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第五章 离子注入低温掺杂离子注入 (Ion Implantation)

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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，以改变这种材料表层的物理或化学性质

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

5.1 什么是离子注入

3

离子注入技术优点 离子注入技术主要有以下几方面的优点： （ 1 ）注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的

离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响即掺杂纯度高。

（ 2 ）注入剂量在 1011 一 1017 离子／ cm2 的较宽范围内，同一平面内的杂质均匀度可保证在 ±1 ％的精度。大面积均匀掺杂

（ 3 ）离子注入温度低，衬底一般是保持在室温或低于 400℃ 。因此，像二氧化硅、氮化硅、光刻胶 , 铝等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。对器件制造中的自对准掩蔽技术给予更大的灵活性，这是热扩散方法根本做不到的。

4

离子注入技术优点

（ 4 ）离子注入深度是随离子能量的增加而增加。 可精确控制掺杂浓度和深度

（ 5 ）根据需要可从几十种元素中挑选合适的 N 型或P 型杂质进行掺杂。能容易地掺入多种杂质

（ 6 ）离子注入时的衬底温度较低（小于 600℃ ），这样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷。同时横向效应比热扩散小得多。

（ 7 ）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。

5

离子注入技术缺点

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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基个概念：

（ 1 ）靶：被掺杂的材料。 （ 2 ）一束离子轰击靶时，其中一部分离

子在靶面就被反射，不能进入靶内，称这部分离子为散射离子，进入靶内的离子成为注入离子。

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离子注入掺杂分为 两个步骤： --- 离子注入 --- 退火再分布。

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离子注入

在离子注入中，电离的杂质离子经静电场加速打到晶圆表面。在掺杂窗口处，杂质离子被注入裸露的半导体本体，在其它部位杂质离子则被半导体上面的保护层屏蔽。

通过测量离子电流可严格控制剂量。 通过控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度。

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退火处理

通常，离子注入的深度较浅且浓度较大，必须使它们重新分布。同时由于高能粒子的撞击，导致硅结构的晶格发生损伤。

为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行退火处理。在退火的同时，掺入的杂质同时向半导体体内进行再分布。

10

5.2 离子注入原理 在离子注入的设备中，用“等离子体发生器”

来制造工艺所要注入的离子。 因为离子带电荷，可以用加速场进行加速，并且借助于磁场来改变离子的运动方向。

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当具有高能量的离子注入到固体靶面以后，这些高能粒子将与固体靶面的原子与电子进行多次碰撞，这些碰撞将逐步削弱粒子的能量，最后由于能量消失而停止运动，形成一定的杂质分布。

离子在硅体内的注入深度和分布状态与射入时所加的电场强度、离子剂量、衬底晶向等有关

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通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下，注入的深度将随电场的强度增加而增加。

用离子注入法形成的分布，其浓度最大值不在硅片表面，而是在深入硅体一定距离。这段距离大小与注入粒子能量、离子类型等有关。

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离子注入的沟道效应

沟道效应（ Channeling effect ）当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远。

离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系。

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沿 <110> 轴的硅晶格视图

Used with permission from Edgard Torres Designs

Figure 17.28

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110 111

100 倾斜旋转硅片后的无序方向

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沟道效应的存在，将使得对注入离子在深度上难以控制，尤其对大规模集成电路制造更带来麻烦。如 MOS 器件的结深通常只有 0.4um左右，有了这种沟道效应万一注入距离超过了预期的深度，就使元器件失效。因此，在离子注入时，要考虑到这种沟道效应，也就是说要抑止这种现象的产生。

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目前常用的解决方法有三种 （ 1）是将硅片相对注入的离子运动方向倾斜一个角度， 7度左右最佳；

（ 2）是对硅片表面铺上一层非结晶系的材料，使入射的注入离子在进入硅片衬底之前，在非结晶层里与无固定排列方式的非结晶系原子产生碰撞而散射，这样可以减弱沟道效应；（表面用 SiO2 层掩膜）

减少沟道效应的措施

How can we form ultrashallow junction in today’s CMOS devices?

