集成電路工藝離子注入標準課件

4.1引言離子注入的概念：離子注入是在高真空的復(fù)雜系統(tǒng)中，產(chǎn)生電離雜質(zhì)并形成高能量的離子束，入射到硅片靶中進行摻雜的過程。束流、束斑4.1引言離子注入的概念：束流、束斑1離子注入是繼擴散之后的第二種摻雜技術(shù)，是現(xiàn)代先進的集成電路制造工藝中非常重要的技術(shù)。有些特殊的摻雜（如小劑量淺結(jié)摻雜、深濃度峰分布摻雜等）擴散是無法實現(xiàn)的，而離子注入?yún)s能勝任。離子注入是繼擴散之后的第二種摻雜技術(shù)，是現(xiàn)代先進的集成電路制2

離子注入的優(yōu)點：

1.精確地控制摻雜濃度和摻雜深度

離子注入層的深度依賴于離子能量、雜質(zhì)濃度依賴于離子劑量，可以獨立地調(diào)整能量和劑量，精確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。

2.可以獲得任意的雜質(zhì)濃度分布

由于離子注入的濃度峰在體內(nèi)，所以基于第1點采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分布，增大了設(shè)計的靈活性。離子注入的優(yōu)點：3

離子注入的優(yōu)點：

3.雜質(zhì)濃度均勻性、重復(fù)性好

用掃描的方法控制雜質(zhì)濃度的均勻性，在1010～

1017ions/cm2的范圍內(nèi)，均勻性達到±2％而擴散在

±10％，1013ions/cm2以下的小劑量，擴散無法實現(xiàn)。4.摻雜溫度低

注入可在125℃以下的溫度進行，允許使用不同的注入阻擋層（如光刻膠）增加了工藝的靈活性離子注入的優(yōu)點：4

離子注入的優(yōu)點：

5.沾污少

質(zhì)量分離技術(shù)產(chǎn)生沒有沾污的純離子束，減少了由于雜質(zhì)源純度低帶來的沾污，另外低溫工藝也減少了摻雜沾污。

6.無固溶度極限

注入雜質(zhì)濃度不受硅片固溶度限制離子注入的缺點：

1.高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷

2.注入設(shè)備復(fù)雜昂貴離子注入的優(yōu)點：54.2離子注入工藝原理離子注入?yún)?shù)注入劑量φ注入劑量φ是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。單位：離子每平方厘米

其中I為束流，單位是庫侖每秒（安培）

t為注入時間，單位是秒

q為電子電荷，等于1.6×10－19庫侖

n為每個離子的電荷數(shù)

A為注入面積，單位為cm2—束斑4.2離子注入工藝原理離子注入?yún)?shù)6注入能量離子注入的能量用電子電荷與電勢差的乘積來表示。單位：千電子伏特KEV帶有一個正電荷的離子在電勢差為100KV的電場運動，它的能量為100KEV注入能量7射程、投影射程具有一定能量的離子入射靶中，與靶原子和電子發(fā)生一系列碰撞（即受到了核阻止和電子阻止）進行能量的交換，最后損失了全部能量停止在相應(yīng)的位置，離子由進入到停止所走過的總距離，稱為射程用R表示。這一距離在入射方向上的投影稱為投影射程

Rp。投影射程也是停止點與靶表面的垂直距離。射程、投影射程8投影射程示意圖

第i個離子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi投影射程示意圖第i個離子在靶中的射程Ri和投影射程Rp9平均投影射程

離子束中的各個離子雖然能量相等但每個離子與靶原子和電子的碰撞次數(shù)和能量損失都是隨機的，使得能量完全相同的同種離子在靶中的投影射程也不等，存在一個統(tǒng)計分布。離子的平均投影射程RP為

其中N為入射離子總數(shù)，RPi為第i個離子的投影射程平均投影射程10離子投影射程的平均標準偏差△RP為其中N為入射離子總數(shù)Rp為平均投影射程Rpi為第i個離子的投影射程離子投影射程的平均標準偏差△RP為其中N為入射離子總數(shù)11離子注入濃度分布

