碰撞，这种碰撞能瞬间形成电
子空穴对。由于两者的质量相
差很大，每次碰撞注入离子能
量损失小，散射角度小，运动
方向基本不变。
第四章离子注入
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（Sn(E)）
和电子阻止(Se(E) )所损失 的能量 。 核阻止本领Sn(E) ：来自靶原子 核的阻止。 电子阻止本领Se(E) ：来自靶内 自由电子和束缚电子的阻 止。
第四章 离子注入
第四章离子注入
4.1离子注入设备与工艺 4.2核碰撞和电子碰撞 4.3注入离子在无定形靶中的分布 4.4注入损伤 4.5热退火
第四章离子注入
❖ 离子注入技术是20世纪60年代开 始发展起来的掺杂工艺,它在很多方 面都优于扩散工艺.由于采用了离子 注入技术,推动集成电路的发展,从 而使集成电路进入了超大规模.
通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近； 也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中， 使杂质分布为设计形状第。四章离子注入
9
离子注入有别于扩散工艺的特点表现在以下几 个方面： ❖ 1、可以用质量分析系统获得单一能量的高纯
杂质原子束，没有沾污。因此，一台注入机 可用于多种杂质。此外，注入过程是在真空
（如氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶）进行选
择掺杂。在制备不能采用扩散工艺的器件时，
这为独特的自对准掩模技术的设计提供了很
大的自由度。
❖ 4、离子束的穿透深度随离子能量的增大而增
大，因此，控制同一种或不同种的杂质进行
多次注入时的能量和剂量，可以在很大的范
围内得到不同的掺杂剂浓度分布截面。用这
种方法比较容易获得超陡的和倒置的掺杂截
ddE xSnESeE
-dE/dx：能量损失梯度
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
面。
第四章离子注入
❖ 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子 浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶 格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质 浓度可以不受固溶度的限制。
❖ 6、离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所 引起的热缺陷。
❖ 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的 图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器 件特征尺寸缩小。
第四章离子注入
4.1 核碰撞和电子碰撞
❖ 离子注入不仅要考虑注入离子与靶内自由电 子和束缚电子的相互作用，而且与靶内原子 核的相互作用也必须考虑。
❖ 1963年，林华德、沙夫、希奥特，首先确立 了注入离子在靶内的能量损失分为两个过程： 核碰撞和电子碰撞，总能量的损失为它们的 总和。
第四章离子注入
4.1 核碰撞和电子碰撞（LSS理论）
❖ 8、离子注入是通过硅表面的薄膜入射到硅中， 该膜起到了保护作用，防止污染。
❖ 9、容易实现化合物半导体材料的掺杂。 第四章离子注入
缺点
会在晶体中引入晶格损伤 产率低 设备复杂，投资大
第四章离子注入
基本概念
❖ 靶：被掺杂的材料称为靶 ❖ 散射离子：一束离子轰击靶时，其中一部分离
子在靶表面就被反射了，不能进入的离子称散 射离子。 ❖ 注入离子：进入靶内的离子称注入离子
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究
射程分布（LSS）理论 带有一定能量的入射离子在靶
材内同靶原子核和电子相碰撞，进 行能量交换，最后静止。
1963年，林华德、沙夫、希奥 特，首先确立了LSS理论，认为注 入离子在靶内的能量损失分为两个 独立的过程： a. 核碰撞／阻止； b. 电子碰撞／阻止。 总能量损失为两者之和
下即在本身是清洁的气氛中进行的。
❖ 2、注入的剂量可在很宽的范围（1011－1017 离子/cm2）内变化,且在此范围内精度可控制 到±1％。与此相反,在扩散系统中,高浓度时 杂质浓度的精度最多控制到5－10％,低浓度
时比这更差。
第四章离子注入
❖ 3、离子注入时，衬底一般是保持在室温或温
度 不 高 （ ≤ 400℃ ） ， 因 此 ， 可 用 各 种 掩 模
第四章离子注入
❖ 扩散是一个化学过程,离子注入是一个物理过 程.
❖ 所谓离子注入技术，就是将需要作为掺杂剂 的元素原子离化，转变为离子，并将其加速 到一定能量（50--500keV）后，注入到晶片 表面，以改变晶片表面的物理和化学性质。
第四章离子注入
离子注入就象用枪将子弹打入墙中一 样．子弹从枪中获取是量的动量，射入到墙 体内停下．离子注入过程中发生相同的情形， 替代子弹的是离子，掺杂原子被离化、分离、 加速形成离子束流，注入衬底Si片中，进入 表面并在表面以下停下。
是一种掺杂工艺。
这种材料表层的物理或化学
性质。
第四章离子注入
4.1离子注入设备与工艺
离子注入系统
离子注入系统： 应具备合适的可调能量范围和
束流强度，能满足多种离子的注入， 有好的注入均匀性以及无污染等性 能。
离子注入系统通常分为三部分： 离子源、加速器和终端台。
第四章离子注入
离子注入机 ❖ 源：采用气态源、固态源，大部分氟化物PF5,AsF5,BF3
第四章离子注入
❖ 核碰撞：指注入离子与靶内原
子核之间的相互碰撞。由于入 射离子与靶原子的质量一般为 同一数量级，因此每次碰撞后， 注入离子发生大角度的散射， 并失去一定的能量，如果靶原 子获得的能量大于束缚能，就 会离开晶格位置，进入晶格间 隙，留下空位，形成缺陷.
❖ 电子Байду номын сангаас撞：指注入离子与靶内
自由电子以及束缚电子之间的
通过加热分解气态源，使其成为带电离子P+，B+，As+,通过加速管，使它们在 管内被电场加速到高能状态，注入到Si片中
第四章离子注入
注入方法
❖ 直接注入
离子在光刻窗口直接注入Si衬底。射程大、杂质重时用。 ❖ 间接注入；
通过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。间接注入沾污少， 可以获得精确的表面浓度。
❖ 多次注入
第四章离子注入
什么是离子注入 离子注入的基本过程
❖ 将某种元素的原子或携带该
是离子被强电场加速后
元素的分子经离化变成带电
注入靶中，离子受靶原子阻
的离子
止，停在其中，经退火后， ❖ 在强电场中加速，获得较高
杂质进入替位位置，电离成
的动能
为具有电活性的杂质，这一
❖ 注入材料表层（靶）以改变 过程是一非平衡的物质过程,