第1章離子注入（IonImplantation）1、離子注入概述2、離子注入系統(tǒng)3、離子注入的特點(diǎn)4、注入損傷5、退火的作用6、離子注入優(yōu)缺點(diǎn)7、離子注入應(yīng)用1離子注入概述最早應(yīng)用于原子物理和核物理研究提出于1950’s1970’s中期引入半導(dǎo)體制造領(lǐng)域所謂離子注入，就是在離子注入機(jī)(實(shí)際上是一個(gè)小型加速器)中把離子(例如N+、c+、o+、cr+、Ag+、Y+…等各種非金屬、金屬離子)加速成具有幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)(甚至幾百萬(wàn))電子伏能量的束流，并注入于固體材料的表面。定義離子束是一種帶電原子或帶電分子的束狀流，能被電場(chǎng)或磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，能在高壓下加速而獲得很高的動(dòng)能。

離子束的用途摻雜、曝光、刻蝕、鍍膜、退火、凈化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的離子能量E：

E<10

KeV

，刻蝕、鍍膜

E=10~50

KeV，曝光

E>50

KeV，注入摻雜離子束的性質(zhì)離子注入：離子束射到固體材料以后，受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低下來(lái)，并最終停留在固體材料中濺射：離子束把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面

散射：而當(dāng)離子束射到固體材料時(shí)，從固體材料表面彈了回來(lái)，或者穿出固體材料而去離子注入改性離子束材料改性，內(nèi)容主要包括三個(gè)方面1、改善物理性能例如改善材料發(fā)面的電磁學(xué)及光學(xué)性能，提高超導(dǎo)的轉(zhuǎn)變溫度等；2．改善化學(xué)性能例如提高材料表面的抗腐蝕、抗氧化件能；3．改善機(jī)械性能例如改變材料表面的摩擦系數(shù)，提高表面硬度和抗磨損能力，改善材料的疲勞性能等。2離子注入系統(tǒng)

離子源：用于離化雜質(zhì)的容器。常用的雜質(zhì)源氣體有BF3、AsH3和PH3等。一般情況下，離子源提供的是單電荷離子

質(zhì)量分析器：不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。

加速器：為高壓靜電場(chǎng)，用來(lái)對(duì)離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個(gè)重要參量。

中性束偏移器：利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。聚焦系統(tǒng)：用來(lái)將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)：用來(lái)實(shí)現(xiàn)離子束x、y

方向的一定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。工作室：放置樣品的地方，其位置可調(diào)。

2.1、離子源作用：產(chǎn)生所需種類的離子并將其引出形成離子束。分類：等離子體型離子源、液態(tài)金屬離子源（LMIS）。離子注入系統(tǒng)示意圖

2.2、質(zhì)量分析系統(tǒng)

1）、質(zhì)量分析器由一套靜電偏轉(zhuǎn)器和一套磁偏轉(zhuǎn)器組成，E

與B

的方向相互垂直。O光闌O光闌離子不被偏轉(zhuǎn)。由此可解得不被偏轉(zhuǎn)的離子的

荷質(zhì)比qo

為對(duì)于某種荷質(zhì)比為

qo

的所需離子，可通過(guò)調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓

Vf

或偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B，使之滿足下式，就可使這種離子不被偏轉(zhuǎn)而通過(guò)光闌。（電子電量e和電子靜質(zhì)量m的比值（e/m）是電子的基本常數(shù)之一，又稱電子比荷）通常是調(diào)節(jié)Vf

而不是調(diào)節(jié)

B。當(dāng)荷質(zhì)比為

qo

的離子不被偏轉(zhuǎn)時(shí)，具有荷質(zhì)比為qs

=q/ms

的其它離子的偏轉(zhuǎn)量

Db

為O光闌將前面的

B的表達(dá)式代入Db，得

討論

(1)為屏蔽荷質(zhì)比為

qs

的離子，光闌半徑

D必須滿足

(2)若D

固定，則具有下列荷質(zhì)比的離子可被屏蔽，而滿足下列荷質(zhì)比的離子均可通過(guò)光闌，以上各式可用于評(píng)價(jià)質(zhì)量分析器的分辨本領(lǐng)。

2）、磁質(zhì)量分析器光闌1光闌2為向心力，使離子作圓周運(yùn)動(dòng)，半徑為從上式可知，滿足荷質(zhì)比的離子可通過(guò)光闌

2?；蛘邔?duì)于給定的具有荷質(zhì)比為qo

的離子，可通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)B

使之滿足下式，從而使該種離子通過(guò)光闌2，另外，若固定

r

和Va

，通過(guò)連續(xù)改變B

，可使具有不同荷質(zhì)比的離子依次通過(guò)光闌2，測(cè)量這些不同荷質(zhì)比的離子束流的強(qiáng)度，可得到入射離子束的質(zhì)譜分布。其余的離子則不能通過(guò)光闌2，由此達(dá)到分選離子的目的。

