2014年掺杂技术-离子注入

2014年掺杂技术-离子注入第一页，共53页。1离子注入概述最早应用于原子物理和核物理研究提出于1950’s1970’s中期引入半导体制造领域第二页，共53页。所谓离子注入，就是在离子注入机(实际上是一个小型加速器)中把离子(例如N+、c+、o+、cr+、Ag+、Y+…等各种非金属、金属离子)加速成具有几万至几十万(甚至几百万)电子伏能量的束流，并注入于固体材料的表面。定义第三页，共53页。离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在高压下加速而获得很高的动能。

离子束的用途掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的离子能量E：

E<10

KeV

，刻蚀、镀膜

E=10~50

KeV，曝光

E>50

KeV，注入掺杂离子束的性质第四页，共53页。离子注入：离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中溅射：离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面

散射：而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去第五页，共53页。离子注入改性离子束材料改性，内容主要包括三个方面1、改善物理性能例如改善材料发面的电磁学及光学性能，提高超导的转变温度等；2．改善化学性能例如提高材料表面的抗腐蚀、抗氧化件能；3．改善机械性能例如改变材料表面的摩擦系数，提高表面硬度和抗磨损能力，改善材料的疲劳性能等。第六页，共53页。2离子注入系统

离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有BF3、AsH3和PH3等。一般情况下，离子源提供的是单电荷离子

质量分析器：不同离子具有不同的电荷质量比，因而在分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。

加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。

中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。第七页，共53页。聚焦系统：用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。偏转扫描系统：用来实现离子束x、y方向的一定面积内进行扫描。工作室：放置样品的地方，其位置可调。第八页，共53页。

2.1、离子源作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。第九页，共53页。离子注入系统示意图第十页，共53页。

2.2、质量分析系统1）、质量分析器由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E与B的方向相互垂直。O光阑第十一页，共53页。O光阑第十二页，共53页。离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的

荷质比qo

为对于某种荷质比为qo

的所需离子，可通过调节偏转电压

Vf或偏转磁场B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。（电子电量e和电子静质量m的比值（e/m）是电子的基本常数之一，又称电子比荷）通常是调节Vf

而不是调节B。第十三页，共53页。当荷质比为qo

的离子不被偏转时，具有荷质比为qs

=q/ms的其它离子的偏转量

Db

为O光阑第十四页，共53页。将前面的B的表达式代入Db，得第十五页，共53页。

讨论(1)为屏蔽荷质比为qs的离子，光阑半径D必须满足(2)若D固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽，而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，以上各式可用于评价质量分析器的分辨本领。第十六页，共53页。2）、磁质量分析器光阑1光阑2为向心力，使离子作圆周运动，半径为第十七页，共53页。从上式可知，满足荷质比的离子可通过光阑

2。或者对于给定的具有荷质比为qo的离子，可通过调节磁场B使之满足下式，从而使该种离子通过光阑2，另外，若固定r和Va

，通过连续改变B，可使具有不同荷质比的离子依次通过光阑2，测量这些不同荷质比的离子束流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。其余的离子则不能通过光阑2，由此达到分选离子的目的。第十八页，共53页。

两种质量分析器的比较在质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器则相反，所需离子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。第十九页，共53页。离子注入过程：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。平均投影射程第二十页，共53页。

射程：离子从入射点到静止点所通过的总路程。平均射程：射程的平均值，记为

R。投影射程：射程在入射方向上的投影长度，记为xp。

平均投影射程：投影射程的平均值，记为RP。

标准偏差：第二十一页，共53页。在实际工作中，平均投影射程RP(Å)及标准偏差RP(Å)与注入能量(KeV)的关系可从表查到。

第二十二页，共53页。3离子注入的特点3.1.特点可以独立控制杂质分布（离子能量）和杂质浓度（离子流密度和注入时间）各向异性掺杂容易获得高浓度掺杂（特别是：重杂质原子，如P和As等）。第二十三页，共53页。3.2.离子注入与扩散的比较扩散离子注入第二十四页，共53页。扩散离子注入高温900－1200℃低温室温或低于400℃各向同性各向异性不能独立控制结深和浓度可以独立控制结深和浓度1.3.2.注入与扩散的比较第二十五页，共53页。3.3.离子注入控制离子束流密度和注入时间控制杂质浓度（注入离子剂量）离子能量控制结深杂质分布各向异性第二十六页，共53页。注入剂量的测量和控测设靶片注入面积为A，则单位面积的注入离子数(称注入剂量)为D=N/A=ic△t/(A.n.e)式中ic为注入离子的束流强度，单位：安培，当ic恒定时，可由微安表读出；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。第二十七页，共53页。离子注入时离子束的能量由引出电压的高低来决定，其计算公式为：E=Z.U.eE:Kev(千电子伏特）Z：离子电荷态U：加速电压KVe：一个电子所带电量1.6×10-19C第二十八页，共53页。半导体掺杂用离子注入机的能量范围为20～400千电子伏。硼离子注入硅的注入深度一般在1微米以下，束流强度为几十至几百微安为了获得特定的注入浓度和杂质分布，需要正确选择注入剂量和能量。第二十九页，共53页。3.4.阻止机制典型离子能量：5～500keV离子注入衬底，与晶格原子碰撞，逐渐损失其能量，最后停止下来两种阻止机制：核碰撞和电子碰撞第三十页，共53页。核阻止–与晶格原子的原子核碰撞–大角度散射（离子与靶原子质量同数量级）–可能引起晶格损伤（间隙原子和空位）.电子阻止–与晶格原子的自由电子及束缚电子碰撞–注入离子路径基本不变–能量损失很少–晶格损伤可以忽略3.4.阻止机制

