半导体工艺-掺杂原理与技术PPT课件.ppt

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微电子工艺学微电子工艺学MicroelectronicProcessing第四章掺杂原理与技术第四章掺杂原理与技术张道礼张道礼教授教授Email:

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zhang-zhang-Voice:

87542894Voice:

87542894.掺杂（掺杂（dopingdoping）：

将一定数量和一定种类的杂质掺入硅中，并获得精确的杂质分布形状（dopingprofile）。

掺杂应用：

MOSFET：

阱、栅、源/漏、沟道等BJT：

基极、发射极、集电极等BECppn+n-p+p+n+n+BJTpwellNMOS4.14.1掺杂掺杂基本概念：

基本概念：

结深xj（JunctionDepth）；薄层电阻Rs（SheetResistance）；杂质固溶度（Solubility）4.14.1掺杂掺杂目的：

目的：

改变晶片电学性质，实现器件和电路纵向结构。

方式：

方式：

扩散（diffusion）、离子注入（ionimplantation）、合金、中子嬗变。

.高温扩散：

高温扩散：

一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由高温的扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高温与扩散时间来决定。

离子注入：

离子注入：

掺杂离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注入能量决定。

扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，因为二者互补不足，相得益彰。

因为二者互补不足，相得益彰。

例如，扩散可用于形成深结（deepjunction），如CMOS中的双阱（twinwell）；而离子注入可用于形成浅结（shaIlowjunction），如MOSFET中的漏极与源极4.14.1掺杂掺杂.4.14.1掺杂掺杂.杂质分布形状（dopingprofile）举例4.14.1掺杂掺杂.结深的定义结深的定义xj:

当x=xj处Cx（扩散杂质浓度）=CB（本体浓度）器件等比例缩小k倍，等电场要求xj同时缩小k倍同时要求xj增大在现代COMS技术中，采用浅结和高掺杂来同时满足两方面的要求4.14.1掺杂掺杂.薄层电阻薄层电阻RS（sheetresistance）方块电阻tlw薄层电阻定义为：

4.14.1掺杂掺杂8.方块时，lw，RRS。

所以，只要知道了某个掺杂区域的方块电阻，就知道了整个掺杂区域的电阻值。

重要性：

薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量杂质总量RS：

表面为正方形的半导体薄层，在电流方向呈现的电阻。

单位为/RS：

正方形边长无关4.14.1掺杂掺杂.物理意义：

物理意义：

薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量q电荷，载流子迁移率，n载流子浓度假定杂质全部电离，载流子浓度n=杂质浓度N则：

Q：

从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量4.14.1掺杂掺杂.杂质固溶度（杂质固溶度（dopantsolidsolubility）固溶度（solidsolubility）：

在平衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生反应形成分凝相的最大浓度。

电固溶度超过电固溶度的杂质可能形成电中性的聚合物，对掺杂区的自由载流子不贡献4.14.1掺杂掺杂.As在硅中的固溶度:

21021cm-3As的电学可激活浓度:

21020cm-34.14.1掺杂掺杂.掺入的杂质是电活性的，能提供所需的载流子，使许多微结构和器件得以实现。

掺杂的最高极限约1021atoms/cm3，最低1013atoms/cm34.14.1掺杂掺杂晶片器件作用杂质硅双极型晶体管及其IC隐埋区Sb,As隔离区B,Al基区B,P发射区P,As,P-As,B电阻B:

P开关管及高速IC提高开关速度Au,PtMOS晶体管及其IC源、漏、沟道、阱B:

P,As砷化镓MISIC，结型场效应晶体管及其IC半绝缘区H,O,Cr源、漏Zn,Be:

S,Si,Sn锗pnp管集电区、发射区In-Ga,Al.扩散原理扩散原理扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在约1000的高温、p型或n型杂质气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一种工艺方法，也叫热扩散。

固相固相扩散：

扩散：

扩散是一种自然现象，由物质自身的热运动引起。

微电子工艺中的扩散是杂质在晶体内的扩散，因此是一种固相扩散。

扩扩散散的的微微观观机机制制：

晶体内扩散是通过一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，有多种方式，最主要有：

填隙式扩散；替位式扩散；填隙填隙式扩散；替位式扩散；填隙-替位式扩散替位式扩散4.24.2扩散扩散.间隙式扩散（间隙式扩散（interstitialinterstitial）替位式扩散替位式扩散（substitutionalsubstitutional）间隙扩散杂质：