LSS理論描述了注入離子在無定形靶中的濃度分布為高斯分布其方程為

其中φ為注入劑量

χ為離樣品表面的深度

Rp為平均投影射程△Rp為投影射程的平均標準偏差離子注入濃度分布其中φ為注入劑量12離子注入的濃度分布曲線離子注入的濃度分布曲線13離子注入濃度分布的最大濃度Nmax從上式可知，注入離子的劑量φ越大，濃度峰值越高從濃度分布圖看出，最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投影射程處離子注入濃度分布的最大濃度Nmax14離子注入結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度離子注入結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度15RP和△RP的計算很復(fù)雜，有表可以查用

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP66213021903246529943496397444324872RP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279RP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005RP5999136172207241275308341（一）各種離子在Si中的Rp和△Rp值(?)RP和△RP的計算很復(fù)雜，有表可以查用入射能量2040616（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)RP和△RP的計算很復(fù)雜，有表可以查用χ為離樣品表面的深度其中N為入射離子總數(shù)，RPi為第i個離子的投影射程高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷n為每個離子的電荷數(shù)固定硅片、移動束斑（中、小束流）緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機。可以獲得任意的雜質(zhì)濃度分布硅預(yù)非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）淺注入應(yīng)用非常有效在硅中進行高能量氧離子注入，經(jīng)高溫處理后形成SOI結(jié)構(gòu)（silicononinsulator）A為注入面積，單位為cm2—束斑不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷（如BF3→離子注入濃度分布的最大濃度Nmax列舉離子注入優(yōu)于擴散的6點確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。已知襯底摻雜濃度為1×1016cm-3，注入能量：100KEV，注入劑量：5.離子注入機主要由以下5個部分組成1017ions/cm2的范圍內(nèi)，均勻性達到±2％而擴散在（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007RP475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675RP19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015RP126207286349415480543606667（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)（二）各種17（三）各種離子在SiO2中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172RP252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859RP84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823RP437299125151176201226251（三）各種離子在SiO2中的Rp和△Rp值(?)入射18（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994RP196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437RP65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637RP33567797118137157176195（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)入19例題：1.已知某臺離子注入機的束斑為2.0cm2、束流為2.0mA、注入時間為16ms，試計算硼離子（B+）注入劑量。（注：電子電荷q=1.6×10－19庫侖）

2.在N型〈111〉襯底硅片上，進行硼離子注入，形成P-N結(jié)二極管。已知襯底摻雜濃度為1×1015cm-3，注入能量：60KEV，注入劑量：5.0E14，試計算硼離子注入分布的最大摻雜濃度Nmax和注入結(jié)深。例題：204.3離子注入效應(yīng)1.溝道效應(yīng)2.注入損傷3.離子注入退火4.3離子注入效應(yīng)1.溝道效應(yīng)21溝道效應(yīng)

當注入離子未與硅原子碰撞減速，而是穿透了晶格間隙時（見下圖）就發(fā)生了溝道效應(yīng)。

沿<110>晶向的硅晶格視圖溝道效應(yīng)沿<110>晶向的硅晶格視圖22

控制溝道效應(yīng)的方法

1.傾斜硅片：常用方法

2.緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機。

3.硅預(yù)非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）淺注入應(yīng)用非常有效

4.使用質(zhì)量較大的原子控制溝道效應(yīng)的方法23

注入損傷

高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷

（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況注入損傷（a）輕離子損傷情況24離子注入退火工藝目的：消除晶格損傷，并且使注入的雜質(zhì)轉(zhuǎn)入替位位置從而實現(xiàn)電激活。1.高溫熱退火通常的退火溫度：＞950℃，時間：30分鐘左右缺點：高溫會導(dǎo)致雜質(zhì)的再分布。2.快速熱退火

