离子注入实验报告

1、离子注入实验报告1 离子注入简介离子注入是一种将离子在电场里加速，并嵌入到另一固体的材料科学。这个过程用于改变该固体的物理、化学或电子性质。离子注入用在半导体器件制造和某些材料科学研究。离子注入可以导致核转变，又或改变其晶体结构。离子注入技术是20 世纪60 年代开始发展起来的一种在很多方面都优于扩散方法的掺杂工艺。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。在集成电路制造中，多道掺杂工艺均采用离子注入技术，特别是集成电路制造中的隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断、调整阈值电压用的沟道掺杂、CMOS阱的形成以及源漏区域的形成等主要工序都采用离子注入法进行掺杂。目前离子注入技术已经成

2、为甚大规模集成电路制造中主要的掺杂工艺。2 离子注入原理2.1 离子注入的基本原理其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。一般的说,离子能量在15KeV的称为离子镀；0.1-50KeV称作离子溅射；一般称10几百KeV的称为离子注入。3 离子注入设备3.1 设备组成离子注入设备通

3、常由离子源、分析器、加速聚焦系统和靶室等组成。如图1所示。图1 离子注入设备示意图3.2 离子源离子源由产生高密度等离子体的腔体和引出部分（吸极）组成。目前已研制出多种类型的离子源：高频等离子源J_CH1_1_1_1、弧放电离子源J_CH1_1_1_2、PIG离子源（潘宁源）J_CH1_1_1_3、双等离子源J_CH1_1_1_4、双彭源J_CH1_1_1_5、转荷型负离子源J_CH1_1_1_6、溅射型负离子源J_CH1_1_1_7等。目前离子源技术还在不断地发展着。环形双等离子体离子源大型双彭源已可提供百安级的氢正离子流。磁控管型负离子源已得到安培级的氢负离子束。一些小型离子源则具有低能散

4、低功耗低气耗长寿命等特色。在产生多电荷重离子束的实验装置（如电子回旋共振离子源电子束离子源）中都已得到电荷态很高的重离子。这些新型装置已逐渐被回旋加速器所采用。而能产生高温等离子体的利用惯性约束的激光离子源也产生了高电荷态离子。离子注入对离子源的要求：能产生多种元素离子；有适当的束流强度；结构简单、束流调节方便、稳定、寿命长；引出束分散小、离子能量分散小。3.3 分析器分子包括两种：离子分析器。离子源产生的离子束中往往有几种离子。用分析器可以从这些离子中选择出所需要的。磁分析器：在离子通道上加磁场，离子在磁场中偏转。磁场一定时离子在磁场中的运动半径由离子的荷质比和能量决定。让选中离子的偏转半径

5、正好可以准直地进入管道。3.4 加速聚焦系统3.5 靶室放置、取出样品。可以有给样品加温的装置。4 离子注入特点1） 离子注入是在高真空和较低的工艺温度下进行，是一种纯净的无公害的表面处理技术。2） 注入到硅中的掺杂原子数目可以被精确的进行控制，同一平面内的杂质重复性和均匀性可精确控制在±1内。离子注入技术的这一优点在甚大规模集成电路制造中尤为重要。3） 离子注入深度是随离子能量的增加而增加，因此掺杂深度可通过控制离子束能量高低来实现。对于突变型的杂质分布、浅结的制备，采用离子注入技术很容易实现。4） 离子注入是一个非平衡过程，不受到杂质在衬底材料中的固溶度限制，原则上对多种元素均可

6、掺杂，这就使掺杂工艺灵活多样，适应性强。离子注入的优点：多样性：原则上任何元素都可以作为注入离子；形成的结构可不受热力学参数（扩散、溶解度等）限制；不改变：不改变工件的原有尺寸和粗糙度等；适合于各类精密零件生产的最后一道工序；牢固性：注入离子直接和材料表面原子或分子结合，形成改性层，改性层和基底材料没有清晰的界面，结合牢靠，不存在脱落的现象；不受限：注入过程在材料温度低于零下、高到几百上千度都可以进行；可对那些普通方法不能处理的材料进行表面强化，如塑料、回火温度低的钢材等；1优点A.半导体领域（1）注入杂质不受靶材料固溶度的限制（2）杂质的面密度和掺杂深度精确可控（3）横向扩散小，适合制作浅结

7、。（4）大面积均匀性好（5）掺杂纯度高（6）能够穿透一定的掩蔽膜（7）在化合物半导体工艺中有特殊意义B金属改性和加工（8）被加工零件不易变形，尺寸不发生变化（9）可注入元素多、能产生新相、无废液污染（10）离子镀膜可以使膜层与基体结合牢固C生物（11）可以给生物注入部分施加离子、能量、电荷等多种作用。有较高的诱变几率。2离子注入（半导体）的缺点（1）设备复杂，价格昂贵（2）不可避免地产生各种缺陷（3）制作深结有一定的困难5 离子注入表征5.1 射程、平均投影射程和标准偏差射程：入射离子在把材料中所经过的路程投影射程：入射离子在把材料中的最后位置在入射方向的投影长度。用Xp表示，如图2所示。图2