O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg替位扩散杂质：

As，Al，Ga，Sb，Ge。

替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前题B，P，一般作为替位式扩散杂质，实际情况更复杂，包含了硅自间隙原子的作用，称填隙式或推填式扩散4.24.2扩散扩散.填隙式（填隙式（interstitialassistedkick-out）interstitialassistedkick-out）或推填式扩散或推填式扩散（Interstitialcy-assited）Interstitialcy-assited）4.24.2扩散扩散.间隙原子间隙原子推填子推填子4.24.2扩散扩散.间隙式扩散：

Au,Ag,Cu,Fe,Ni等间隙原子必须越过的势垒高度EiEi约为0.61.2eV跳跃几率和温度有关振动频率010131014/s快扩散杂质T：

绝对温度，k：

玻尔兹曼常数4.24.2扩散扩散.在温度T，单位晶体体积中的空位数每一格点出现空位的几率为Nv/N，替位式原子必须越过的势垒高度为Es;Es约34eV跳跃几率为慢扩散杂质替位式扩散：

B,P,As,Sb等4.24.2扩散扩散.Ea：

本征扩散激活能，D0和温度弱相关，而主要取决于晶格几何尺寸和振动频率v0Ea小，间隙扩散Ea大，替位扩散本征扩散系数：

本征扩散系数：

当NA、NDni（在一定温度下）时，称为本征掺杂。

DD：

cmcm22/sec/sec4.24.2扩散扩散表观扩散系数：

表观扩散系数：

.D0（cm2/s）Ea（eV）B1.03.46In1.23.50P4.703.68As9.173.99Sb4.583.88半导体工艺中常用掺杂原子在单晶硅中的本征扩散系数和激活能AsAs的优势：

的优势：

小小DD，大固溶度，大固溶度4.24.2扩散扩散.4.24.2扩散扩散右图为在硅或右图为在硅或砷化镓中不同砷化镓中不同掺杂剂在低浓掺杂剂在低浓度时实测到的度时实测到的扩散系数在扩散系数在一般情况下，一般情况下，扩散系数的对扩散系数的对数值和绝对温数值和绝对温度的倒数成线度的倒数成线性关系性关系.扩散是微观粒子作无规则热运动的统计结果，这种运动总是由粒子浓度较高粒子浓度较高的地方向浓度低的地浓度低的地方方进行，而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。

扩散的原始驱动力是体系能量最小化。

扩散的宏观机制：

扩散的宏观机制：

（diffusionfromamacroscopicviewpoint）（diffusionfromamacroscopicviewpoint）扩散动力学4.24.2扩散扩散.费克第一定律费克第一定律C为杂质浓度（n/cm3），D为扩散系数（cm2/s）。

式中负号表示扩散是由高浓度处向低浓度处进行的（浓度有着负斜率，扩散朝着x的正向进行）浓度深度t1t24.24.2扩散扩散扩散方程扩散方程.费克第二定律费克第二定律浓度、时间、空间的关系单位体积内杂质原子数的变化量等于流入和流出该体积元的流量差A4.24.2扩散扩散t时间内该小体积内的杂质数目变化为这个过程中由于扩散进出该小体积的杂质原子数为.费克第二定律费克第二定律由假定D为常数扩散方程扩散方程4.24.2扩散扩散.特定边界条件下，扩散方程的解特定边界条件下，扩散方程的解11、稳态时，浓度不随时间变化、稳态时，浓度不随时间变化有如氧化剂在SiO2中的扩散4.24.2扩散扩散.22、恒定表面源扩散、恒定表面源扩散（constant-surface-concentration）（constant-surface-concentration）：

杂质原子由气态源传送到半导体表面，然后扩散进入杂质原子由气态源传送到半导体表面，然后扩散进入半导体硅晶片，在扩散期间，气态源维持表面质浓度恒半导体硅晶片，在扩散期间，气态源维持表面质浓度恒定为定为CCss边界条件：

C（x,0）=0,x0，C（0,t）=Cs，C（,t）=0实际工艺中，这种工艺称作“预淀积扩散”。

即气相中有无限量的杂质存在，可以保证在扩散表面的杂质浓度恒定。

解方程，得恒定扩散方程的表达式C（x,t）为某处t时的杂质浓度Cs为表面杂质浓度，取决于某种杂质在硅中的最大固溶度erfc称作“余误差函数余误差函数（complementaryerrorfunction）（complementaryerrorfunction）”4.24.2扩散扩散.erfc（x）=1-erf（x）余误差函数性质：

