5离子注入
5-离子注入解析
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
5.1 概述
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
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(GaPBⅡ)，而且可以进行金属的 注入(MePBⅡ)，以及金属和气体离子多元离子
复合注入。通常MePBⅡ的设备要比GaPBⅡ的
复杂；其金属离子往往大于一价，而GaPBⅡ的 离子一般为一价或半价；而且MePBⅡ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PBⅡ技术尚存在一定区别。
射程分布： 平均投影射程Rp， 标准偏差Rp， 横向标准偏差R
离子注入相关理论基础
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究
1963年，Lindhard, Scharff 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）
位长度时，损失给靶 原子核的能量。
dE Sn E dx n
EOR damage（射程终点损伤）
Courtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002).
影响注入离子分布的因素
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.
度由注入杂质离子的数目(剂量)决定
【doc】离子注入工艺简介
离子注入工艺简介离子注入工艺简介蔡宁张伯昌亚舍立半导体贸易(上海)有限公司200122)1引言在过去的三十多年中,CMOS工艺的发展极大地推动了离子注入工艺的发展.反言之,离子注入工艺的不断成熟进一步改善了半导体产品的质量,尤其是CMOS产品的性能,当线宽进入亚微米后,离子注入在整个半导体生产中更成了不可或缺的一部分.离子注入的主要功能是通过改变芯片内载流子的分布从而达到所需的电参数,其中包括源漏极间的串联电阻,优化其沿路的电场分布,并减低甚至消除短沟道效应,降低CMOS的工作电压,提高运行速度,降低寄生电容及功耗.下面我们逐步介绍每一道离子注入工艺要求及目的.'2离子注入工艺的概述一般的CMOS需8—10步离子注入工艺,而当今先进的CMOS产品更需20多步离子注入.根据在场效应管的位置,离子注入工艺可分为三大块:1)沟道区及井区(Channe1 andWel1)掺杂;2)多晶硅(Poly)注入:3)源漏区(SourceDrain)注入.2.1沟道及井区掺杂沟道区及井区的掺杂主要有阈值电压调节(V+Adjust)注入,反穿通(Anti-punchthrough)注入,埋层(BuriedLayer)注入,井问绝缘注入(Channe1Stop),井区反型(RetrogradeWel1)注入及吸收(Gettering)注入.这部分注入工艺的能量比较宽,但剂量属中低范围,所以此部分注入工艺基本上使用中束流及高能注入机.2.1.1阈值电压调节注入工艺(V.Adjust)阈值电压调节注入工艺是半导体工业中使用最早的离子注入技术工艺.由于在CMOS中N型井与P型井共存,它们的功能电压会有不同,V+ 注入是将所需的元素掺杂在门下方的沟道区内,改变电荷而得到所需的工作电压,使这两种井区共用一个闸门电压.高性能产品的N井区里传统的硼掺杂逐渐被铟(indium)注入所代替,其目的是使载子浓度分布更陡,以提高开关速度并降低功耗.2.1.2反击通注入工艺(Ant1一Dunchthr0ugh)该注入工艺的功能是防止源漏两极在沟道下面导通,因PN结深与载流子浓度成反比,如果沟道下部载流子浓度很低,在细线宽情况下源漏之间的PN结就会靠很近而容易被击通,增加此区域的载流子浓度就是为了降低耗尽层的厚度,使源漏不会在沟道下面导通,所以此注入要比阈值电压调节注入要更深一些.2.1.3井间绝缘注入工艺(Channel Stop)井间绝缘的注入是将杂质掺在用于隔开井区的绝缘栏的下方,此目的是为了提高井间寄生场效应管的阈值电压,使在正常的工作情形下此寄生三极管不会被导通而起到绝缘的效果.2.1.4埋层注入工艺(BuriedLayer)该工艺是要降低井区底部的电阻,以防芯片在运行中出现死循环(Latch—up)现象.