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（ 3）是用 Si, Ge, F, Ar 等离子对硅片表面先进行一次离子注入，使表面预非晶化，形成非晶层 (Pre-amorphization) 然后进入离子注入。

这三种方法都是利用增加注入离子与其他原子碰撞来降低沟道效应。工业上常用前两种方法。

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Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side

5.3离子注入设备

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离子注入机分类离子注入机按能量高低分为：

低能离子注入机

中能离子注入机

高能离子注入机

兆能离子注入机

离子注入机按束流大小分为：

小束流离子注入机

中束流离子注入机

强流离子注入机

超强流离子注入机

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离子注入系统的组成 离子源 （ Ion Source) 磁分析器 (Magnetic analyzer) 加速管 （ Accelerator) 聚焦和扫描系统 (Focus and Scan system) 工艺腔 ( 靶室和后台处理系统 Target Assemb

ly)

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离子源

分析磁体加速管

粒子束

等离子体

工艺腔

吸出组件

扫描盘

从离子源引出的离子经过磁分析器选择出需要的离子，分析后的离子加速以提高离子的能量，再经过两维偏转扫描器使离子束均匀的注入到材料表面，用电荷积分仪可精确的测量注入离子的数量，调节注入离子的能量可精确的控制离子的注入深度。

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• a ）离子源 源 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， 得到它们的蒸汽，再导入放电区。

离子注入系统的组成

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注入材料形态选择

材料 气态 固态

硼 BF3 -

磷 PH3 红磷

砷 AsH3 固态砷， As2O3

锑 － Sb2O3

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离子源（ Ion Source) 用来产生离子的装置。原理是利用灯丝 (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

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b) 质量分析器（磁分析器 magnet analyzer)

利用不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的不同将离子分离，选出所需的杂质离子。被选离子束通过可变狭缝，进入加速管。

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分析磁体

石磨

离子源

分析磁体粒子束

吸出组件

较轻离子

重离子

中性离子

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磁分析器的原理是利用磁场中运动的带电粒子所受洛仑兹力的偏转作用。在带电粒子速度垂直于均匀磁场的情况下，洛仑兹力可用下式表示

这里 v 是离子速度， q 是离子电荷， M 是离子质量，B 是磁场强度， r 是离子圆周运动的半径

qvBr

Mv

2

(7-1)

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这里 Vext 是吸极电压。

M

qV

M

Ev ext22

(7-2)

从等式 (7-1) 和 (7-2) 可以得到

extVq

M

BqB

Mvr 2

1 (7-3)

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c) 加速管 (Acceleration tube) 经过质量分析器出来的离子束，还要经过加速运动，才能打到硅片内部去。

离子经过加速电极后，在静电场作用下加速到所需的能量。

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高能注入机的线形加速器

源

原子质量分析磁体

线形加速器最终能量分析磁体

扫描盘

硅片

Figure 17.17

32

d)聚焦和扫描系统 (deflection and scanning )

离子束离开加速管后进入控制区，先由静电聚焦透镜使其聚焦。再进行 x-y两个方向扫描，然后进入偏转系统，束流被偏转注到靶上。

扫描是为了保证注入均匀性

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扫描系统

e)工艺腔

包括真空排气系统 ,装卸硅片的终端台 , 硅片传输系统和计算机控制系统。

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离子注入机的终端口

Photograph provided courtesy of International SEMATECH

Photo 17.3

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离子注入过程演示

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离子注入中需控制以下工艺参数 1. 剂量 (Q) ：单位面积硅片表面注入的离子数

(cm-2) Q＝ It/enA ，其中 I 为束流 ( 安培 )； t 为注

入时间； e 为电子电荷，为 1.6×10-19库仑； n为离子电荷数； A 为注入面积。

离子束电流是定义剂量的一个关键变量。大电流有利于提高硅片产量。

通过控制剂量来控制掺杂浓度

5.4 离子注入的两个参数

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离子注入参数

2. 能量：离子在加速器中加速获得动能 (KE) ，一般用电子电荷与电势差表示，单位为电子伏(ev) 。

KE＝ nV ， n 为离子的电荷状态， V 为电势差。

注入机的能量越高，注入硅片越深，射程越大。

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有关射程的概念

Rp ：标准偏差（ Straggling ），投影射程的平均偏差R ：横向标准偏差（ Traverse straggling ） , 垂直于入射方向平面上的标准偏差。