余误差函数性质：

对于x14.24.2扩散扩散.：

称为特征扩散长度称为特征扩散长度11）掺杂总量为）掺杂总量为A和Cs/CB有关D与温度T是指数关系,因此T对结深的影响要较t大许多22）扩散结深为）扩散结深为xxjj，则，则4.24.2扩散扩散30.33）杂质浓度梯度）杂质浓度梯度梯度受到Cs、t和D（即T）的影响。

改变其中的某个量，可以改变梯度，如增加Cs（As）。

在在p-np-n结处结处CCBB和和CCss一定时，一定时，xxjj越深，结处的梯度越小。

越深，结处的梯度越小。

4.24.2扩散扩散.余误差函数分布预淀积扩散预淀积扩散扩散时间越长，杂质扩散距离越深，进入衬底的杂质总量越多。

恒定表面源的扩散，其表面杂质浓度Cs基本由杂质在扩散温度（9001200C）下的固溶度决定，而固溶度随温度变化不大。

t1t2t3t1t2t3CB4.24.2扩散扩散3233、有限源扩散、有限源扩散（constant-total-dopant）（constant-total-dopant）：

一定量的杂质淀积在半导体表面，接着扩散进入硅晶片内。

杂质总量恒定为QT在整个扩散过程中，预淀积的扩散杂质总量作为扩散的杂质源，不再有新源补充。

如先期的预淀积扩散或者离子注入一定量的杂质，随后进行推进退火时发生的高温下扩散。

初始条件：

边界条件：

得到高斯分布CsDeltaDelta函数函数4.24.2扩散扩散.22）扩散结深）扩散结深11）表面浓度）表面浓度CCss随时间而减少随时间而减少33）浓度梯度）浓度梯度在在ppnn结处结处浓度梯度随着扩散深度（结浓度梯度随着扩散深度（结深）增加而下降深）增加而下降AA随时间变化随时间变化4.24.2扩散扩散.相同表面浓度归一化后，两种分布的比较瞬时间，二者相似4.24.2扩散扩散.高斯函数分布推进推进（drive-in）（drive-in）退火扩散退火扩散扩散时间越长，扩散越深，表面浓度越低。

扩散时间相同时，扩散温度越高，表面浓度下降越多。

用于制作低表面浓度的结和较深的p-n结。

t1t2t3t1t2600C5POCl3P2O5+3PCl52P2O5+5Si=5SiO2+4P（向硅中扩散）PCl5难分解，会腐蚀硅，故还要通入少量O24PCl5+5O22P2O5+10Cl2例：

预淀积:

1050CN2和O2再分布:

950CO24.24.2扩散扩散.33、固态源扩散：

、固态源扩散：

（B2O3，P2O5，BN等）舟惰性气体作为载气把杂质源蒸气输运到硅片表面，在扩散温度下，杂质化合物与硅反应生成单质杂质原子相硅内扩散。

4.24.2扩散扩散.锑的箱法扩散硅片与扩散源同放一箱内，在N2气保护下扩散源：

Sb2O3:

SiO2=1:

4（粉末重量比）2Sb2O3+3Si=4Sb+3SiO2片状固态氮化硼扩散活化处理4BN+3O22B2O3+2N2900C1h.通O2扩散2B2O3+3Si3SiO2+4BBN片与硅片大小相当，和硅片相间均匀放置在舟上。

不需载气，但以N2或Ar2保护。

4.24.2扩散扩散.44、旋涂掺杂法（、旋涂掺杂法（spin-on-glassspin-on-glass）用旋涂法在Si表面形成掺杂氧化层，然后在高温下杂质向硅中扩散。

源：

As（arsenosilica）；Sb（antimonysilica）；B（borosilica）；P（phosphorosilica）烘焙200C15分钟去处溶剂根据Rs和xj要求决定扩散温度和时间特点：

掺杂元素多浓度范围广4.24.2扩散扩散.扩散层质量检验扩散层质量检验薄层电阻测量薄层电阻测量结深测量结深测量掺杂分布测量掺杂分布测量4.24.2扩散扩散.四探针薄层电阻测量四探针薄层电阻测量四根探针何四个针尖都保持在一条直线上（linear），并以等压力压在半导体样品表面。