井区内二个寄生的三极管(NPN&PNP)在一定的条件下可变成一个PNPN可控硅而形成自锁,埋层注入可降低PNP--极管的输出电阻,抬高死循环引发电流而彻底消除死循环现象.2.1.5吸取注入工艺(Gettering)它是在CM0S离子注入中能量最高的工艺,其目的是利用所注入的元素的化学特性和注后所形成的缺陷的物理特性来吸收井区里的其它杂质(如:重金属等)及晶格缺陷,以提高井区内,尤其是沟道区内的材料质量来提升产品性能.离子注入晶体后与原子核碰撞的可能性是和离子本身的能量成反比,所以在高能注入的条件下,有些轻元素如硼及磷,因注入而产生的缺陷分布与注入元素的分布极为接近,利用这—特性离子注入就可在所需的地方将晶格破坏,此外利用硼与磷的化学特性也可将重金属元素吸收.2.1.6反型井区注入工艺(RetrogradeWel1)在早期此工艺由炉管扩散或注入后驱动扩散而完成,但其不能在井区内形成优化的载流子分布,高性能的芯片要求硅片表面的载流子浓度低,而在硅片深度的某些部位要浓,这样既能提高芯片的运行速度,又能达到以上所述的反穿通,抑制死循环及吸取污染杂质的效果.由于在扩散时载流子的浓度是从硅片表面逐步向硅片内部降低的连续分布,这样的分布势必影响到硅片表面载流子的移动集虞电?蠢用2o年9居●■率而降低芯片的运营速度,为提高芯片的功能离子注入就成了必不可少的手段,新一代的CMOS技术已全部使用离子注入方式,当今的CMOS技术更采用双井反型工艺(Twin Retrogradewel1),它综合了以上所讨论的阈值电压调节注入,反穿通注入,井问绝缘注入,及埋层注入,构成一个完整的反型井层注入工艺链. 亚舍立科技(Axcelis)公司的高能注入机的设计,可提供连续注入(ChainImplant)技术,即将这些注入工艺步骤在一次装片中连续注入,这样既可提高产量,降低成本,还可提高产品性能,降低在硅片上的尘粒总数量.2.2多晶硅注入此注入工艺是为了降低多晶硅的电阻,是CMOS注入工艺中注入剂量最大的工艺.有的制成在长多晶硅的同时已掺入所需的元素,假如长多晶硅时没有掺杂,则要做多晶硅注入,再进行退火,注入后的元素在退火时在多晶硅中的扩散率与单晶硅相比会高出二个数量级,因此掺杂后的多晶硅的阻值与非掺杂的多晶硅相比会有大幅度的下降.此工艺因剂量很大,能量较低,在生产中一般都采用大束流离子注入机. 2.3源漏区注入工艺源漏区注入主要包括大角度晕环(Halo)注入,延伸(Extension)注入,源漏(Source—drain)及非晶体化(Pre-amorphouse)注入,此部分工艺技术要求越来越高,并与注入后的退火工艺有着密切的联系. 该部分的注入工艺其能量相对较低, 但剂量属中高范围,一般采用中束流及大束流注入机.2.3.1大角度注入工艺(Halo)Halo是大角度(>20度)四方向的中剂量离子注入工艺,它的主要功能是防止源漏相通,降低延伸区的结深及缩短沟道长度,有利于提高芯片的性能,一般在延伸注入工艺之后注入.为了使载流子分布更陡,以更有效的防止短沟道效应,最新的掺杂技术是用锑来替代砷,用铟来替代硼.2.3.2延伸注工艺(Extension)它先前也称作低剂量掺杂(LDD),它是在CMOS中注入能量最低的工艺,其作用是优化源漏问的电场分布,降低最高电场,在高阻与电阻区之间起一个衔接作用.其剂量随着沟道缩短而增加.线宽的变窄要求延伸区的结深越来越浅,晕环注入可对此有帮助.但还不够,尤其对n+井区,唯一可用的注入元素是质量很轻的硼,或稍高的BF,并在退火时由于存在过渡性扩散(TED),硼在退火时的扩散率很高,这就更要求注入的能量要非常低,所以如何在延伸区形成浅结是近年来注入工业界的最大课题.2.3.3源漏注入工艺(source-drain)源漏注入的剂量很大,是降低场效应管串型电阻的重要一环.与延伸注入工艺一样,现在源漏注入最大挑战是如何形成具有一定导电率的浅结,这是一个离子注入与快速退火的工艺优化问题,但最基本的要求是低能量注入.