射程分布：平均投影射程 Rp ，标准偏差 Rp ，横向标准偏差 R

R ：射程（ range ） 离子在靶内的总路线长度 Rp （ Xp ）：投影射程（ projected range ） R在入射方向上的投影

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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

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 /碰撞（ nuclear stopping ） (2) 电子阻止 /碰撞 （ electronic stopping ） 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。

电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。

41

42

43

注入杂质能量损失

Si Si Si Si Si Si

Si Si Si Si Si Si

Si Si Si Si Si Si

Si Si Si Si Si

Si

X- 射线

电子碰撞

原子碰撞

被移动的硅原子

携能杂质离子

硅晶格

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ESESNdx

dEen

-dE/dx ：能量随距离损失的平均速率

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

e

en

n dx

dE

NES

dx

dE

NES

1,

1

LSS 理论

能量 E 的函数

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

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总阻止本领（ Total stopping power ）

核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端） 电子阻止本领在高能量下起主要作用

核阻止和电子阻止相等的能量

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离子 E2

B 17 keVP 150 keVAs, Sb >500 keV

n

n

n

e

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表面处晶格损伤较小

射程终点（ EO

R ）处晶格损伤大

48

注入离子的浓度分布在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式

2

2

1exp

p

pP R

RxCxC 200 keV 注入

元素 原子质量Sb 122As 74P 31B 11

Cp

49

ppCRdxxCQ

2

Q ：为离子注入剂量（ Dose ） , 单位为 ions/cm2 ，可以从测量积分束流得到

2

2exp

2)(

p

p

p R

Rx

R

QxC

ppP R

Q

R

QC

4.0

2

由 ， 可以得到：

50

注入掩蔽层——掩蔽层应该多厚？

B

mPm C

R

RxCxC

P

P

2*

2**

2exp)(*

如果要求掩膜层能完全阻挡离子

xm 为恰好能够完全阻挡离子的掩膜厚度Rp

* 为离子在掩蔽层中的平均射程， Rp

* 为离子在掩蔽层中的射程标准偏差

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***

** ln2 PPB

PPPm RmR

C

CRRx

解出所需的掩膜层厚度：

穿过掩膜层的剂量：

*

*2

*

*

* 2erfc

22

1exp

2 p

Pm

x p

P

p

PR

RxQdx

R

Rx

R

QQ

m

余误差函数

52

离子注入退火后的杂质分布

Dt

x

Dt

QtxC

4exp

2,

2

2

2exp

2 p

p

p R

Rx

R

QxC

00

2

2

)(tD

Rp

DtR

Rx

DtR

QtxC

P

P

P22

exp22

,2

2

2

Dt D0t0＋ Dt

一个高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其标准偏差和峰值浓度发生改变。

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离子注入小结：(1) 注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式

(2) 在平均投影射程 x=Rp 处有一最高浓度，最大浓度与注入剂量关系

(3) 平均投影射程两边，注入离子浓度对称地下降。离平均投影射程越远，浓度越低。

pp

p R

Q

R

QC

4.0

2

2

2

1exp

p

pp R

RxCxC

54

晶格损伤 : 高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞，可能使靶原子发生位移，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的空位－间隙原子对及其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。

什么是注入损伤 ( 晶格损伤 )

非晶化 (Amorphization)注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完

全破坏变为无序的非晶区。

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损伤的产生

移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。 移位阈能 Ed ：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量 . ( 对于硅原子 , Ed15eV)

注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程，称为能量传递过程

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注入离子与靶内原子碰撞时，可能出现 3 种情况： 碰撞过程传递的能量小于 Ed ，不会有移位原

子产生。 碰撞过程传递的能量大于 Ed 而小于 2 Ed, 产

生一个移位原子，一个空位。此移位原子不会使与它碰撞的原子移位

大于 2 Ed 后，产生的移位原子还会使与它碰撞的原子移位，增加移位原子的数目。

57

移位原子的估算

估算一个以起始能量 E0 入射的离子，在碰撞过程中可以使靶内原子移位的数目 N(E) 为

dE

EEN

2)( 0

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非晶化（ Amorphization ） 注入离子引起的晶格损伤有

