跳到正文
半导体开放世界

离子注入

Ion Implantation也称 注入掺杂

把经过质量选择和加速的离子按规定剂量、能量与角度送入晶圆，并由后续退火形成可工作的掺杂剖面。

基础主路径「从硅到芯片」第 23 站出处 2 本教材
报告问题

速览

约 1 分钟

离子注入把『掺多少』和『大致放多深』分别交给剂量与能量控制，但入射离子会统计性散射、产生横向展宽和晶格损伤；注入后的化学浓度还不是最终电活性浓度。

系统理解

约 2 分钟

离子源先产生带电杂质，质量分析器选择离子种类，加速与扫描系统设定能量和面内均匀性，法拉第杯积分束流得到剂量。能量主要影响投影射程 Rₚ，剂量决定深度浓度积分；离子与靶原子的核碰撞和电子相互作用共同消耗能量。

非晶靶中的近高斯分布只是起点。晶体开放晶向会产生沟道效应，掩模边缘会出现横向展宽，离子质量、倾角、旋转、屏蔽氧化层和多层材料都会改变真实二维剖面。工艺控制对象因此不是一个孤立的峰值，而是带有均值、展宽、偏斜和尾部的空间分布。

核碰撞会产生空位—间隙原子对，剂量足够高时还可形成非晶层。退火既要修复损伤、让掺杂进入替位点并电激活，又要限制正常扩散和瞬态增强扩散；最终结深与电阻是『注入＋后续全部热历史』的共同结果。

制造主线的非平衡掺杂步骤：上接图形化与掩蔽，下接退火、结形成和器件电性。

关键参数

关键参数
参数单位含义
Qcm⁻²单位面积注入离子总数
EkeV–MeV入射离子动能，主要影响投影射程
Rₚnm–µm注入深度分布的投影射程或均值
ΔRₚnm–µm纵向射程展宽
倾角/旋转角°控制晶向沟道与二维对称性

常见误区

  • 把剂量当成峰值浓度，忽略它是单位面积的深度积分
  • 认为能量能唯一、精确地指定所有离子停在同一深度
  • 以为注入完成后杂质已经全部电激活
  • 用无定形材料的高斯近似代替晶体中的沟道、偏斜和长尾
  • 只关注纵向结深，忽略掩模下横向展宽、充电和表面损伤

工程深入

12 条结论

设备、剂量与能量

定义

离子注入是受控的非平衡掺杂过程

工艺把选定元素电离、质量筛选并加速后送入固体，使杂质浓度可远离高温平衡溶解和扩散路径；它直接建立的是注入原子分布，而不是已经完成的电活性载流子分布。12

成立条件 主要讨论半导体制造中的离子束注入；最终电性还取决于晶格位置、补偿和后续退火

掺杂 用于：离子注入是实现空间选择性掺杂的主要工艺之一。
机制

设备链逐步确定离子种类、能量、方向和面内均匀性

离子源产生带电粒子，质量分析器按质荷比去除不需要的组分，加速系统设定动能，聚焦与扫描把束流覆盖到晶圆，端站则控制晶圆角度、冷却和剂量积分。12

成立条件 不同注入机可交换加速、分析和扫描的具体实现；设备污染、束流充电与均匀性必须单独监控

公式

剂量是束流随时间和面积的积分

法拉第测量得到的电流除以单个离子电荷给出每秒离子数；再对注入时间积分并除以面积，才得到单位面积总离子数Q。Q不是体浓度，也不直接等于电活性掺杂浓度。12

Q=1A∫I(t)q dtQ=\frac1A\int\frac{I(t)}q\,dt
Q=(1/A)∫[I(t)/q]dt
Q
注入剂量，单位 cm⁻²
I
束流电流，单位 A
q
单个入射离子的电荷，单位 C
A
被注入面积，单位 cm²

成立条件 束流电荷态q必须已知；二次电子、扫描非均匀和晶圆有效面积需由设备校正

射程、展宽与二维剖面

关联

能量主要控制深度尺度，剂量控制浓度积分

提高入射能量通常增加投影射程Rₚ，而提高剂量增加深度浓度曲线下的总面积；峰值还同时受展宽、材料、离子种类、晶向和后续扩散影响，所以不能只用剂量或能量单独指定。12