1和4称为电流探针，由稳压电源恒电流供电；3和4称为电位探针，测量这两个探针之间的电位差VItSSSSt时成立！

14324.24.2扩散扩散.结深测量结深测量磨角染色法（磨角染色法（bevelandstainbevelandstain）vpn结显示技术：

不同导电类型的区域，由于电化学势不同，经染色后显示出不同颜色。

v常用染色液：

HF与01HNO3的混合液，使p区的显示的颜色比n区深。

4.24.2扩散扩散.掺杂分布测量掺杂分布测量CCVV测量（测量（Capacitance-Capacitance-VoltageMeasurementVoltageMeasurement）测量结的反偏电容和电压的关系可以测得扩散层的掺杂分布。

VR1/C2对于均匀掺杂的单边突变结，结电容由下式给出：

s硅的介电常数;NB衬底掺杂浓度；Vbi结的内建势;VR反偏电压4.24.2扩散扩散二次离子质谱（二次离子质谱（SecondaryIonMassSecondaryIonMassSpectroscopy,SIMSSpectroscopy,SIMS）用高能离子束轰击样品，使用高能离子束轰击样品，使其产生正负二次离子，将这其产生正负二次离子，将这些二次离子引入质谱仪进行些二次离子引入质谱仪进行分析，再由检测系统收集，分析，再由检测系统收集，据此识别样品的组分。

据此识别样品的组分。

4.24.2扩散扩散.4.24.2扩散扩散.非本征扩散非本征扩散前面讨论对于恒定扩散系数而言，只发生在掺杂浓度低于扩散温度下的本征载流子浓度ni时（例如，T=1000时，硅的ni=51018cm-3，砷化镓的ni=51017cm-3）低浓度时的扩散系数就是其本征扩散系数。

当杂质浓度大于ni时，扩散系数变得与浓度有关，称为非本征扩散。

非本征扩散区内，同时扩散或相继扩散的杂质之间存在着相互作用和协同效应，使扩散更为复杂。

4.24.2扩散扩散.与浓度有关的扩散与浓度有关的扩散当基质原子离开晶格位置而产生空位，依照空位的电荷数，可有中性空位V0、受主空位V、双电荷受主V2、施主空位V+等。

可以预期，某种带电状态下的空位密度，有类似与载流子浓度的温度相关性。

如果杂质扩散以空位扩散为主，则D正比于空位密度。

低掺杂浓度时，EFEi，空位密度等于Ci而与杂质浓度无关。

正比与Ci的D也将和杂质浓度无关。

高掺杂浓度时，EF向导带底移动，指数项大于1，这是CV增大，进而是D变大。

如上图的右侧所示。

4.24.2扩散扩散.考虑扩散系数时，D可以写成：

Cs为表面浓度，Ds为表面扩散系数，是用来描述与浓度有关的参数。

扩散方程式为：

可将扩散方程式写成一常微分方程式并以数值法求解。

4.24.2扩散扩散.结深可以用下式表示4.24.2扩散扩散.扩散分布硅中的扩散硅内所测量到的D与杂质浓度的关系B和As，其1，曲线（c）所示，非常陡峭。

Au和Pt，-2，曲线（d）所示，呈一凹陷的形状。

P，与V2有关，D随C2而变化，分布解决曲线（b）所示。

但由于离解效应，扩散分布将呈现出不规则的形状。

4.24.2扩散扩散.磷在不同表面浓度下，在1000下扩散1h后的分布。

当表面浓度低时，相当于本征扩散，扩散分布是一个余误差函数曲线（a）随着浓度增加，分布变得与简单的表示法有差异曲线（b）及（c）在非常高浓度时曲线（d），在表面附近的分布确实近似于上图中的（b）曲线，然而在浓度为ne时，会有一个拐点产生；接着在尾区会有一个快速的扩散浓度ne发生在费米能级低于导带0.11eV时，在此能级时，彼此结合的杂质一空位对（P+V2-）会分解为P+、V-及一个电子这些分解会产生大量的单一电荷受主空位V-，这加速了尾部区的扩散在尾部区扩散系数超过10-12cm2s，此值比1000本征扩散系数约大两个数量级由于磷的高扩散系数，它通常被用来形成深结，如在CMOS中的n阱（n-tubs）4.24.2扩散扩散.在砷化镓中的锌扩散在砷化镓中的扩散会比在硅中要来得复杂，因为杂质的扩散包含砷和镓两种晶格原子移动。