兩種質(zhì)量分析器的比較在質(zhì)量分析器中，所需離子不改變方向，但在輸出的離子束中容易含有中性粒子。磁質(zhì)量分析器則相反，所需離子要改變方向，但其優(yōu)點(diǎn)是中性粒子束不能通過(guò)。離子注入過(guò)程：入射離子與半導(dǎo)體（靶）的原子核和電子不斷發(fā)生碰撞，其方向改變，能量減少，經(jīng)過(guò)一段曲折路徑的運(yùn)動(dòng)后，因動(dòng)能耗盡而停止在某處。平均投影射程

射程：離子從入射點(diǎn)到靜止點(diǎn)所通過(guò)的總路程。平均射程：射程的平均值，記為

R

。

投影射程：射程在入射方向上的投影長(zhǎng)度，記為

xp

。

平均投影射程：投影射程的平均值，記為RP。

標(biāo)準(zhǔn)偏差：在實(shí)際工作中，平均投影射程RP(?)及標(biāo)準(zhǔn)偏差

RP(?)與注入能量

(KeV)的關(guān)系可從表查到。

3離子注入的特點(diǎn)3.1.特點(diǎn)可以獨(dú)立控制雜質(zhì)分布（離子能量）和雜質(zhì)濃度（離子流密度和注入時(shí)間）各向異性摻雜容易獲得高濃度摻雜（特別是：重雜質(zhì)原子，如P和As等）。3.2.離子注入與擴(kuò)散的比較擴(kuò)散離子注入擴(kuò)散離子注入高溫900－1200℃低溫室溫或低于400℃各向同性各向異性不能獨(dú)立控制結(jié)深和濃度可以獨(dú)立控制結(jié)深和濃度1.3.2.注入與擴(kuò)散的比較3.3.離子注入控制離子束流密度和注入時(shí)間控制雜質(zhì)濃度（注入離子劑量）離子能量控制結(jié)深雜質(zhì)分布各向異性注入劑量的測(cè)量和控測(cè)設(shè)靶片注入面積為A，則單位面積的注入離子數(shù)(稱注入劑量)為

D=N/A=ic△t/(A.n.e)式中ic為注入離子的束流強(qiáng)度，單位：安培，當(dāng)ic恒定時(shí)，可由微安表讀出；t是注入時(shí)間，單位是秒；e是電子電荷1.6×10-19C；n是電荷數(shù)量；A是注入面積。離子注入時(shí)離子束的能量由引出電壓的高低來(lái)決定，其計(jì)算公式為：

E=Z.U.e

E:Kev(千電子伏特）Z：離子電荷態(tài)U：加速電壓KVe：一個(gè)電子所帶電量1.6×10-19C半導(dǎo)體摻雜用離子注入機(jī)的能量范圍為20～400千電子伏。硼離子注入硅的注入深度一般在1微米以下，束流強(qiáng)度為幾十至幾百微安為了獲得特定的注入濃度和雜質(zhì)分布，需要正確選擇注入劑量和能量。3.4.阻止機(jī)制典型離子能量：5～500keV離子注入襯底，與晶格原子碰撞，逐漸損失其能量，最后停止下來(lái)兩種阻止機(jī)制：核碰撞和電子碰撞核阻止–與晶格原子的原子核碰撞–大角度散射（離子與靶原子質(zhì)量同數(shù)量級(jí)）–可能引起晶格損傷（間隙原子和空位）.電子阻止

–與晶格原子的自由電子及束縛電子碰撞–注入離子路徑基本不變–能量損失很少–晶格損傷可以忽略3.4.阻止機(jī)制

兩種阻止機(jī)制4注入損傷注入離子將能量轉(zhuǎn)移給晶格原子

–產(chǎn)生自由原子（間隙原子－空位缺陷對(duì)）自由原子與其它晶格原子碰撞

–使更多的晶格原子成為自由原子

–直到所有自由原子均停止下來(lái)，損傷才停止一個(gè)高能離子可以引起數(shù)千個(gè)晶格原子位移注入損傷過(guò)程離子與晶格原子碰撞，使其脫離晶格格點(diǎn)襯底注入?yún)^(qū)變?yōu)闊o(wú)定型結(jié)構(gòu)注入前注入后5退火的作用雜質(zhì)原子被激活高溫?zé)崮軒椭鸁o(wú)定型原子恢復(fù)單晶結(jié)構(gòu)退火前后的比較退火前退火后退火有兩種方式。①高溫（約900℃）熱退火為常用的方式。在集成電路工藝中，這種退火往往與注入后的其他高溫工藝一并完成。這些高溫工藝會(huì)引起雜質(zhì)的再一次擴(kuò)散，從而改變?cè)械碾s質(zhì)分布，在一定程度上破壞離子注入的理想分布，高溫過(guò)程也可使過(guò)飽和的注入雜質(zhì)失活。②瞬態(tài)高溫退火是正在研究和推廣的退火方式。這種方式包括激光、電子束或紅外輻照等瞬態(tài)退火。這種方法雖屬高溫，但在極短時(shí)間內(nèi)(小于幾秒)加熱晶體，既能使晶體恢復(fù)完整性，又可避免發(fā)生明顯的雜質(zhì)擴(kuò)散。

