离子注入解析课件

1、第5章 离子注入内容5.1 概述5.2 离子注入原理 5.3 等离子体基离子注入（PBII）基本原理5.4 离子渗氮基本原理及工艺什么是离子注入 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,掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定 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，获得较高的动能注入材料表层（靶）以改变这种材料表层的物理或化学性质5.1 概述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（1011-1017 cm-2）和能量（5-500 k

2、eV）来达到,均匀性及重复性很好同一平面上杂质掺杂分布非常均匀（1% variation across an 8 wafer）非平衡过程，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通过质量分析器选取，纯度高，能量单一低温过程（因此可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质）；避免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂(高温热扩散时化合物组分会变化)；横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小结合牢固，无黏附破裂或剥落等问题注入层薄，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，如真空室、高压、有毒气体

3、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。离子注入应用：注入的粒子流：非金属元素：N、C、B等；耐蚀抗磨金属元素：Ti、Cr、Ni等；固体润滑元素：S、Mo、Sn、In等；耐高温元素：Ir其它： 稀土元素R：射程（range） 离子在靶内的总路线长度 Xp：投影射程（projected range） R在入射方向上的投影射程分布： 平均投影射程Rp， 标准偏差Rp， 横向标准偏差R5.2离子注入原理LSS理论对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究1963年，Lindhard, Sc

4、harff 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) 核碰撞（nuclear stopping） (2) 电子碰撞 （electronic stopping）阻止本领（stopping power）：材料中注入离子的能量损失大小。离子注入相关理论基础核碰撞：能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。核阻止本领能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。核碰撞碰撞参数pr

5、1+r2EOR damage（射程终点损伤）Courtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002).实际上高能离子入射到衬底时，一小部分与表面晶核原子弹性散射，而从衬底表面反射回来，未进入衬底，这叫背散射现象. 影响注入离子分布的因素离子注入工艺技术离子注入法能用对离子束电流量及电压的控制来改变掺杂的浓度与深度，已取代传统的热扩散工艺，成为超大规模IC最主要的掺杂工艺。电流范围：中电流12mA；高电流1030mA能量范围：10200KeV工艺参数：杂质种类、杂质注入浓度、杂质注入深度设备参数：弧光反应室的工作电压与电流、热灯丝电流、离子分离装置的分离电压及电流、质

6、量分析器的磁场强度、加速器的加速电压、扫描方式及次数注入离子浓度由离子束的电流、晶片经离子束扫描的次数和速度等决定。注入前把晶片送入热管炉热氧化生长一层2040nm的二氧化硅，防止沟道效应。Ion ImplanterPhotograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side离子注入设备中科院沈阳科仪真空室尺寸：10001200漏 率： 3.7510-7 PaL/S真空室极限真空度：3.7510-5 Pa5.3 等离子体基离子注入（PBII）基本原理原理：采用热阴极、射频（RF）、电子回旋共振（ECR）

7、、金属蒸汽真空放电（MeVVA）等方法产生弥漫在整个真空室内PBII所需的等离子体，使工件直接湮灭在等离子体中。形成鞘层后，以工件为阴极，真空室壁为阳极，施加一高压脉冲，工件表面附近电子被逐出，正离子在电场作用下被加速，射向工件表面并注入工件表面。上图是PB装置示意图。设备由真空室、进气系统、等离子体源、等离子体、真空泵系统、电绝缘工件台和脉冲高压电源组成。在PB加工时，先将工件置于真空室内，由于等离子体中电子的运动速度远大于正离子速度，因此由于热运动而随机投向工件表面的电子流量要比正离子大得多，于是将形成近工件表面处富集电子而近等离子体侧则富集正离子所谓Langmuir鞘层。然后以工件为阴极

8、，真空室壁为阳极，施加一高电压脉冲。在此瞬时，工件表面附近电子被逐出，而正离子在电场作用下被加速，射向工件表面并注入工件表面。 目前等离子体基离子注入已不仅局限于气体介质的离子注入(GaPB)，而且可以进行金属的注入(MePB)，以及金属和气体离子多元离子复合注入。通常MePB的设备要比GaPB的复杂；其金属离子往往大于一价，而GaPB的离子一般为一价或半价；而且MePB能提供较大的剂量，高斯浓度分布不明显。因此气体介质和金属离子的PB技术尚存在一定区别。 特点：除具有离子注入的特点外，还具有：克服视线加工的局限，实现全方位注入；高效率，操作控制安全方便；批量生产。可形成独立离子注入系统每个工

9、件与其周围的等离子鞘层；生产成本降低。 设备不需旋转和往复，故可去掉复杂的移动靶台和等离子束扫描装置。应用：铝合金基体注氮，形成AlN相，提高硬度、耐磨性；Ti-6Al-4V，304不锈钢注碳（甲烷），提高摩擦和抗腐蚀性能；硅片上沉积类金刚石膜（DLC）甲烷、乙炔作工作气，表面光滑，最高硬度可达20.3GPa；硅片上沉积氟化非晶碳膜氟苯为工作气，提高抗腐蚀能力；毫米尺寸的不锈钢管和镍管乙炔为工作气。展望：层浅问题制约其发展的障碍所在；与其他镀膜方法如PVD、CVD等相结合，采用复合的注入与沉积技术；设备朝着多元化、大电流、高电压、高温、大体积、多功能化的方向发展5.4 离子渗氮基本原理及工艺5