采用PTP，在較短的時間（10－3～10－2

秒）內(nèi)完成退火。

優(yōu)點：雜質(zhì)濃度分布基本不發(fā)生變化離子注入退火254.4離子注入的應(yīng)用

在先進的CMOS工藝中，離子注入的應(yīng)用：

1.深埋層注入

2.倒摻雜阱注入

3.穿通阻擋層注入

4.閾值電壓調(diào)整注入

5.輕摻雜漏區(qū)（LDD）注入

6.源漏注入

7.多晶硅柵摻雜注入

8.溝槽電容器注入

9.超淺結(jié)注入

10.絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入4.4離子注入的應(yīng)用在先進的CMOS工藝中，離子注入26（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況離子注入機主要由以下5個部分組成賴于離子劑量，可以獨立地調(diào)整能量和劑量，精采用PTP，在較短的時間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷采用PTP，在較短的時間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。從濃度分布圖看出，最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投固定硅片、移動束斑（中、小束流）硅預(yù)非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）淺注入應(yīng)用非常有效其中I為束流，單位是庫侖每秒（安固定硅片、移動束斑（中、小束流）工藝腔包括掃描系統(tǒng)、具有真空鎖的裝卸硅片的終端臺、硅片傳輸系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分質(zhì)量分離技術(shù)產(chǎn)生沒有沾污的純離子束，減少了由于雜質(zhì)源純度低帶來的沾污，另外低溫工藝也減少了摻雜沾污。這一距離在入射方向上的投影稱為投影射程Rp。（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)靜電掃描系統(tǒng)硅片冷卻：硅片溫升控制在50℃以下，氣冷和橡膠冷卻。確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機。深埋層注入高能（大于200KEV）離子注入，深埋層的作用：控制CMOS的閂鎖效應(yīng)（a）輕離子損傷情況27倒摻雜阱注入高能量離子注入使阱中較深處雜質(zhì)濃度較大，倒摻雜阱改進CMOS器件的抗閂鎖能力。倒摻雜阱注入28穿通阻擋層注入作用：防止亞微米及以下的短溝道器件源漏穿通，保證源漏耐壓。穿通阻擋層注入29閾值電壓調(diào)整注入NMOS閾值電壓公式：QBm＝q·NB·Xdm，QBm為表面耗盡層單位面積上的電荷密度閾值電壓調(diào)整注入30輕摻雜漏（LDD：Lightly

DopedDrain）注入輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）31源漏注入源漏注入32多晶硅柵摻雜注入溝槽電容器注入

多晶硅柵摻雜注入33超淺結(jié)注入

超淺結(jié)超淺結(jié)注入超淺結(jié)34絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入在硅中進行高能量氧離子注入，經(jīng)高溫處理后形成SOI結(jié)構(gòu)（silicononinsulator）

SOI結(jié)構(gòu)SEM照片絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入S354.5離子注入設(shè)備

離子注入機主要由以下5個部分組成

1.離子源

2.引出電極（吸極）和離子分析器

3.加速管

4.掃描系統(tǒng)

5.工藝室4.5離子注入設(shè)備離子注入機主要由以下5個部分組成36輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）注入確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。BF3、AsH3和吸極用于把離子從離子源室中引出。當注入離子未與硅原子碰撞減速，而是穿透了晶格間隙時（見下圖）就發(fā)生了溝道效應(yīng)。這一距離在入射方向上的投影稱為投影射程Rp。作用：防止亞微米及以下的短溝道器件源漏穿通，保證源漏耐壓。注入劑量φ是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。其中I為束流，單位是庫侖每秒（安大束流的束斑：3cm2從濃度分布圖看出，最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投LSS理論描述了注入離子在無定形靶中的濃度分布為高斯分布其方程為分析器磁鐵形成90°角，其磁場使離子的軌跡偏轉(zhuǎn)成弧形。6×10－19庫侖）6×10－19庫侖）固定硅片、移動束斑（中、小束流）雜質(zhì)濃度均勻性、重復(fù)性好（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷（如BF3→離子注入系統(tǒng)輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）371.離子源離子源用于產(chǎn)生大量的注入正離子的部件，常用的雜質(zhì)源氣體有

