半导体工艺-离子注入(精)

--离子注入

离子注入法掺杂相比扩散法掺杂来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。目前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。

1.离子注入原理

离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。

离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量，

能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。离子通过与硅原子

的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒

子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。

杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。 

2.离子射程

离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。

投影射程是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏

差。

3.离子注入剂量

注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过

下面的公式计算得出 ，式中，Q是剂量；I是束流，

单位是安培；t是注入时间，单位是秒；e是电子电荷，1.6×10-19C；n是电荷数量；A是注入面积，单位是 。

4.离子注入设备

离子注入机体积庞大，结构非常复杂。根据它所能提供

的离子束流大小和能量可分为高电流和中电流离子注入机以 及高能量、中能量和低能量离子注入机。

离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。 

（1）离子源

离子源的任务是提供所需的杂质离子。在合适的气压

下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而电离，最常用的杂质

源有 和 等，

（2）离子束吸取电极

吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。电

极由抑制电极和接地电极构成，电极上加了很高的电压，离

子受到弧光反应室侧壁的排斥作用和抑制电极的吸引作用，被分离出来形成离子束向吸取电极运动。

3）质量分析器

反应气体中可能会夹杂少量其它气体，这样，从离子源

吸取的离子中除了需要杂质离子外，还会有其它离子。因

此，需对从离子源出来的离子进行筛选，质量分析器就是来

完成这项任务的。

质量分析器的核心部件是磁分析器，在相同的磁场作用下，不同荷质比的离子会以不同的曲率半径做圆弧运动，选择合适曲率半径，就可以筛选出需要的离子。荷质比较大的 

离子偏转角度太小、荷质比较小的离子偏转角度太大，都无法从磁分析器的出口通过，只有具有合适荷质比的离子才能顺利通过磁分析器，最终注入到wafer中。 

（4）加速器

为了保证注入的离子能够进入wafer，并且具有一定的射程，离子的能量必须满足一定的要求，所以，离子还需要进行电场加速。完成加速任务的是由一系列被介质隔离的加速电极组成管状加速器。离子束进入加速器后，经过这些电