10、.4.1 目的：氮元素渗入金属表层，从而改变金属表层的化学成分，使之具有高的耐磨性、疲劳强度、抗蚀能力及抗烧伤性等。定义：在压力为10-3-10-2Torr的渗氮气氛中（N2-H2或NH3或纯N2），利用工件（阴极）和阳极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行渗氮的工艺。必要条件：真空稀薄含氮气体辉光放电离子渗氮设备：电源系统、真空炉体、气体动态平衡的供气和抽气系统三大部分组成。离子渗氮炉渗氮工件渗氮钢中加入合金元素的主要作用：形成合金氮化物，使硬度、耐磨性增加；（硬度高、熔点高、脆性大）结合性由弱到强：NiCo Fe Mn Cr Mo W Nb V Ti Zr溶入-Fe中，提高-Fe的固氮能力，产生

11、固溶强化作用；影响氮在Fe中的扩散系数和表面吸氮能力；W、Mo、Cr、V影响氮在Fe中的扩散系数及表面吸氮能力；碳：含碳量增高，渗氮困难，厚度愈小；合金元素：Mo、W、V、Ti，使渗速减缓，但浓度上升快；Ti、V、Mo、W、Cr，加速渗氮速度；Al、Cr，提高硬度；Mn、Cr、Ni，提高淬透性。改变钢的临界点，从而改变渗氮温度；钼的加入，阻止在渗氮温度下Cr-Ni钢产生第二类回火脆性；碳的含量以保证基体有足够的强度为原则。5.4.2 渗氮理论溅射与沉积理论1965年，J. kolbel提出分子分离理论1973年，M. Hudis提出中性氮原子模型1974年，Grav.G.Tibbetts提出溅

12、射与沉积理论通过反应阴极溅射形成，工件为阴极，炉体为阳极，N+、H + 、NH3 +等正离子在阴极位降区被加速，轰击工件（阴极）表面。其动能消耗于：转化为热能加热工件；打出电子，产生二次电子发射；阴极溅射，打出C、N、O、Fe等，而Fe与阴极附近活性N原子形成FeN，由于背散射又沉积到阴极表面，在离子轰击和热激活作用下，FeN Fe2N Fe3N Fe4N，分解析出N原子大部分向钢铁内渗入，一部分返回等离子区。分子分离理论在离子渗氮中，虽然溅射很明显，然而不是主要的控制因素，对渗氮起决定作用的是氮氢分子离子化的结果，并认为单粒子也可以渗氮，但渗层不那么硬，且硬度较浅。中性氮原子模型对离子渗氮起

13、作用的实质上是中性氮原子， NHj +分子离子的作用是次要的，但其并未指出活性的中性氮原子是如何产生的。对渗氮过程的理论分析讨论应该为如下过程：离子渗氮与气体渗氮的氮渗入机理是不同的；氮从气相转移到固相并不限于一种途径，可以是溅射效应、氮氢分子离子效应、中性氮原子效应，也可以是三者兼而有之。哪种作用是主要的，靠不同放电条件（气体种类、成分、压力、电压）而定。5.4.3 离子渗氮主要优缺点优点（与气体渗氮相比）：渗氮速度快；渗氮层厚度为0.3-0.5mm时，时间仅为普通气体渗氮的1/3-1/5。机理：离子轰击阴极时，N+在阴极压降区被加速，使之具有很高能量；离子渗氮加速氮原子扩散原因：离子渗氮时

14、，金属表面的活性氮浓度（氮势）高于气体渗氮，而且氮扩散路径也有所不同，气体渗氮初期沿晶界扩散为主，但晶界上有较多碳化物，扩散过程中形成碳氮化合物，阻止了氮的进一步扩散；离子渗氮除晶界扩散外，还有晶内扩散，在晶内碳化物较少，且扩散面积大，不易引起碳氮化合物堵塞作用，因此加速了氮的扩散过程。渗氮层厚度易控制，脆性小；属于无公害热处理方式；节约能源、气源；变形小；适用于不锈钢渗氮由于阴极溅射作用可去除表面钝化膜，故可省去气体渗氮时去钝化膜工序缺陷（不足之处）：不同形状、尺寸、材料的零件混合装炉渗氮时，要使工件温度均匀一致比较困难，对形状不规则难以放置的零件、深孔件等需设计专用夹具；离子渗氮设备较复杂，价格也较贵；准确测量零件温度较困难。5.4.4 离子渗氮设备中的灭弧装置作用：避免辉光弧光放电转化主要形式：限流电阻限制弧光电流和短路电流最大值；限制灭弧电容的充电电容值，保证电感电容振荡；电源电压脉动大，或炉内气压变