1、可控性好，離子注入能精確控制摻雜的濃度分布和摻雜深度，因而適于制作極低的濃度和很淺的結(jié)深；

2、可以獲得任意的摻雜濃度分布；

3、注入溫度低，一般不超過(guò)

400℃，退火溫度也在

650℃

左右，避免了高溫過(guò)程帶來(lái)的不利影響，如結(jié)的推移、熱缺陷、硅片的變形等；

4、結(jié)面比較平坦；

6

離子注入優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)

5、工藝靈活，可以穿透表面薄膜注入到下面的襯底中，也可以采用多種材料作掩蔽膜，如SiO2、金屬膜或光刻膠等；

6、均勻性和重復(fù)性好；

7、橫向擴(kuò)展小，有利于提高集成電路的集成度、提高器件和集成電路的工作頻率；

8、可以用電的方法來(lái)控制離子束，因而易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)也易于實(shí)現(xiàn)無(wú)掩模的聚焦離子束技術(shù)；

9、擴(kuò)大了雜質(zhì)的選擇范圍；

10、離子注入中通過(guò)質(zhì)量分析器選出單一的雜質(zhì)離子，保證了摻雜的純度。離子注入的缺點(diǎn)

1、離子注入將在靶中產(chǎn)生大量晶格缺陷；

2、離子注入難以獲得很深的結(jié)深；

3、離子注入的生產(chǎn)效率比擴(kuò)散工藝低；

3、離子注入系統(tǒng)復(fù)雜昂貴。7、離子注入應(yīng)用1）離子注入機(jī)應(yīng)用于摻雜工藝

離子注入首先是作為一種半導(dǎo)體材料的摻雜技術(shù)發(fā)展起來(lái)。在半導(dǎo)體工藝技術(shù)中，離子注入具有高精度的劑量均勻性和重復(fù)性，可以獲得理想的摻雜濃度和集成度，使電路的集成、速度、成品率和壽命大為提高，2）、離子注入應(yīng)用于金屬材料改性

70年代以后，離子注入在金屬表面改性方面的應(yīng)用迅速發(fā)展。改變材料表層的化學(xué)成份、物理結(jié)構(gòu)和相態(tài)，從而改變材料的力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能。如材料的聲學(xué)、光學(xué)和超導(dǎo)性能，提高材料的工作硬度、耐磨損性、抗腐蝕性和抗氧化性，最終延長(zhǎng)材料工作壽命。MEVVA源離子注入MEVVA源：金屬蒸汽真空弧離子源這是上世紀(jì)80年代中期由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的布朗博士發(fā)明。多功能離子注入機(jī)MEVVA源離子注入機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)(1)對(duì)元素周期表上的固體金屬元素(含碳)都能產(chǎn)生10毫安量級(jí)的強(qiáng)束流；(2)離子純度取決于陰極材料的純度，因此可以達(dá)到很高的純度，同時(shí)可以省去昂貴而復(fù)雜的質(zhì)量分析器；(3)金屬離子一般有幾個(gè)電荷態(tài)，這樣可以用較低的引出電壓得到較高的離子能量，而且用一個(gè)引出電壓可實(shí)現(xiàn)幾種能量的疊加(離子)注入(4)束流是發(fā)散的，可以省去束流約束與掃描系統(tǒng)而達(dá)到大的注入面積其革命性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面一是它的高性能一是使離子注入機(jī)的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，主要由離子源、靶室和真空系統(tǒng)這三部分組成MEVVA源金屬離子注入特別適用于以下幾類工模具和零部件的表面處理：(1)金屬切削工具(包括各種用于精密加工和數(shù)控加工中使用的鉆、銑、車、磨等工具和硬質(zhì)合金工具)，一般可以提高使用壽命3-10倍；(2)熱擠壓和注塑模具，可使能耗降低20%左右，延長(zhǎng)使用壽命10倍左右；(3)精密運(yùn)動(dòng)耦合部件，如抽氣泵定子和轉(zhuǎn)子，陀螺儀的凸輪和卡板，活塞、軸承、齒輪、渦輪渦桿等，可