极的连续加速，能量增大很多。

与加速器连接的还有聚焦器，聚焦器就是电磁透镜，它

的任务是将离子束聚集起来，使得在传输离子时能有较高的效益，聚焦好的离子束才能确保注入剂量的均匀性。 

（5）扫描器

离子束是一条直径约1～3的线状高速离子流，必须通过

扫描覆盖整个注入区。扫描方式有：固定wafer，移动离子

束；固定离子束，移动wafer。离子注入机的扫描系统有电

子扫描、机械扫描、混合扫描以及平行扫描系统，目前最常

用的是静电扫描系统。

静电扫描系统由两组平行的静电偏转板组成，一组完成

横向偏转，另一组完成纵向偏转。在平行电极板上施加电场，正离子就会向电压较低的电极板一侧偏转，改变电压大小就可以改变离子束的偏转角度。静电扫描系统使离

子流每秒钟横向移动15000多次，纵向移动移动1200次。

静电扫描过程中，wafer固定不动，大大降低了污染几率，而且由于带负电的电子和中性离子不会发生同样的偏转，这样就可以避免被 掺入到wafer当中。 

6）终端系统

终端系统就是wafer接受离子注入的地方，系统需要

完成Wafer的承载与冷却、正离子的中和、离子束流量检

测等功能。

离子轰击导致wafer温度升高，冷却系统要对其进行

降温，防止出现由于高温而引起的问题，有气体冷却和橡胶

冷却两种技术。冷却系统集成在Wafer载具上，wafer载

具有多片型和单片型两种。 

离子注入的是带正电荷的离子，注入时部分正电荷会聚

集在wafer表面，对注入离子产生排斥作用，使离子束的入

射方向偏转、离子束流半径增大，导致掺杂不均匀，难以控

制；电荷积累还会损害表面氧化层，使栅绝缘绝缘能力降

低，甚至击穿。解决的办法是用电子簇射器向wafer表面发

射电子，或用等离子体来中和掉积累的正电荷。

离子束流量检测及剂量控制是通过法拉第杯来完成的。

然而离子束会与电流感应器反应产生二次电子，这会正常测量偏差。在法拉第杯杯口附加一个负偏压电极以防止二次电子的逸出，获

得精确的测量值。电流从法拉第杯传输到积分仪，积分仪将离子束电流累加起来，结合电流总量和注入时间，就可计算出掺入一定剂量的杂质需要的时间。

4.离子注入工艺

（1）沟道效应

入射离子与wafer之间有不同的相互作用方式，若离子

能量够高，则多数被注入到wafer内部；反之，则大部分离

子被反射而远离wafer。注入内部的原子会与晶格原子发生

不同程度的碰撞，离子运动过程中若未与任何粒子碰撞，它

就可到达wafer内部相当深的地方，这就是沟道效应。

沟道效应将使离子注入的可控性降低，甚至使得器件失效。因此，在离子注入时需要抑制这种沟道效应。在wafer表面淀积一层非晶格结构材料或事先破坏掉wafer

表面较薄的一层结晶层等都可降低沟道效应。2）退火

离子注入会对晶格造成损伤，注入剂量较大时，wafer

将会由单晶变成非晶，通过退火能修复晶格缺陷。 

缺陷修复需要500℃的温度，杂质的激活需要950℃

的高温，有高温炉退火和快速热退化两种方法。高温炉退火

是在800～1000℃的高温下加热30分钟，因会导致杂质再

分布，不常采用；快速热退火采用快速升温并在1000℃的

高温下保持很短的时间，可达到最佳效果。

（3）颗粒污染

离子注入对颗粒污染非常敏感，wafer表面的颗粒会阻碍离子束的注入，大电流的注入会产生更多颗粒，必要时需 

采取纠正措施。

（4）离子注入工艺有以下特点：

注入的离子经过质量分析器的分析，纯度很高、能量单一。而且注入环境清洁、干燥，大大降低了杂质污染。

注入剂量可精确控制，杂质均匀度高达±1%；

注入在中低温度下进行，二氧化硅、光刻胶、氮化硅等都可以作为注入时的掩蔽层。衬底温度低，就避免了高温扩散所引起的热缺陷；

离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底中的固溶 

度；

对于化合物半导体采用离子注入技术，可不该变组分而

达到掺杂的目的；

离子注入的横向掺杂效应比扩散大大减少了；

离子注入最大的缺点就是高能离子轰击wafer对晶格结

构造成的损伤；

（5）离子注入工艺的应用

改变导电类型，形成PN结，如形成源、漏以及阱等；

改变起决定作用的载流子浓度，以调整器件工作条件；改变衬底结构；合成化合物。

5.离子注入质量检测

离子注入层的检查与扩散层的检测项目、检测方法基本

相同。

（1）颗粒污染

测量检测wafer表面的颗粒数，颗粒会造成掺杂的空

洞。颗粒的可能来源有：电极放电；机械移动过程中的外包

装；注入机未清洁干净；温度过高造成光刻胶脱落；背面的

冷却橡胶；wafer处理过程产生的颗粒。

（2）剂量控制

掺杂剂量不合适导致方块电阻偏高或偏低。掺杂剂量不

合适的原因有：工艺流程错误；离子束电流检测不够精确；

离子束中混入电子，造成计数器计算离子数量的错误，导致

掺杂剂量过大；退火问题。

（3）超浅结结深

掺杂剖面不正确，高温会造成杂质再分布，增加结深以

及横向掺杂效应；沟道效应影响离子的分布。

总结：通过一周的半导体的实习，给我印象最深的是半导体工艺的离子注入工序，离子注入听起来简单但是做起来相当的麻烦，而且离子注入机也是非常的昂贵，而且一台机器只能注入一种离子，比如P离子，而不能注入B离子，大剂量和小剂量用的机器也是不同的，大剂量的机器可以注入小剂量，但小剂量的机器不能注入大剂量，在做片的时候要调整好磁分析器，把想要的离子挑出来，调好加速电压，灯丝电流，最重要的是束流，也就是离子的电流大小，这直接关系到注入的时间，相同剂量束流越大，注入时间越短。