而对于一般NMOS的VT调节的剂量为：B＋ 1-5×1012 cm-2 注入时间为~30分钟 对比一下：如果采用预淀积扩散（1000 C），表面浓度 为固溶度1020 cm-3时， 2C s Q Dt 每秒剂量达1013/cm2 D～10-离子在不同注入能量下的特性
Distribution according to Gaussian function
x2 QT C x, t exp 4 Dt Dt
第五章 离子注入 实 际 工 艺 中 二 步 扩 散
第一步 为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition） （称为预沉积或预扩散） 控制掺入的杂质总量
电荷/动量交换导致入射离子运 动方向的改变（<核间作用）
把固体中的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气 体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平 方根成正比。 1/ 2 15 1/ 2 2
Se E Cvion kE , k 0.2 10 eV cm
第五章 离子注入
ETrans 4 m1m2 E 2 (m 1 m2 )
核阻止能力的一阶近似为：
m——质量， Z——原子序数 下标1——离子，下标2——靶 例如：磷离子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅 Z2 = 14, m2 = 28, 计算可得： Sn ~ 550 keV-m2
Sn E 2.8 10
15
Z1Z 2
23 Z12 3 Z 2
m1 eV cm2 m1 m2
摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295
第五章 离子注入
第五章 离子注入
电子阻止本领
非 局 部 电 子 阻 止 局 部 电 子 阻 止
不改变入射离子运动方向
如果要求掩膜层能完全阻挡离子
* x R * P exp m C * ( xm ) CP *2 2R P

C
2

B
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
第五章 离子注入
磁分析器
聚焦
扫描系统 靶
加速管
离 子 源
B10 B11
r
I 1 Q dt A q
BF3：B++，B+，BF2+， F+, BF+，BF++
第五章 离子注入
源（Source）：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。 b) 离子源（Ion Source）：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 源分子或原子，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
第五章 离子注入
注入离子的二维分布图
Log（离子浓度）
高斯分布
R Rp
离子入射
Rp
z
第五章 离子注入
投影射程Rp:
1 R p dx N 0
Rp
E0
dE S n E S e E 0
Rp Rp R Rp Rp R
Rp Rp R
第五章 离子注入
第五章 离子注入
【解】1) 从查图或查表 得 Rp=4289 Å=0.43 m Rp855 Å0.086 m 峰值浓度 Cp=0.4Q/Rp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019 cm-3 衬底浓度CB＝2×1016 cm-3 x j Rp 2 C x j CB C p exp 1 2 R p xj=0.734 m 2) 注入的总离子数 Q＝掺杂剂量×硅片面积 ＝5×1014×[(15/2)2]=8.8×1016 离子数 I＝qQ/t ＝[(1.6×10－19C)(8.8×1016)]/60 sec=0.23 mA
标准偏差Rp
平均投影射程Rp
第五章 离子注入
已知注入离子的能量和剂量， 估算注入离子在靶中的 浓度和结深
问题：140 keV的B+离子注入到直径为150 mm的硅靶中。 注入 剂量Q=5×10 14/cm2（衬底浓度2×1016 /cm3） 1) 试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、 峰 值浓度、结深 2) 如注入时间为1分钟，估算所需束流。


总能量损失为两者的和
第五章 离子注入 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。
第五章 离子注入
由 可以得到： Q C x dx 2 RpC， p

CP
Q 0.4 R p 2 R p
Q

x R 2 Q p C ( x) exp 2 R p 2 R p
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
第五章 离子注入
注入离子的真实分布

真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布 当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大 角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有 较多的离子堆积；重离子散射得更深。
第五章 离子注入
横向效应
横向效应指的是注入 离子在垂直于入射方 向平面内的分布情况
Q 2C1
第二步
D1t1

为有限源的扩散（Drive-in），往往同时氧化 （称为主扩散或再分布） 控制扩散深度和表面浓度
Q 2 D1t1 C2 C1 D2t 2 D2t 2
第五章 离子注入
二步扩散的两种极端情况
D1t1 D2t2
当
or
D1t1 D2t2
D1t1 D2t 2 时，最后的杂质浓度分布可近似为 Figur 4.2 2 D t 2 x 2 1 1 C x , t , t C exp 1 2 1 Gaussfö rdelningen Gaussian distribution D t 4 D t 2 2 2 2 1.5
总阻止本领（Total stopping power）
核阻止和电 子阻止相等 的能量

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
第五章 离子注入
n
e
n
离子 E2 B 17 keV P 150 keV As, Sb >500 keV
n
第五章 离子注入
射程终点（EOR） 处晶格损伤大
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


第五章 离子注入
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（1011-1018 cm-2）和能量（1-400 keV）来达到 平面上杂质掺杂分布非常均匀（1% variation across an 8’’ wafer） 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 注入元素可以非常纯，杂质单一性 可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由 度大 低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的 热扩散 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小 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
第五章 离子注入
第五章 离子注入
有关扩散方面的主要内容 费克第二定律的运用和特殊解 特征扩散长度的物理含义 非本征扩散 常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用 常用扩散掺杂方法 常用扩散掺杂层的质量测量 Distribution according to error function
x C x, t Cs erfc 2 Dt
=0.25
1
f(x)
0.5 0
=0.5 =0.5
Gaussian or normal distribution
2 1 x f x exp 2 2 2
-0.5
-2
-1
0
1
2
3
x
第五章 离子注入
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
a)
气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，... 离子源：As，Ga，Ge，Sb，P，...
第五章 离子注入
离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入 靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失 能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大 部分不在晶格上，因而没有电活性。
第五章 离子注入
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（nuclear stopping） (2) 电子阻止 （electronic stopping）