8、 入射离子运动示意图平均投影射程：大量离子投影射程的平均值。用Rp表示。标准偏差Rp： Rp=(Xp-R p)2N . . . . . .（N为入射离子总数）5.2 离子注入分布离子经过一系列碰撞后停留在表面以下某一位置的几率称为离子注入的分布。（1）用高斯分布来描述离子注入分布Nx=Nmaxexp(-(x-Rp2Rp)2)Nmax=D2Rp，D杂质注入剂量(杂质面密度)。Rp、Rp与离子和靶材料的种类以及离子能量有关，可以通过查表得到。（2）结深PN结到样品表面的距离。即满足N(x)衬底掺杂浓度的x。由于N(x)随x的变化非常剧烈，可以用下式估算结深：xj=R p+4R p5.3 离子注入引

9、起的损伤离子入射到靶材料中，与晶格原子发生多次猛烈碰撞，使原子从它们的晶格位置上产生位移并获得能量。离子和移位原子和其它原子继续发生碰撞。这样在离子路径上产生了高畸变区。当入射离子的面密度（入射离子剂量）达到一定值时，畸变区重叠形成非晶层。5.3.1 离子注入引起的点缺陷（1）空位（2）空位和半导体原子的复合体（3）“空位氧原子”复合体（4）双空位这些缺陷都有一定的能级。其能级可以通过测量得到。5.3.2 临界剂量刚刚能产生非晶层时的入射离子的剂量（面密度）称为临界剂量。临界剂量与入射粒子的种类、靶材料等因素有关。一些离子注入硅的临界剂量如下表：表1一些离子注入硅的临界剂量注入离子BAl, P

10、Ga, AsIn, SbTi, Bi临界剂量/1014cm-22005210.55.3.3 离子注入损伤分布某一点损伤的密度与该点入射离子淀积给靶材料的能量密度成正比的。因此可以通过计算离子在靶内的能量淀积分布函数来表征离子注入引起的损伤分布。有不同的方法计算离子注入损伤。结果表示也不尽相同。可以用高斯分布来表示能量淀积函数E(x)的分布。Ex=Emaxexp(-(x-xD2RD)2)其中Emax=XD2XD, XD和XD为损伤分布的的投影射程和标准偏差。XD一般小于Rp；与离子的质量、能量等因素有关。5.4 离子注入样品的退火5.4.1 退火及其作用将样品加热到一定温度，并且保持一定时间的工

11、艺称为退火。退火工艺有着广泛的应用。在一定的高温下，离子注入样品中的稳定的缺陷群可以分解成结构比较简单的缺陷；缺陷能以比较高的速度移动，逐渐湮灭或者被晶体中的位错、杂质或表面吸收。非晶层存在时，晶体可以沿着“晶体非晶层” 界面生长。消除缺陷，恢复晶格是退火的作用之一。在退火过程中间隙杂质运动到晶格位置能够为半导体稳定提供载流子。激活杂质是退火的作用之二。5.4.2 退火的方式 （1）热退火给样品加热升温达到退火的目的称为热退火。特点：成本低；退火时间长；晶格恢复不太好、杂质扩散严重。（2）激光退火激光照射样品使其加温达到退火的目的称为激光退火。分为脉冲激光退火和连续激光退火。激光脉冲退火的机理

12、是：脉冲激光照射样品，样品表层经历如下过程：短时间内温度升高à熔化à冷却à再结晶à固-液表面推进到表面。从而使晶格恢复，杂质激活。脉冲激光退火的特点：杂质的电激活率高；损伤恢复好；效率低。连续激光退火的机理：固相外延再结晶。连续激光退火的特点：退火过程中杂质分布发生变化很小，某些效果比热退火好；效率低。（3）电子束退火机理和连续激光退火一样。分为脉冲电子束和连续电子束退火。比较激光退火，电子束退火的束斑均匀性好，能量转换效率高；可能在样品中引入缺陷，使用受限制。（4）红外快速等温退火和白光快速退火在真空中将石墨块加热到12001300作为红外源，样品在红

13、外光的照射下迅速被加热达到退火的目的。白光快速退火指用大功率白炽灯作为加热源加热样品达到退火的目的。红外快速等温退火和白光快速退火的特点：时间短，杂质扩散小；效率高；均匀性和重复性好。白光快速退火升温时间更快，设备简洁；不适合进行连续长时间加热的退火。6 离子注入的应用这项高新表面处理技术的优越性、实用性及其广阔的市场前景已被越来越多的部门和单位所赏识，得到越来越广泛的应用。根据多年来的研究与开发，同时借鉴国际上的新进展，M EVVA源金属离子注入特别适用于以下几类工模具和零部件的表面处理：（1）金属切削工具（包括各种用于精密加工和数控加工中使用的钻、铣、车、磨等工具和硬质合金工具），一般可以提高使用寿命3-10倍；（2）热挤压和注塑模具，可使能耗降低20%左右，延长使用寿命10倍左右；（3）精密运动耦合部件，如抽气泵定子和转子，陀螺仪的凸轮和卡板，活塞、轴承、齿轮、涡轮涡杆等，可大幅度地降低摩擦系数，提高耐磨性和耐