BF3、AsH3

和

PH3等。

離子源1.離子源離子源382.引出電極（吸極）和離子分析器

吸極用于把離子從離子源室中引出。2.引出電極（吸極）和離子分析器39質(zhì)量分析器磁鐵分析器磁鐵形成90°角，其磁場使離子的軌跡偏轉(zhuǎn)成弧形。不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷（如BF3→B＋、BF2＋等），因而在離子分析器磁場中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子。

分析磁體質(zhì)量分析器磁鐵分析磁體403.加速管

加速管用來加速正離子以獲得更高的速度（即動能）。

加速管3.加速管加速管414.掃描系統(tǒng)用于使離子束沿x、y方向在一定面積內(nèi)進行掃描。束斑中束流的束斑：1cm2大束流的束斑：3cm2

掃描方式固定硅片、移動束斑（中、小束流）固定束斑、移動硅片（大束流）掃描種類：靜電掃描、機械掃描、混合掃描、平行掃描4.掃描系統(tǒng)42靜電掃描系統(tǒng)

靜電掃描系統(tǒng)靜電掃描系統(tǒng)靜電掃描系統(tǒng)435.工藝腔工藝腔包括掃描系統(tǒng)、具有真空鎖的裝卸硅片的終端臺、硅片傳輸系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。硅片冷卻：硅片溫升控制在50℃以下，氣冷和橡膠冷卻。5.工藝腔44劑量控制：法拉第環(huán)電流測量劑量控制：法拉第環(huán)電流測量45本章習題書中第17章：25、53、55、56本章習題書中第17章：25、53、55、5646SOI結(jié)構(gòu)SEM照片質(zhì)量分離技術(shù)產(chǎn)生沒有沾污的純離子束，減少了由于雜質(zhì)源純度低帶來的沾污，另外低溫工藝也減少了摻雜沾污。注入劑量φ是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。固定硅片、移動束斑（中、小束流）輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）注入帶有一個正電荷的離子在電勢差為100KV的電場運動，它的能量為100KEV列舉離子注入優(yōu)于擴散的6點其中I為束流，單位是庫侖每秒（安培）采用PTP，在較短的時間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。BF3、AsH3和（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)輕摻雜漏區(qū)（LDD）注入固定硅片、移動束斑（中、小束流）采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分大束流的束斑：3cm2確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大?？梢垣@得任意的雜質(zhì)濃度分布作用：防止亞微米及以下的短溝道器件源漏穿通，保證源漏耐壓。劑量控制：法拉第環(huán)電流測量本章作業(yè)1.簡要描述離子注入（即回答離子注入的概念）2.列舉離子注入優(yōu)于擴散的6點3.在P型〈100〉襯底硅片上，進行As離子注入，形成P-N結(jié)二極管。已知襯底摻雜濃度為1×1016cm-3，注入能量：100KEV，注入劑量：5.0E15，試計算砷離子注入分布的最大摻雜濃度Nmax和注入結(jié)深。SOI結(jié)構(gòu)SEM照片本章作業(yè)1.簡要描述離子注入（即回答離47

離子注入的優(yōu)點：

1.精確地控制摻雜濃度和摻雜深度

離子注入層的深度依賴于離子能量、雜質(zhì)濃度依賴于離子劑量，可以獨立地調(diào)整能量和劑量，精確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。

2.可以獲得任意的雜質(zhì)濃度分布

由于離子注入的濃度峰在體內(nèi)，所以基于第1點采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分布，增大了設(shè)計的靈活性。離子注入的優(yōu)點：48離子注入結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度離子注入結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度49

控制溝道效應(yīng)的方法

1.傾斜硅片：常用方法

2.緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機。

3.硅預(yù)非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）淺注入應(yīng)用非常有效

4.使用質(zhì)量較大的原子控制溝道效應(yīng)的方法50穿通阻擋層注入作用：防止亞微米及以下的短溝道器件源漏穿通，保證源漏耐壓。穿通阻擋層注入51源漏注入源漏注入52絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入在硅中進行高能量氧離子注入，經(jīng)高溫處理后形成SOI結(jié)構(gòu)（silicononinsulator）