因其要求的剂量很大,这对离子注入机的生产率是一大考验,如何设计出在低能时能产生高电流是每个离子注入厂家的努力方向.2.3.4非晶体化注入工艺((pre-amorphouse)在源漏区还有一种注入工艺被有些厂家所采用,它就是非晶体化注入工艺,其注入元素主要有锗(Ge)和硅(Si),其中锗的使用比较广泛一些,因为其原子重量大,容易达到非晶体化效果,并能降低源漏区的接触电阻.非晶体化的目的主要是防止下—步注入的沟道效应,并可降低在退火时其掺杂元素激活的激活能.其不利之处在于难于消除在晶体与非晶体界面层的缺陷因而增加源漏区的漏电.3总结离子注入工艺的优化就是选择所需的掺杂元素和注入的能量,剂量及角度的过程,当今的离子注入工艺无论是从能量还是剂量涵盖很广,所以对设备的要求可大致分为高能,大束流及中束流.设备的合理选择及搭配就是要既能满足工艺要求,又能达到高效低成本的目的.亚舍立科技(Axcelis)公司是当今全球唯—提供整合注入相关工艺配套的半导体设备商,产品种类包括光刻胶定型机,去胶机,快速退火炉及全套离子注入系统,包括具有低能量功能的大束流注入机,中束流注入机及高能注入机,并可为用户提供整套设备和工艺服务.-■集成电路应用2oo2年9月。
第五章离子注入_572605374
x j = Rp + ΔRp
2 ln⎜⎜⎝⎛
1
φ ⎟⎞
2π ΔRp N B ⎟⎠
（假设0 ≤ x ≤ Rp时，均有N(x) > NB）
23
实际的入射离子分布问题
沟道效应 横向分布 复合靶注入
24
沟道效应：在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时，有 部分离子可能会行进很长距离，造成较深的杂质分布。
深度为Rp时的离子浓度为最大值： Cp =
Q
2π ΔRp
离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量：
∫∞
Q = N (x)dx = 0
2π ΔRpCp
16
200KeV implants
17
一个任意的杂质分布可用一系列的矩来描述：归一化的一次矩是投影射 程，二次矩是标准偏差，三次矩是偏斜度；四次矩是峭度。
静电光栅扫描：适于中低束流机 机械扫描：适于强束流机
剂量控制
法拉第杯：捕获进入的电荷，测
量离子流
注入剂量：
Dose =
1 A
∫
I q
dt
当一个离子的荷电态为m时，
∫ 注入剂量为 Dose =
1
I dt
mA q
两种注入机扫描系统
9
离子注入工艺控制参数
杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P++，B++，… 注入能量（单位：Kev）—— 决定杂质分布深度和形状 注入剂量（单位：原子数/cm2）—— 决定杂质浓度 束流（单位：mA或μA）—— 决定扫描时间
注入损伤阈值剂量：
超过某一剂量注入后，形成完全 损伤，晶体的长程有序被破坏。
离子注入技术(Implant)
4、离子注入系统复杂昂贵。
3
离子注入的应用
半导体掺杂工艺： 大规模集成电路 固体材料表面改性： 抗腐蚀、硬度、耐磨、润滑 光波导: 光纤传感器 太阳能电池
离子注入机设备与发展
中束流 μA 350D
NV6200A
NV10-80
大束流 mA NV10-160 NV10-160SD NV10-180
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。 离子浓度呈高斯分布。
x
y
0
z
注入离子分布(高斯型)
RP：投影射程，射 程的平均值
2.3 退火工艺
• 注入离子会引起晶格损伤ห้องสมุดไป่ตู้一个高能离子可以 引起数千个晶格原子位移）。 • 离子注入后需要将注入离子激活。
基本结构：离子注入系统（传统）
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。 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（离子能量为100keV量级)。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分 离中性原子。
4 总结
未来电子技术发展水平的瓶颈；
未来高精工艺的发展方向；
未来尖端技术如航空航天、军事等领域 所必须的基础。
Thank you!
