结深。本章作业1.请简要描述离子注入第四章：离子注入

掺杂技术之二第四章：离子注入掺杂技术之二为什么开发离子注入技术？随着器件特征尺寸的减小，出现的一些特殊的掺杂（如小剂量浅结掺杂、深浓度峰分布掺杂等）扩散是无法实现的，而离子注入却能胜任。离子注入是继扩散之后发展起来的第二种掺杂技术离子注入成为现代集成电路制造的主流工艺4.1引言为什么开发离子注入技术？4.1引言4.1引言离子注入的概念：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4.1引言离子注入的概念：束流、束斑

离子注入的优点：

1.精确地控制掺杂浓度和掺杂深度

离子注入层的深度依赖于离子能量、杂质浓度依赖于离子剂量，可以独立地调整能量和剂量，精确地控制掺杂层的深度和浓度，工艺自由度大。

2.可以获得任意的杂质浓度分布

由于离子注入的浓度峰在体内，所以基于第1点采用多次叠加注入，可以获得任意形状的杂质分布，增大了设计的灵活性。离子注入的优点：

离子注入的优点：

3.杂质浓度均匀性、重复性好

用扫描的方法控制杂质浓度的均匀性，在1010～

1017ions/cm2的范围内，均匀性达到±2％而扩散在

±10％，1013ions/cm2以下的小剂量，扩散无法实现。4.掺杂温度低

注入可在125℃以下的温度进行，允许使用不同的注入阻挡层（如光刻胶）增加了工艺的灵活性离子注入的优点：

离子注入的优点：

5.沾污少

质量分离技术产生没有沾污的纯离子束，减少了由于杂质源纯度低带来的沾污，另外低温工艺也减少了掺杂沾污。

6.无固溶度极限

注入杂质浓度不受硅片固溶度限制离子注入的缺点：

1.高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤

2.注入设备复杂昂贵离子注入的优点：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φ是样品表面单位面积注入的离子总数。单位：离子数/cm2

I

—

束流，单位：库仑/秒（安培）

t—注入时间，单位：秒

q—电子电荷，=1.6×10－19库仑

n—每个离子的电荷数

A—束斑（即注入区）面积单位：cm24.2离子注入工艺原理离子注入参数注入能量离子的注入能量用电子电荷与电势差的乘积来表示。单位：千电子伏特（KEV）带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场运动，它的能量为100KEV注入能量射程、投影射程具有一定能量的离子入射靶中，与靶原子和电子发生一系列碰撞（即受到了核阻止和电子阻止）进行能量的交换，最后损失了全部能量停止在相应的位置，离子由进入到停止所走过的总距离，称为射程用R表示。这一距离在入射方向上的投影称为投影射程

Rp。投影射程也是停止点与靶表面的垂直距离。射程、投影射程投影射程示意图

第i个离子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi投影射程示意图第i个离子在靶中的射程Ri和投影射程Rp平均投影射程

离子束中的各个离子虽然能量相等但每个离子与靶原子和电子的碰撞次数和能量损失都是随机的，使得能量完全相同的同种离子在靶中的投影射程也不等，存在一个统计分布。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个离子的投影射程平均投影射程离子投影射程的平均标准偏差△RP为其中N为入射离子总数Rp为平均投影射程Rpi为第i个离子的投影射程离子投影射程的平均标准偏差△RP为其中N为入射离子总数离子注入浓度分布

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—注入剂量

χ—离样品表面的深度

Rp—平均投影射程△Rp—投影射程的平均标准偏差LSS-

1963年,Lindhard,ScharffandSchiott首先确立了注入离子在靶内分布理论,简称

LSS理论离子注入浓度分布其中φ—注入剂量LSS-

1963年,离子注入的浓度分布曲线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离子注入浓度分布的最大浓度Nmax离子注入结深Xj其中NB为衬底浓度离子注入结深Xj其中NB为衬底浓度RP和△RP的计算很复杂，有表可以查用

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP66213021903246529943496397444324872RP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279RP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005RP5999136172207241275308341（一）各种离子在Si中的Rp和△Rp值(Å)RP和△RP的计算很复杂，有表可以查用入射能量20406（二）各种离子在光刻胶中的Rp和△Rp值(Å)

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007RP475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675RP19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015RP126207286349415480543606667（二）各种离子在光刻胶中的Rp和△Rp值(Å)入射能（三）各种离子在SiO2中的Rp和△Rp值(Å)

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172RP252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859RP84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823RP437299125151176201226251（三）各种离子在SiO2中的Rp和△Rp值(Å)入射（四）各种离子在Si3N4中的Rp和△Rp值(Å)

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994RP196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437RP65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637RP33567797118137157176195（四）各种离子在Si3N4中的Rp和△Rp值(Å)入例题：1.已知某台离子注入机的束斑为2.0cm2、束流为2.0mA、注入时间为16ms，试计算硼离子（B+）注入剂量。（注：电子电荷q=1.6×10－19库仑）

2.在N型〈111〉衬底硅片上，进行硼离子注入，形成P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为1×1015cm-3，注入能量：60KEV，注入剂量：5.0E14，试计算硼离子注入分布的最大掺杂浓度Nmax和注入结深。例题：4.3离子注入效应1.沟道效应2.注入损伤3.离子注入退火4.3离子注入效应1.沟道效应沟道效应

当注入离子未与硅原子碰撞减速，而是穿透了晶格间隙时（见下图）就发生了沟道效应。

沿<110>晶向的硅晶格视图沟道效应沿<110>晶向的硅晶格视图

控制沟道效应的方法

1.倾斜硅片：常用方法

2.缓冲氧化层：离子通过氧化层后，方向随机。

3.硅预非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）浅注入应用非常有效

4.使用质量较大的原子控制沟道效应的方法

注入损伤

高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤

（a）轻离子损伤情况（b）重离子损伤情况注入损伤（a）轻离子损伤情况离子注入退火目的：消除晶格损伤，并且使注入的杂质转入替位位置从而实现电激活。1.高温热退火通常的退火温度：＞950℃，时间：30分钟左右缺点：高温会导致杂质的再分布。2.快速热退火

采用PTP，在较短的时间（10－3～10－2

秒）内完成退火。

优点：杂质浓度分布基本不发生变化离子注入退火4.4离子注入的应用

在先进的CMOS工艺中，离子注入的应用：

1.深埋层注入

2.倒掺杂阱注入

3.穿通阻挡层注入

4.阈值电压调整注入

5.轻掺杂漏区（LDD）注入

6.源漏注入

7.多晶硅栅掺杂注入

8.沟槽电容器注入

9.超浅结注入

10.绝缘体上的硅（SOI）中的氧注入4.4离子注入的应用在先进的CMOS工艺中，离子注入深埋层注入高能（大于200KEV）离子注入，深埋层的作用：控制CMOS的闩锁效应深埋层注入倒掺杂阱注入高能量离子注入使阱中较深处杂质浓度较大，倒掺杂阱改进CMOS器件的抗闩锁能力。倒掺杂阱注入穿通阻挡层注入作用：防止亚微米及以下的短沟道器件源漏穿通，保证源漏耐压。穿通阻挡层注入阈值电压调整注入NMOS阈值电压公式：QBm＝q·NB·Xdm，QBm为表面耗尽层单位面积上的电荷密度阈值电压调整注入轻掺杂漏（LDD：Lightly

DopedDrain）注