SOI結(jié)構(gòu)SEM照片絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入S534.掃描系統(tǒng)用于使離子束沿x、y方向在一定面積內(nèi)進行掃描。束斑中束流的束斑：1cm2大束流的束斑：3cm2

掃描方式固定硅片、移動束斑（中、小束流）固定束斑、移動硅片（大束流）掃描種類：靜電掃描、機械掃描、混合掃描、平行掃描4.掃描系統(tǒng)54（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況通常的退火溫度：＞950℃，時間：30分鐘左右q為電子電荷，等于1.SOI結(jié)構(gòu)SEM照片（三）各種離子在SiO2中的Rp和△Rp值(?)輕摻雜漏區(qū)（LDD）注入確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。n為每個離子的電荷數(shù)緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機。離子源其中I為束流，單位是庫侖每秒（安從上式可知，注入離子的劑量φ越大，濃度峰值越高質(zhì)量分離技術(shù)產(chǎn)生沒有沾污的純離子束，減少了由于雜質(zhì)源純度低帶來的沾污，另外低溫工藝也減少了摻雜沾污。投影射程也是停止點與靶表面的垂直距離。輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）注入±10％，1013ions/cm2以下的小劑量，擴散無法實掃描種類：靜電掃描、機械掃描、混合掃描、平行掃描投影射程也是停止點與靶表面的垂直距離。緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機。投影射程也是停止點與靶表面的垂直距離。培）質(zhì)量分離技術(shù)產(chǎn)生沒有沾污的純離子束，減少了由于雜質(zhì)源純度低帶來的沾污，另外低溫工藝也減少了摻雜沾污。（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)中束流的束斑：1cm2緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機。離子注入機主要由以下5個部分組成注入劑量φ是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況從上式可知，注入離子的劑量φ越大，濃度峰值越高（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機。絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入q為電子電荷，等于1.離子注入層的深度依賴于離子能量、雜質(zhì)濃度依注入雜質(zhì)濃度不受硅片固溶度限制離子注入機主要由以下5個部分組成劑量控制：法拉第環(huán)電流測量（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)緩沖氧554.1引言離子注入的概念：離子注入是在高真空的復(fù)雜系統(tǒng)中，產(chǎn)生電離雜質(zhì)并形成高能量的離子束，入射到硅片靶中進行摻雜的過程。束流、束斑4.1引言離子注入的概念：束流、束斑56離子注入是繼擴散之后的第二種摻雜技術(shù)，是現(xiàn)代先進的集成電路制造工藝中非常重要的技術(shù)。有些特殊的摻雜（如小劑量淺結(jié)摻雜、深濃度峰分布摻雜等）擴散是無法實現(xiàn)的，而離子注入?yún)s能勝任。離子注入是繼擴散之后的第二種摻雜技術(shù)，是現(xiàn)代先進的集成電路制57

離子注入的優(yōu)點：

1.精確地控制摻雜濃度和摻雜深度

離子注入層的深度依賴于離子能量、雜質(zhì)濃度依賴于離子劑量，可以獨立地調(diào)整能量和劑量，精確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。

2.可以獲得任意的雜質(zhì)濃度分布

由于離子注入的濃度峰在體內(nèi)，所以基于第1點采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分布，增大了設(shè)計的靈活性。離子注入的優(yōu)點：58

離子注入的優(yōu)點：

3.雜質(zhì)濃度均勻性、重復(fù)性好

用掃描的方法控制雜質(zhì)濃度的均勻性，在1010～

1017ions/cm2的范圍內(nèi)，均勻性達到±2％而擴散在

±10％，1013ions/cm2以下的小劑量，擴散無法實現(xiàn)。4.摻雜溫度低

注入可在125℃以下的溫度進行，允許使用不同的注入阻擋層（如光刻膠）增加了工藝的靈活性離子注入的優(yōu)點：59

離子注入的優(yōu)點：

5.沾污少

質(zhì)量分離技術(shù)產(chǎn)生沒有沾污的純離子束，減少了由于雜質(zhì)源純度低帶來的沾污，另外低溫工藝也減少了摻雜沾污。

6.無固溶度極限

注入雜質(zhì)濃度不受硅片固溶度限制離子注入的缺點：

1.高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷

2.注入設(shè)備復(fù)雜昂貴離子注入的優(yōu)點：604.2離子注入工藝原理離子注入?yún)?shù)注入劑量φ注入劑量φ是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。單位：離子每平方厘米