各向同性
可以独立控制结深和浓 不能独立控制结深和 离子注入与扩散的比较 3 度 浓度
一 言 以 蔽 之 ： 可 控 性 好
离子注入的缺点
离子注入
mat.occno=1 x.val=-10) outfile="aniiex05_04.dat" AAA init implant phos energy=100 dose=1.e15 tilt=0 rotation=0 # extract name="p1" curve(depth,impurity="Phosphorus" material="Silicon" \
p
利用高斯函数的总和（或积分）是一个余误差函数的特 性，根据余误差函数的公式有
Q expu2 du [erf () erf ()]
2
Q 2RpCp
这是剂量率与峰值浓度之间非常有用的关系式
离子注入模型和氧化模型对比
C
(
x)
C
p
exp(
(
x Rp )2 2Rp2
tonyplot
Xj＝0.267678μm
离子注入的例子
go athena Line x loc=0.0 spac=0.02 Line x loc=1.0 spac=0.10 Line y loc=0.0 spac=0.01 Line y loc=2.0 spac=0.20 init silicon c.boron=1e16 two.d
第四章离子注入
加速管
工艺腔 扫描盘
工艺控制参数
❖ 杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P++，B++，… ❖ 注入能量（单位：Kev）——决定杂质分布深度和形状，
10~200Kev ❖ 注入剂量（单位：原子数/cm2）——决定杂质浓度 ❖ 束流（单位：mA或uA）——决定扫描时间 ❖ 注入扫描时间（单位：秒）——决定注入机产能
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，
要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中
的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合，
成为中性的粒子。
对于出现在扫描 系统以前的中性粒子
没有偏转的中性束粒子继续向前
，扫描电场对它已不
200 kev 注入离子在 靶中的高斯分布图
硼原子在不同入射能量 对深度及浓度分布图
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
❖ 已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材 （衬底Si,SiO2,Si3N4等）
求解step1：查LSS表可得到Rp和ΔRp
和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量 损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-dE/dx：能量损失梯度
E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量
Sn(E)：核阻止本领
能量E的函数
Se(E)：电子阻止本领
C: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
能量为E的 入射粒子在 密度为C的 靶内走过x 距离后损失 的能量
第五章离子注入低温掺杂
• 当具有高能量的离子注入到固体靶面以后，这 些高能粒子将与固体靶面的原子与电子进行多 次碰撞，这些碰撞将逐步削弱粒子的能量，最 后由于能量消失而停止运动，形成一定的杂质 分布。
• 离子在硅体内的注入深度和分布状态与射入时 所加的电场强度、离子剂量、衬底晶向等有关
第五章离子注入低温掺杂
第五章离子注入ห้องสมุดไป่ตู้温掺杂
How can we form ultrashallow junction in today’s CMOS devices?
减少沟道效应的措施
目前常用的解决方法有三种 • （1）是将硅片相对注入的离子运动方向
倾斜一个角度，7度左右最佳； • （2）是对硅片表面铺上一层非结晶系的
（4）离子注入深度是随离子能量的增加而增加。 可精确控制掺杂浓度和深度
（5）根据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或P型 杂质进行掺杂。能容易地掺入多种杂质
（6）离子注入时的衬底温度较低（小于600℃ ），这 样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷。同时横向效 应比热扩散小得多。
（7）表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或 深结高浓度。
• 通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下， 注入的深度将随电场的强度增加而增加。