两种阻止机制第三十一页，共53页。4注入损伤注入离子将能量转移给晶格原子–产生自由原子（间隙原子－空位缺陷对）自由原子与其它晶格原子碰撞–使更多的晶格原子成为自由原子–直到所有自由原子均停止下来，损伤才停止一个高能离子可以引起数千个晶格原子位移第三十二页，共53页。注入损伤过程离子与晶格原子碰撞，使其脱离晶格格点衬底注入区变为无定型结构注入前注入后第三十三页，共53页。5退火的作用杂质原子被激活高温热能帮助无定型原子恢复单晶结构第三十四页，共53页。退火前后的比较退火前退火后第三十五页，共53页。退火有两种方式。①高温（约900℃）热退火为常用的方式。在集成电路工艺中，这种退火往往与注入后的其他高温工艺一并完成。这些高温工艺会引起杂质的再一次扩散，从而改变原有的杂质分布，在一定程度上破坏离子注入的理想分布，高温过程也可使过饱和的注入杂质失活。第三十六页，共53页。②瞬态高温退火是正在研究和推广的退火方式。这种方式包括激光、电子束或红外辐照等瞬态退火。这种方法虽属高温，但在极短时间内(小于几秒)加热晶体，既能使晶体恢复完整性，又可避免发生明显的杂质扩散。第三十七页，共53页。1、可控性好，离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；2、可以获得任意的掺杂浓度分布；3、注入温度低，一般不超过

400℃，退火温度也在

650℃

左右，避免了高温过程带来的不利影响，如结的推移、热缺陷、硅片的变形等；4、结面比较平坦；

6离子注入优缺点：优点5、工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底中，也可以采用多种材料作掩蔽膜，如SiO2、金属膜或光刻胶等；第三十八页，共53页。6、均匀性和重复性好；7、横向扩展小，有利于提高集成电路的集成度、提高器件和集成电路的工作频率；8、可以用电的方法来控制离子束，因而易于实现自动控制，同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术；9、扩大了杂质的选择范围；10、离子注入中通过质量分析器选出单一的杂质离子，保证了掺杂的纯度。第三十九页，共53页。离子注入的缺点1、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷；2、离子注入难以获得很深的结深；3、离子注入的生产效率比扩散工艺低；3、离子注入系统复杂昂贵。第四十页，共53页。7、离子注入应用1）离子注入机应用于掺杂工艺

离子注入首先是作为一种半导体材料的掺杂技术发展起来。在半导体工艺技术中，离子注入具有高精度的剂量均匀性和重复性，可以获得理想的掺杂浓度和集成度，使电路的集成、速度、成品率和寿命大为提高，第四十一页，共53页。2）、离子注入应用于金属材料改性

70年代以后，离子注入在金属表面改性方面的应用迅速发展。改变材料表层的化学成份、物理结构和相态，从而改变材料的力学性能、化学性能和物理性能。如材料的声学、光学和超导性能，提高材料的工作硬度、耐磨损性、抗腐蚀性和抗氧化性，最终延长材料工作寿命。第四十二页，共53页。MEVVA源离子注入MEVVA源：金属蒸汽真空弧离子源这是上世纪80年代中期由美国加州大学伯克利分校的布朗博士发明。第四十三页，共53页。多功能离子注入机第四十四页，共53页。MEVVA源离子注入机的突出优点(1)对元素周期表上的固体金属元素(含碳)都能产生10毫安量级的强束流；(2)离子纯度取决于阴极材料的纯度，因此可以达到很高的纯度，同时可以省去昂贵而复杂的质量分析器；(3)金属离子一般有几个电荷态，这样可以用较低的引出电压得到较高的离子能量，而且用一个引出电压可实现几种能量的叠加(离子)注入第四十五页，共53页。(4)束流是发散的，可以省去束流约束与扫描系统而达到大的注入面积其革命性主要表现在两个方面一是它的高性能一是使离子注入机的结构大大简化，主要由离子源、靶室和真空系统这三部分组成第四十六页，共53页。MEVVA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