其中I為束流，單位是庫侖每秒（安培）

t為注入時間，單位是秒

q為電子電荷，等于1.6×10－19庫侖

n為每個離子的電荷數(shù)

A為注入面積，單位為cm2—束斑4.2離子注入工藝原理離子注入?yún)?shù)61注入能量離子注入的能量用電子電荷與電勢差的乘積來表示。單位：千電子伏特KEV帶有一個正電荷的離子在電勢差為100KV的電場運動，它的能量為100KEV注入能量62射程、投影射程具有一定能量的離子入射靶中，與靶原子和電子發(fā)生一系列碰撞（即受到了核阻止和電子阻止）進行能量的交換，最后損失了全部能量停止在相應(yīng)的位置，離子由進入到停止所走過的總距離，稱為射程用R表示。這一距離在入射方向上的投影稱為投影射程

Rp。投影射程也是停止點與靶表面的垂直距離。射程、投影射程63投影射程示意圖

第i個離子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi投影射程示意圖第i個離子在靶中的射程Ri和投影射程Rp64平均投影射程

離子束中的各個離子雖然能量相等但每個離子與靶原子和電子的碰撞次數(shù)和能量損失都是隨機的，使得能量完全相同的同種離子在靶中的投影射程也不等，存在一個統(tǒng)計分布。離子的平均投影射程RP為

其中N為入射離子總數(shù)，RPi為第i個離子的投影射程平均投影射程65離子投影射程的平均標準偏差△RP為其中N為入射離子總數(shù)Rp為平均投影射程Rpi為第i個離子的投影射程離子投影射程的平均標準偏差△RP為其中N為入射離子總數(shù)66離子注入濃度分布

LSS理論描述了注入離子在無定形靶中的濃度分布為高斯分布其方程為

其中φ為注入劑量

χ為離樣品表面的深度

Rp為平均投影射程△Rp為投影射程的平均標準偏差離子注入濃度分布其中φ為注入劑量67離子注入的濃度分布曲線離子注入的濃度分布曲線68離子注入濃度分布的最大濃度Nmax從上式可知，注入離子的劑量φ越大，濃度峰值越高從濃度分布圖看出，最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投影射程處離子注入濃度分布的最大濃度Nmax69離子注入結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度離子注入結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度70RP和△RP的計算很復(fù)雜，有表可以查用

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP66213021903246529943496397444324872RP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279RP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005RP5999136172207241275308341（一）各種離子在Si中的Rp和△Rp值(?)RP和△RP的計算很復(fù)雜，有表可以查用入射能量2040671（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)RP和△RP的計算很復(fù)雜，有表可以查用χ為離樣品表面的深度其中N為入射離子總數(shù)，RPi為第i個離子的投影射程高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷n為每個離子的電荷數(shù)固定硅片、移動束斑（中、小束流）緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機。可以獲得任意的雜質(zhì)濃度分布硅預(yù)非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）淺注入應(yīng)用非常有效在硅中進行高能量氧離子注入，經(jīng)高溫處理后形成SOI結(jié)構(gòu)（silicononinsulator）A為注入面積，單位為cm2—束斑不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷（如BF3→離子注入濃度分布的最大濃度Nmax列舉離子注入優(yōu)于擴散的6點確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。已知襯底摻雜濃度為1×1016cm-3，注入能量：100KEV，注入劑量：5.離子注入機主要由以下5個部分組成1017ions/cm2的范圍內(nèi)，均勻性達到±2％而擴散在（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007RP475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675RP19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015RP126207286349415480543606667（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)（二）各種72（三）各種離子在SiO2中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172RP252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859RP84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823RP437299125151176201226251（三）各種離子在SiO2中的Rp和△Rp值(?)入射73（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994RP196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437RP65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637RP33567797118137157176195（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)入74例題：1.已知某臺離子注入機的束斑為2.0cm2、束流為2.0mA、注入時間為16ms，試計算硼離子（B+）注入劑量。（注：電子電荷q=1.6×10－19庫侖）