• 用离子注入法形成的分布，其浓度最大值不 在硅片表面，而是在深入硅体一定距离。这 段距离大小与注入粒子能量、离子类型等有 关。
第五章离子注入低温掺杂
离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系。
离子注入的沟道效应
沟道效应（Channeling effect）
离子注入机分类
离子注入机按能量高低分为： 低能离子注入机 中能离子注入机 高能离子注入机 兆能离子注入机
第四章离子注入介绍
离子束从<111>轴偏斜7°入射
入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟 道效应, 只有当入射离子的入射角小于某 一角度时才会发生, 这个角称为临界角
沟道效应与离子注入方向的关系
沟道效应与单晶靶取向的关系
硅的<110 >方向沟道开口约
1.8 Å, <100 >方向沟道开口
约11.22 Å, <111>方向沟道开口介
3. 射程估算
a. 离子注入能量可分为三个区域:
低能区— 核阻滞能力占主导地位，电子阻滞可被忽略；
中能区— 在这个比较宽的区域，核阻滞和电子阻滞能力同等重要， 必须同时考虑； 主导地位, 核阻滞可被忽略。 超出高实能际区应—用电范子围阻；滞能力占
b.Sn(E) 和 Se(E) 的能量变 化曲线都有最大值。分别在低 能区和高能区；
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S n。E
dE dx
n
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。
❖低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加, 而在某个中等能量达到最大值, 在高 能量时, 因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换, 所以核阻止 变小。
❖ 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子 浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶 格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质 浓度可以不受固溶度的限制。
❖ 6.离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所引 起的热缺陷。
❖ 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的 图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器 件特征尺寸缩小。
离子注入的作用
离子注入的作用
离子注入是指将外部离子源通过某种方式引入到某种
材料中，这种技术被广泛应用在材料科学、电子和半导体等领域。
离子注入的作用包括：
1.改变材料的电学性质：离子注入可以改变材料的电导
率、磁导率等电学性质，进而改变材料的电子传输性
能。
2.改变材料的物理性质：离子注入可以改变材料的形貌、
结构、密度等物理性质，进而改变材料的力学性能。
3.改变材料的化学性质：离子注入可以改变材料的化学
组成，进而改变材料的化学性质。
4.改变材料的光学性质：离子注入可以改变材料的折射
率、吸收率等光学性质，进而改变材料的光学性能。
5.提高材料的抗磨损性能：离子注入可以使材料表面形
成一层硬质保护层，从而提高材料的抗磨损性能。
离子注入技术可以用来改变材料的性质，并且在很多领域都有着广泛的应用，比如改变半导体材料的电学性质，提高金属材料的耐磨性等。
半导体制造工艺之离子注入原理
半导体制造工艺之离子注入原理引言离子注入是半导体制造工艺中的一种重要方法，广泛应用于半导体器件的加工和制造过程中。
离子注入工艺通过将高能离子注入到半导体晶体中，改变材料的物理和化学性质，实现半导体器件的特定功能和性能。
本文将详细介绍离子注入的原理以及其在半导体制造中的应用。
离子注入原理离子注入是利用离子束对半导体材料进行信息改变的过程，其原理基于以下几个关键步骤：1.离子源生成：离子注入过程首先需要一个稳定的离子源。
常见的离子源包括离子源装置和离子源材料。
离子源装置通过电离气体产生离子束，而离子源材料通常是一种固体材料，通过加热或溶解的方式释放离子。
2.离子加速：生成的离子束经过电场加速，增加其能量和速度。
加速电场的大小决定了离子注入的能量和深度。
3.汇聚和对准：离子束通过极板或磁场对准系统，确保离子束准确地注入到半导体材料的目标区域。
4.离子注入：离子束与半导体材料进行相互作用，离子穿过材料表面，在材料内部形成注入层。
离子注入的能量和剂量可以控制和调节，影响着半导体的特性和性能。