可能使晶体结构完全破坏变为无序的非晶区。

与注入剂量的关系 注入剂量越大，晶格损伤越严重。

临界剂量：使晶格完全无序的剂量。

临界剂量和注入离子的质量有关

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损伤的去除－退火 损伤对电特性影响 * 注入杂质不在替代位置－载流子浓度低 * 晶格缺陷多－散设中心多－载流子迁移率低，寿命低－ pn 结漏电

退火的作用 * 高温下原子发生振动，重新定位或发生再结晶

（固相外延），使晶格损伤恢复 * 杂质原子从间隙状态转变为替位状态，成为受主

或施主中心－电激活 *恢复电子和空穴迁移率注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布

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硅单晶的退火修复硅晶格结构

并激活杂质－硅键

b) 退火后的硅晶格a) 注入过程中损伤的硅晶格

粒子束

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a)高温炉退火 ：传统的退火方式，一定温度下，通 Ar 、 N2 或 在真空条件下

* 方法简单 * 不能全部消除缺陷 * 对高剂量注入激活率不够高 * 杂质再分布

退火分类

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b ）快速热退火（ RTA: Rapid Thermal Annealing ）

用极快的升温和在目标温度 (一般是 1000 ℃) 短暂的持续时间对硅片进行处理。注入硅片的退火通常在通入 Ar或 N2的快速热处理机 (RTP)中进行。

快速的升温过程和短暂的持续时间能够在晶格缺陷的修复、激活杂质和最小化杂质扩散三者之间取得优化。

RTP 主要优点是掺杂的再分布大大降低，对制备浅结器件特别有利

63

。高功率激光束辐照

。电子束 。高强度的光照 。其它辐射

快速热退火， Rapid Thermal Processing （ RTP ）

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65

离子注入在工艺集成中的发展趋势

不同注入工艺的实例 深埋层 倒掺杂阱 穿通阻挡层 阈值电压调整 轻掺杂漏区 (LDD) 源漏注入 多晶硅栅 沟槽电容器 超浅结 绝缘体上硅 (SOI)

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注入埋层

n-well p-well

p Epi layer

p+ Silicon substrate

p+ Buried layer

倒掺杂阱

应用埋层的一个重要原因是控制 CMOS 电路中的闭锁效应。当寄生的晶体管导致器件意外开启时，就会发生闭锁效应。它能导致芯片的完全失效。

闭锁效应在硅片制造阶段用硅片外延的方法或用大剂量离子注入形成埋层进行控制

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倒掺杂阱

n-well p-well

p+ 埋层p+ Silicon substrate

N －杂质 p-type dopant

p++n++

倒掺杂阱是指注入杂质浓度的峰值在硅片表面下一定深度处，改进了晶体管抵抗闭锁效应和穿通的能力

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防止穿通

n-well p-well

p+ Buried layer

p+ Silicon substrate

n-type dopant p-type dopant

p+

p++

n+

n++

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阈值电压调整的注入

n-well p-well

p+ Buried layer

p+ Silicon substrate

n-type dopant p-type dopant

p+

p++

p

n+

n++

n

70

源漏区形成

+ + + +

+ + + +

- - - - - - - - - -+ + + ++ + + +

+ + + ++ + + +

- - - -- - - - - - - - - - - -

n-well p-well

p+ Buried layer

p+ Silicon substrate

p+ S/D implant n+ S/D implant侧墙氧化

硅

DrainSource DrainSource

b) p+ 和 n+ 源漏注入( 分两步进行 )

+ + + +

+ + + +

- - - - - - - - - -

n-well p-well

p+ Buried layer

p+ Silicon substrate

p-channel transistorp– LDD implant

n-channel transistorn– LDD implant

Drain Source Drain Source

多晶硅栅

a) p– 和 n– 轻掺杂源漏注入 ( 分两步进行 )

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沟槽电容器的垂直侧墙上杂质注入

n+ do

pant

n+

p+

倾斜注入形成电容器的沟槽

72

超 浅 结

180 nm

20 Å 栅氧化层厚度54 nm 砷注入层

多晶硅栅

73

第五章 复习 什么是离子注入？离子注入技术的优点有哪些？ 离子注入的二个步骤？ 什么是沟道效应，如何避免沟道效应？ 离子注入系统的组成？各部分的作用？ 离子注入的 2 个参数？ 什么是注入损伤？什么是电激活？ 退火分为哪两种？各自的特点是？退火在离子注入过程中

的作用？