2.在N型〈111〉襯底硅片上，進行硼離子注入，形成P-N結(jié)二極管。已知襯底摻雜濃度為1×1015cm-3，注入能量：60KEV，注入劑量：5.0E14，試計算硼離子注入分布的最大摻雜濃度Nmax和注入結(jié)深。例題：754.3離子注入效應(yīng)1.溝道效應(yīng)2.注入損傷3.離子注入退火4.3離子注入效應(yīng)1.溝道效應(yīng)76溝道效應(yīng)

當注入離子未與硅原子碰撞減速，而是穿透了晶格間隙時（見下圖）就發(fā)生了溝道效應(yīng)。

沿<110>晶向的硅晶格視圖溝道效應(yīng)沿<110>晶向的硅晶格視圖77

控制溝道效應(yīng)的方法

1.傾斜硅片：常用方法

2.緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機。

3.硅預(yù)非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）淺注入應(yīng)用非常有效

4.使用質(zhì)量較大的原子控制溝道效應(yīng)的方法78

注入損傷

高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷

（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況注入損傷（a）輕離子損傷情況79離子注入退火工藝目的：消除晶格損傷，并且使注入的雜質(zhì)轉(zhuǎn)入替位位置從而實現(xiàn)電激活。1.高溫熱退火通常的退火溫度：＞950℃，時間：30分鐘左右缺點：高溫會導(dǎo)致雜質(zhì)的再分布。2.快速熱退火

采用PTP，在較短的時間（10－3～10－2

秒）內(nèi)完成退火。

優(yōu)點：雜質(zhì)濃度分布基本不發(fā)生變化離子注入退火804.4離子注入的應(yīng)用

在先進的CMOS工藝中，離子注入的應(yīng)用：

1.深埋層注入

2.倒摻雜阱注入

3.穿通阻擋層注入

4.閾值電壓調(diào)整注入

5.輕摻雜漏區(qū)（LDD）注入

6.源漏注入

7.多晶硅柵摻雜注入

8.溝槽電容器注入

9.超淺結(jié)注入

10.絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入4.4離子注入的應(yīng)用在先進的CMOS工藝中，離子注入81（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況離子注入機主要由以下5個部分組成賴于離子劑量，可以獨立地調(diào)整能量和劑量，精采用PTP，在較短的時間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷采用PTP，在較短的時間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。從濃度分布圖看出，最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投固定硅片、移動束斑（中、小束流）硅預(yù)非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）淺注入應(yīng)用非常有效其中I為束流，單位是庫侖每秒（安固定硅片、移動束斑（中、小束流）工藝腔包括掃描系統(tǒng)、具有真空鎖的裝卸硅片的終端臺、硅片傳輸系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分質(zhì)量分離技術(shù)產(chǎn)生沒有沾污的純離子束，減少了由于雜質(zhì)源純度低帶來的沾污，另外低溫工藝也減少了摻雜沾污。這一距離在入射方向上的投影稱為投影射程Rp。（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)靜電掃描系統(tǒng)硅片冷卻：硅片溫升控制在50℃以下，氣冷和橡膠冷卻。確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機。深埋層注入高能（大于200KEV）離子注入，深埋層的作用：控制CMOS的閂鎖效應(yīng)（a）輕離子損傷情況82倒摻雜阱注入高能量離子注入使阱中較深處雜質(zhì)濃度較大，倒摻雜阱改進CMOS器件的抗閂鎖能力。倒摻雜阱注入83穿通阻擋層注入作用：防止亞微米及以下的短溝道器件源漏穿通，保證源漏耐壓。穿通阻擋層注入84閾值電壓調(diào)整注入NMOS閾值電壓公式：QBm＝q·NB·Xdm，QBm為表面耗盡層單位面積上的電荷密度閾值電壓調(diào)整注入85輕摻雜漏（LDD：Lightly