5.后续处理：注入完成后，需要进行一系列的后续处理步骤，如退火、清洗等，以恢复和优化器件的电学性能。
离子注入的应用离子注入在半导体制造中有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面：1.掺杂：离子注入可在半导体材料中引入杂质原子，从而改变材料的电学性质。
通过控制离子注入的能量和剂量，可以实现器件中的PN结、N型、P型等区域。
2.改变表面特性：离子注入还可用于改变半导体材料表面的化学和物理特性。
例如，在CMOS制造中，通过离子注入改变材料表面的电导率，形成NMOS、PMOS等区域。
3.改善电子迁移率：离子注入还可用于改善半导体器件中电子的迁移率，提高器件的性能。
通过注入低能量离子，形成浅表层，可以减少晶格缺陷，提高电子的迁移率。
4.修复损伤：半导体材料在制造过程中往往会受到损伤，如晶格位错、空位等。
离子注入可用于修复这些损伤，提高材料的完整性和性能。
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• (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
• 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；
2、离子注入基本原理
• 用一定能量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。
2、离子注入基本原理
• 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，提尚超导的转变温度等； 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。
• 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。 • 离子注入应用于金属材料改性，是在经过热处 理或表面镀膜工艺的金属材料上，注入一定剂 量和能量的离子到金属材料表面，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。 • 具体地说，离子注入能改变材料的声学、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。
• 这种退火有两种方式。 • 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。
• 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。
• 金属用离子注入机与半导体用离子注入机 相比，有以下特点： • 1）离子种类多 • 2）束流强度大 • 3）靶室结构复杂 冷却系统 • 4）注入精度要求不高 • 可以不带质量分析器
3、离子注入设备
• 3.2 结构 • 1）、离子源：用于产生和引出某种元素的 离子束，这是离子注入机的源头。 • 不同类型的离子源用于产生各种强度的离 子束 ； • 微电子技术中常用的离子源电离物质为三 氟化硼、磷烷和砷烷等。一般情况下，离 子源提供的是单电荷离子
• 除了半导体生产行业外，离子注入技术也 广泛应用于金属、陶瓷、玻璃、复合物、 聚合物、矿物以及植物种子改良上。
• 实验名称：离子注入改性实验 • 实验报告要求： • 写离子注入的原理、设备、工艺控制
5、离子注入特点
• 与热扩散掺杂相比，离子注入掺杂的优点 • 1）、离子注入可通过调节注入离子的能量 和数量，精确控制掺杂的深度和浓度 ，注 入离子的浓度和深度分布精确可控。 • 注入的离子数决定于积累的束流，深度分 布则由加速电压控制。
• 2）、 离子注入的杂质分布准直性好(即横 向扩展小)，有利于获得精确的浅条掺杂， 可提高电路的集成度和成品率 。 • 离子注入掺杂深度小。一般在 1um以内。 例如对于100keV离子的平均射程的典型值 约为0.1um。
• 在非半导体材料离子注入表面改性研究的初始阶 段，主要是沿用半导体离子注入机所产生的氮离 子束来进行。 • 这主要是因为氮等气体离子在适用于半导体离子 注入的设备上容易获得比较高的离子束流。 • 氮离子注入在金属、硬质合金、陶瓷和高分子聚 合物等的表面改性的研究与应用中取得了引人注 目的成功。因此这个阶段被称为氮离子注入阶段
3、离子注入设备
• • • • • • • • • • • • 3.1 分类 A 离子注入机按注入能量的大小，可粗赂地区分为 低能机(200keV以下) 中能机(200kev—lMev) 高能机(1Mev以上) B 按离子束电流强度区分 可分为小束流机(1一l 00μA以下) 中束流机(100μA一1mA) 强束流机(1mA以上)； C 若按用于不同对象区分，又可分为 半导体用离子注入机(一般为弱流机) 金属用离子注入机(一般为强流机)