成立条件 同一离子—靶材料体系下的趋势；多能量、多剂量注入常用于合成目标剖面

公式

高斯剖面只保留射程和展宽两个矩

在无定形靶或忽略晶向尾部的基础近似中，Rₚ给出平均深度，ΔRₚ给出纵向统计展宽，曲线积分保持剂量Q；真实轻重离子剖面可能偏斜，需Pearson分布或蒙特卡洛模型。12

C(x)≈Q2πΔRpexp⁡ ⁣[−(x−Rp)22ΔRp2]C(x)\approx\frac{Q}{\sqrt{2\pi}\Delta R_p}\exp\!\left[-\frac{(x-R_p)^2}{2\Delta R_p^2}\right]
C(x)≈Q/[√(2π)ΔRₚ]·exp{−(x−Rₚ)²/[2ΔRₚ²]}
C(x)
深度x处的注入离子浓度，单位 cm⁻³
Q
单位面积注入剂量，单位 cm⁻²
Rₚ
投影射程的平均值，单位 cm
ΔRₚ
纵向射程标准差，单位 cm
x
从表面向下的深度，单位 cm

成立条件 一维、近高斯、无显著沟道效应；不能用该式预测掩模边缘的横向分布

机制

核阻止和电子阻止共同让离子停下

入射离子通过与靶原子核的碰撞转移动量，并通过与电子系统相互作用损失能量；两种阻止的相对权重随离子质量、速度和靶材料变化，其中核碰撞又直接连接晶格损伤。12

成立条件 把总能损近似分解为核与电子两部分；详细轨迹需原子尺度或蒙特卡洛计算

边界

掩模只截断入射口，不能消除地下横向展宽

离子进入窗口后仍会散射并在掩模边缘下方形成横向分布；倾斜注入还会造成几何阴影和非对称剖面，因此二维器件的实际掺杂边界不会与版图开口严格重合。12

成立条件 横向展宽随能量、材料和离子种类变化；三维结构还需考虑侧壁和旋转方向

掩模版 影响：掩蔽几何与注入散射共同确定掺杂的二维边界。

晶向、损伤与退火

边界

晶体开放方向会产生沟道长尾

当离子束接近低指数晶向或晶面通道时，连续强碰撞减少，一部分离子穿得比无定形模型更深。晶圆倾斜和旋转、薄屏蔽氧化层或预非晶化可降低沟道，但也会引入新的损伤和几何权衡。12

成立条件 单晶衬底中特别重要；最佳倾角随晶向、结构遮蔽和注入目标改变

机制

核碰撞从点缺陷累积到非晶化

被撞离晶格位置的硅原子留下空位并形成间隙原子，即Frenkel对；级联碰撞使缺陷簇累积，当局部损伤超过阈值时晶体可转为非晶层，层下还会保留射程末端缺陷。12

成立条件 损伤受剂量、能量、离子质量、注入温度和动态退火影响；非晶化不是所有注入都必然发生

机制

退火同时承担晶格修复和杂质电激活

升温使晶格缺陷复合或让非晶层沿单晶基底固相外延再生，并促使杂质占据替位晶格位置而成为电活性掺杂；温度和时间不足会残留损伤与高电阻，过强则扩大剖面。12

成立条件 激活率受固溶度、团簇和缺陷状态限制；退火后仍可能留下{311}簇或射程末端位错环

退火 工艺顺序：注入之后通过退火完成损伤修复、再结晶和电激活。
边界

注入缺陷会触发瞬态增强扩散

退火时缺陷簇逐渐释放过量自间隙原子，依赖间隙机制扩散的掺杂可在有限时间内比平衡扩散快很多；因此较低温长时间不一定比高温短时间更能保持浅结。12

成立条件 增强幅度取决于缺陷库存、掺杂扩散机制和退火历程；缺陷耗尽后扩散率回到接近平衡值

最终剖面与工程边界

关联

最终结由注入和全部后续热历史共同决定

注入只给出初始化学分布与损伤状态；退火、氧化、沉积热循环和缺陷演化会继续改变扩散、激活和补偿。器件建模应使用最终二维电活性剖面，而不是把注入设定值直接当成结深和浓度。12

成立条件 跨步骤维护统一热预算和工艺历史；剂量计量、剖面量测与片电阻或器件电性应相互闭环

PN结 用于：空间选择注入和退火共同形成PN结及其耗尽区边界。

出处

2 本教材 · 3 处引用
  1. 1

    Integrated Circuit Fabrication: Science and Technology

    James D. Plummer, Peter B. Griffin · 2023 prepublication version · 2023

    查看这个来源 →
  2. 2