DopedDrain）注入輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）86源漏注入源漏注入87多晶硅柵摻雜注入溝槽電容器注入

多晶硅柵摻雜注入88超淺結(jié)注入

超淺結(jié)超淺結(jié)注入超淺結(jié)89絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入在硅中進行高能量氧離子注入，經(jīng)高溫處理后形成SOI結(jié)構(gòu)（silicononinsulator）

SOI結(jié)構(gòu)SEM照片絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入S904.5離子注入設(shè)備

離子注入機主要由以下5個部分組成

1.離子源

2.引出電極（吸極）和離子分析器

3.加速管

4.掃描系統(tǒng)

5.工藝室4.5離子注入設(shè)備離子注入機主要由以下5個部分組成91輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）注入確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。BF3、AsH3和吸極用于把離子從離子源室中引出。當注入離子未與硅原子碰撞減速，而是穿透了晶格間隙時（見下圖）就發(fā)生了溝道效應(yīng)。這一距離在入射方向上的投影稱為投影射程Rp。作用：防止亞微米及以下的短溝道器件源漏穿通，保證源漏耐壓。注入劑量φ是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。其中I為束流，單位是庫侖每秒（安大束流的束斑：3cm2從濃度分布圖看出，最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投LSS理論描述了注入離子在無定形靶中的濃度分布為高斯分布其方程為分析器磁鐵形成90°角，其磁場使離子的軌跡偏轉(zhuǎn)成弧形。6×10－19庫侖）6×10－19庫侖）固定硅片、移動束斑（中、小束流）雜質(zhì)濃度均勻性、重復(fù)性好（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷（如BF3→離子注入系統(tǒng)輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）921.離子源離子源用于產(chǎn)生大量的注入正離子的部件，常用的雜質(zhì)源氣體有

BF3、AsH3

和

PH3等。

離子源1.離子源離子源932.引出電極（吸極）和離子分析器

吸極用于把離子從離子源室中引出。2.引出電極（吸極）和離子分析器94質(zhì)量分析器磁鐵分析器磁鐵形成90°角，其磁場使離子的軌跡偏轉(zhuǎn)成弧形。不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷（如BF3→B＋、BF2＋等），因而在離子分析器磁場中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子。

分析磁體質(zhì)量分析器磁鐵分析磁體953.加速管

加速管用來加速正離子以獲得更高的速度（即動能）。

加速管3.加速管加速管964.掃描系統(tǒng)用于使離子束沿x、y方向在一定面積內(nèi)進行掃描。束斑中束流的束斑：1cm2大束流的束斑：3cm2

掃描方式固定硅片、移動束斑（中、小束流）固定束斑、移動硅片（大束流）掃描種類：靜電掃描、機械掃描、混合掃描、平行掃描4.掃描系統(tǒng)97靜電掃描系統(tǒng)

靜電掃描系統(tǒng)靜電掃描系統(tǒng)靜電掃描系統(tǒng)985.工藝腔工藝腔包括掃描系統(tǒng)、具有真空鎖的裝卸硅片的終端臺、硅片傳輸系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。硅片冷卻：硅片溫升控制在50℃以下，氣冷和橡膠冷卻。5.工藝腔99劑量控制：法拉第環(huán)電流測量劑量控制：法拉第環(huán)電流測量100本章習題書中第17章：25、53、55、56本章習題書中第17章：25、53、55、56101SOI結(jié)構(gòu)SEM照片質(zhì)量分離技術(shù)產(chǎn)生沒有沾污的純離子束，減少了由于雜質(zhì)源純度低帶來的沾污，另外低溫工藝也減少了摻雜沾污。注入劑量φ是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。固定硅片、移動束斑（中、小束流）輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）注入帶有一個正電荷的離子在電勢差為100KV的電場運動，它的能量為100KEV列舉離子注入優(yōu)于擴散的6點其中I為束流，單位是庫侖每秒（安培）采用PTP，在較短的時間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。BF3、AsH3和（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)輕