第1章離子注入（IonImplantation）1、離子注入概述2、離子注入系統3、離子注入的特點4、注入損傷5、退火的作用6、離子注入優缺點7、離子注入應用1離子注入概述最早應用于原子物理和核物理研究提出于1950’s1970’s中期引入半導體制造領域所謂離子注入，就是在離子注入機(實際上是一個小型加速器)中把離子(例如N+、c+、o+、cr+、Ag+、Y+…等各種非金屬、金屬離子)加速成具有幾萬至幾十萬(甚至幾百萬)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，能被電場或磁場偏轉，能在高壓下加速而獲得很高的動能。

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，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：而當離子束射到固體材料時，從固體材料表面彈了回來，或者穿出固體材料而去離子注入改性離子束材料改性，內容主要包括三個方面1、改善物理性能例如改善材料發面的電磁學及光學性能，提高超導的轉變溫度等；2．改善化學性能例如提高材料表面的抗腐蝕、抗氧化件能；3．改善機械性能例如改變材料表面的摩擦系數，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

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

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

加速器：為高壓靜電場，用來對離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個重要參量。

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：用來將加速后的離子聚集成直徑為數毫米的離子束。偏轉掃描系統：用來實現離子束x、y

方向的一定面積內進行掃描。工作室：放置樣品的地方，其位置可調。

2.1、離子源作用：產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、液態金屬離子源（LMIS）。離子注入系統示意圖

2.2、質量分析系統

1）、質量分析器由一套靜電偏轉器和一套磁偏轉器組成，E

與B

的方向相互垂直。O光闌O光闌離子不被偏轉。由此可解得不被偏轉的離子的

荷質比qo

為對于某種荷質比為

qo

的所需離子，可通過調節偏轉電壓

Vf

或偏轉磁場B，使之滿足下式，就可使這種離子不被偏轉而通過光闌。（電子電量e和電子靜質量m的比值（e/m）是電子的基本常數之一，又稱電子比荷）通常是調節Vf

而不是調節

B。當荷質比為

qo

的離子不被偏轉時，具有荷質比為qs

=q/ms

的其它離子的偏轉量

Db

為O光闌將前面的

B的表達式代入Db，得

討論

(1)為屏蔽荷質比為

qs

的離子，光闌半徑

D必須滿足

(2)若D

固定，則具有下列荷質比的離子可被屏蔽，而滿足下列荷質比的離子均可通過光闌，以上各式可用于評價質量分析器的分辨本領。

2）、磁質量分析器光闌1光闌2為向心力，使離子作圓周運動，半徑為從上式可知，滿足荷質比的離子可通過光闌

2。或者對于給定的具有荷質比為qo

的離子，可通過調節磁場B

使之滿足下式，從而使該種離子通過光闌2，另外，若固定

r

和Va

，通過連續改變B

，可使具有不同荷質比的離子依次通過光闌2，測量這些不同荷質比的離子束流的強度，可得到入射離子束的質譜分布。其余的離子則不能通過光闌2，由此達到分選離子的目的。

兩種質量分析器的比較在質量分析器中，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。磁質量分析器則相反，所需離子要改變方向，但其優點是中性粒子束不能通過。離子注入過程：入射離子與半導體（靶）的原子核和電子不斷發生碰撞，其方向改變，能量減少，經過一段曲折路徑的運動后，因動能耗盡而停止在某處。平均投影射程

射程：離子從入射點到靜止點所通過的總路程。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度，記為

xp

。

平均投影射程：投影射程的平均值，記為RP。

標準偏差：在實際工作中，平均投影射程RP(?)及標準偏差

RP(?)與注入能量

(KeV)的關系可從表查到。

3離子注入的特點3.1.特點可以獨立控制雜質分布（離子能量）和雜質濃度（離子流密度和注入時間）各向異性摻雜容易獲得高濃度摻雜（特別是：重雜質原子，如P和As等）。3.2.離子注入與擴散的比較擴散離子注入擴散離子注入高溫900－1200℃低溫室溫或低于400℃各向同性各向異性不能獨立控制結深和濃度可以獨立控制結深和濃度1.3.2.注入與擴散的比較3.3.離子注入控制離子束流密度和注入時間控制雜質濃度（注入離子劑量）離子能量控制結深雜質分布各向異性注入劑量的測量和控測設靶片注入面積為A，則單位面積的注入離子數(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度，單位：安培，當ic恒定時，可由微安表讀出；t是注入時間，單位是秒；e是電子電荷1.6×10-19C；n是電荷數量；A是注入面積。離子注入時離子束的能量由引出電壓的高低來決定，其計算公式為：