空位在砷化镓扩散过程中扮演了一个主要角色，因为p型和n型杂质最终必须进驻晶格位置上，然而空位的荷电状态迄今尚未确定。

锌是砷化镓中最广为使用的扩散剂，它的D会随C2而变化，所以扩散分布如下图所示，是陡峭的。

并注意即使是最低表面浓度的情况，扩散型态也属于非本征扩散。

因为在1000时砷化镓的ni小于1018cm-3由图0可见，表面浓度对结深有重大影响扩散系数会随锌蒸气压呈线性变化，而表面浓度正比于分压的平方根，结深线性正比于表面浓度4.24.2扩散扩散.扩散相关工艺横向扩散扩散相关工艺横向扩散一维扩散方程基本能描述扩散工艺，但在掩蔽层的边缘例外，因为在边缘处杂质会向下、向横向扩散。

这时必须考虑二维的扩散方程式，并使用数值分析技术求得在不同初始与边界条件下的扩散分布。

显示一恒定表面初始浓度条件下的轮廓线，并假设D与浓度无关。

垂直渗透约为垂直渗透约为2.8m2.8m横向渗透约为横向渗透约为2.3m2.3m4.24.2扩散扩散.由于横向扩散作用，结包含了一个中央平面区及一个近似圆柱、曲率半径为rj的边。

此外，如果掩蔽层有尖锐的角，在这个角处的结将因横向扩散而近似与圆球状。

既然电场强度在圆柱与圆球结处较强，则该处雪崩击穿电压远低于有相同衬底掺杂的平面结处。

4.24.2扩散扩散例如，在CCs=10-4时（即衬底杂质浓度比表面浓度低104倍），我们从这个恒定表面浓度曲线可看出垂直渗透约为2.8m，而横向渗透（即沿着掩蔽层与半导体界面的渗透）约为2.3m因此，当浓度低于表面浓度达三个或更多的数量级时，其横向渗透约为垂直渗透的80对恒定掺杂总量扩散情况而言，也可得到相似的结果，横向渗透与垂直渗透的比约为75对与浓度有关的扩散系数而言，这个比例下降到约为65%70.什么是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离子注入的基本过程v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v在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）v以改变这种材料表层的物理或化学性质4.34.3离子注入离子注入86离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程。

注入能量介于1keV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm10m，离子剂量变动范围从用于阈值电压调整的1012/cm3到形成绝缘层的1018/cm3。

相对于扩散工艺，离子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。

高能的离子由于与衬底中电子和原子核的碰撞而失去能量，最后停在晶格内某一深度。

平均深度由于调整加速能量来控制。

杂质剂量可由注入时监控离子电流来控制。

主要副作用是离子碰撞引起的半导体晶格断裂或损伤。

因此，后续的退火处理用来去除这些损伤。

4.34.3离子注入离子注入离子注入特点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（1011-1018cm-2）和能量（1-400keV）来达到平面上杂质掺杂分布非常均匀（1%variationacrossan8wafer）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4.34.3离子注入离子注入.中等电流离子注入机示意图特点中等电流离子注入机示意图特点4.34.3离子注入离子注入.磁分析器磁分析器离离子子源源加速管加速管聚焦聚焦扫描系统扫描系统靶靶rBF3：

B+，B+，BF2+，F+,BF+，BF+B10B114.34.3离子注入离子注入90.a）a）源（源（SourceSource）：

）：

在半导体应用中，为了操作方便，一般采用气体源，如BFBF33，BClBCl33，PHPH33，AsHAsH33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（离子源（IonSourceIonSource）：

）：

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，射向磁分析器气体源：

BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，.离子源：

B，As，Ga，Ge，Sb，P，.4.34.3离子注入离子注入.离子注入过程是一个离子注入过程是一个非平衡非平衡过程，高能离子进入过程，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。

部分不在晶格上，因而没有电活性。

4.34.3离子注入离子注入.注入离子如何在体内静止？

注入离子如何在体内静止？

LSSLSS理论理论对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究19631963年，年，Lindhard,ScharffandSchiottLindhard,ScharffandSchiott首先确立首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称了注入离子在靶内分布理论，简称LSSLSS理论。

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：

独立的过程：

（1）

（1）核阻止（核阻止（nuclearstoppingnuclearstopping）；）；

（2）

（2）电子阻止电子阻止（electronicstoppingelectronicstopping）总能量损失为两者的和总能量损失为两者的和4.34.3离子注入离子注入.核阻止本领与电子阻止本领核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论理论阻止本领（阻止本领（stoppingpowerstoppingpower）：

）：

材料中注入离子材料中注入离子的能量损失大小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单位路程上注入离子