• 离于注入是借助于电场力将添加物(以离子形 式)注入基体材料中，离子进入团体的过程是 一个非平衡过程，原则上可以将任何元素引 入固体中，而不受固溶度和热平衡的限制。 注入离子在基体中进行原子级混合可以形成 固溶体、化合物或新型合金，获得用其 • 他方法所不能得到的新材料。 • 因此有人认为离子束技术是进行“材料设计” 的手段之一，是出现“从天然材料进入人造 材料时代”的关键。
• 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。
离子注入后的处理
• 离子注入导致晶体的晶格破坏，造成损伤， 必须经过加温退火才能恢复晶格的完整性。 • 同时，为了使注入杂质起到所需的施主或 受主作用，也必须有一个加温的激活过程。 这两种作用结合在一起，称为离子注入退 火。
• 3）、 离子注入可实现大面积均匀掺杂并有 高的浓度 。 • 离子注入系统中的束流扫描装置可以保证 在很大的面积上具有很高的掺杂均匀性
• 4）、离子注入不受化学结合力、扩散系数 和固溶度等的限制。 • 原则上各种元素均可成为掺杂元素，并可 以达到常规方法所无法达到的掺杂浓度。 对于那些常规方法不能掺杂的元素，离子 注入技术也并不难实现
4、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/Aq • 式中ic为注入离子的束流强度，当ic恒定时， 可由微安表读出。 • 式中q=ze离子所带的电荷，
• 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.e E:Kev • Z：离子电荷态 • U：加速电压 KV • e：一个电子所带电量 1.6× 10-19
• M EVVA源离子注入 • M EVVA源是金属蒸汽真空弧离子源的缩称。 • 这是上世纪80年代中期由美国加州大学伯克利 分校的布朗博士由于核物理研究的需要发明研 制成功的。这种新型的强流金属离子源问世后 很快就被应用于非半导体材料离子注入表面改 性，并引起了强流金属离子注入的一场革命， 这种独特的离子注入机被称为新一代金属离子 注入机。
•
注入金属表面的掺杂原子本身和在注 入过程中产生的点阵缺陷，都对位错的运 动起“钉扎”作用，从而使金属表面得到 强化，提高了表面硬度。 • 其次，适当选择掺杂元素，可以使注 入层本身起着一种固体润滑剂的作用，使 摩擦系数显著降低。例如用锡离子注入 En352轴承钢，可以使摩擦系数减小一半。
• 尤其重要的是，尽管注入层极薄，但是有 效的耐磨损深度却要比注入层深度大一个 数量级以上。 • 实验结果业已证明，掺杂原子在磨损过程 中不断向基体内部推移，相当于注入层逐 步内移，因此可以相当持久地保持注入层 的耐磨性。
离子注入
• • • • • • 1、离子注入定义 2、离子注入基本原理 3、离子注入设备 4、注入剂量的测量和控测 5、离子注入特点 6、离子注入应用
大规模及超大规模集成电路
三 束 技 术
离子束
光电子集成
电子束 光子束
应 用
固态工艺
材料科学和工程技术
离子技术在近20年来的发展，更是引人注目。
1、定义
多功能离子注入机
M EVVA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
• 2）、加速器，对离子源引出的离子束进行 加速，使其达到所需的能量； • 3）、离子束的质量分析器（离子种类的选 择）：用来除去不需要的杂质离子 • 4）、束流扫描装置：用来保证大面积注入 的均匀性；
• 5）、靶室：安装需要注入的样品或元器件， 对不同的对象和不同的注入条件要求可选 用不同构造的靶室 • 6）、真空系统：整机真空度为1×10-4帕, 靶室真空度为10-5帕
• 金属离子注入在非半导体材料离子注入表 面改性研究与应用中效果更加显著，应用 范围更加广泛，许多氮离子注入无法实现 的，金属离子注入可以很好地实现。 • 但是，基于半导体离子注入需要的传统离 子注入机，要想获得比较强束流的金属离 子束是比较困难的，进行非半导体材料离 子注入表面改性所需的费用也是比较昂贵 的。
• 5）、注入离子时衬底温度可自由选择，能 在任意所需的温度下进行掺杂 • 根据需要既可以在高温下掺杂，也可以在 室温或低温条件下掺杂。这在实际应用中 是很有价值的
• 6）、纯净掺杂：离子注入是在真空系统中 进行的，同时使用高分辨率的质量分析器， 保证掺杂离子具有极高的纯度，避免有害 物质进入半导体材料，因而可以提高半导 体器件的性能。 • 离子注入掺杂正在替代热扩散掺杂，成为 大规模和超大规模集成电路中的一项重要 掺杂技术。
• 离子注入后形成的表面合金，其耐腐蚀性 相当于相应合金的性能，更重要的是，离 子注入还可以获得特殊的耐蚀性非晶态或 亚稳态表面合金，而且离子注入和离子束 分析技术相结合，作为一种重要的研究手 段，有助于表面合金化及其机制的研究
• 半导体材料的离子注入所需的剂量（即单 位面积上打进去了多少离子，单位是：离 子／平方厘米）比较低，而所要求的纯度 很高。 • 非半导体材料离子注入表面改性研究所需 的剂量很高（比半导体材料离子注入高 1000倍以上），而纯度不要求像半导体那 么高。