E=Z.U.e

E:Kev(千電子伏特）Z：離子電荷態U：加速電壓KVe：一個電子所帶電量1.6×10-19C半導體摻雜用離子注入機的能量范圍為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，束流強度為幾十至幾百微安為了獲得特定的注入濃度和雜質分布，需要正確選擇注入劑量和能量。3.4.阻止機制典型離子能量：5～500keV離子注入襯底，與晶格原子碰撞，逐漸損失其能量，最后停止下來兩種阻止機制：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（離子與靶原子質量同數量級）–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.阻止機制

兩種阻止機制4注入損傷注入離子將能量轉移給晶格原子

–產生自由原子（間隙原子－空位缺陷對）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，損傷才停止一個高能離子可以引起數千個晶格原子位移注入損傷過程離子與晶格原子碰撞，使其脫離晶格格點襯底注入區變為無定型結構注入前注入后5退火的作用雜質原子被激活高溫熱能幫助無定型原子恢復單晶結構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。這些高溫工藝會引起雜質的再一次擴散，從而改變原有的雜質分布，在一定程度上破壞離子注入的理想分布，高溫過程也可使過飽和的注入雜質失活。②瞬態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退火。這種方法雖屬高溫，但在極短時間內(小于幾秒)加熱晶體，既能使晶體恢復完整性，又可避免發生明顯的雜質擴散。

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

400℃，退火溫度也在

650℃

左右，避免了高溫過程帶來的不利影響，如結的推移、熱缺陷、硅片的變形等；

4、結面比較平坦；

6

離子注入優缺點：優點

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、均勻性和重復性好；

7、橫向擴展小，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、可以用電的方法來控制離子束，因而易于實現自動控制，同時也易于實現無掩模的聚焦離子束技術；

9、擴大了雜質的選擇范圍；

10、離子注入中通過質量分析器選出單一的雜質離子，保證了摻雜的純度。離子注入的缺點

1、離子注入將在靶中產生大量晶格缺陷；

2、離子注入難以獲得很深的結深；

3、離子注入的生產效率比擴散工藝低；

3、離子注入系統復雜昂貴。7、離子注入應用1）離子注入機應用于摻雜工藝

離子注入首先是作為一種半導體材料的摻雜技術發展起來。在半導體工藝技術中，離子注入具有高精度的劑量均勻性和重復性，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用迅速發展。改變材料表層的化學成份、物理結構和相態，從而改變材料的力學性能、化學性能和物理性能。如材料的聲學、光學和超導性能，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80年代中期由美國加州大學伯克利分校的布朗博士發明。多功能離子注入機MEVVA源離子注入機的突出優點(1)對元素周期表上的固體金屬元素(含碳)都能產生10毫安量級的強束流；(2)離子純度取決于陰極材料的純度，因此可以達到很高的純度，同時可以省去昂貴而復雜的質量分析器；(3)金屬離子一般有幾個電荷態，這樣可以用較低的引出電壓得到較高的離子能量，而且用一個引出電壓可實現幾種能量的疊加(離子)注入(4)束流是發散的，可以省去束流約束與掃描系統而達到大的注入面積其革命性主要表現在兩個方面一是它的高性能一是使離子注入機的結構大大簡化，主要由離子源、靶室和真空系統這三部分組成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控加工中使用的鉆、銑、車、磨等工具和硬質合金工具)，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，延長使用壽命10倍左右；(3)精密運動耦合部件，如抽氣泵定子和轉子，陀螺儀的凸輪和卡板，活塞、軸承、齒輪、渦輪渦桿等，可