1、离子注入技术（Implant）光电子器件与技术课程论文学号 1081120115姓名 张贺专业 光信息科学与技术二零一一年十一月摘要 离子注入技术是当今半导体行业对半导体进行掺杂的最主要方法。本文从对该技术的基本原理、基本仪器结构以及一些具体工艺等角度做了较为详细的介绍，同时介绍了该技术的一些新的应用领域。关键字 离子注入技术 半导体 掺杂1 绪论离子注入技术提出于上世纪五十年代，刚提出时是应用在原子物理和核物理究领域。后来，随着工艺的成熟，在 1970 年左右，这种技术被引进半导体制造行业。离子注入技术有很多传统工艺所不具备的优点，比如：是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺
2、杂种类广泛，并且易于自动化。离子注入技术的应用，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展，从而使集成电路的生产进入了大规模及超大规模时代（ULSI） 。由此看来，这种技术的重要性不言而喻。因此，了解这种技术进行在半导体制造行业以及其他新兴领域的应用是十分必要的。2 基本原理和基本结构2.1 基本原理离子注入是对半导体进行掺杂的一种方法。它是将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中而实现掺杂。离子具体的注入过程是：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。在这一过程中，涉及到“离子
3、射程” 、 “”等几个问题，下面来具体分析。2.1.1 离子射程y xz0px pypz图 2.1.1（a） 离子射程模型图图 2.1.1（a）是离子射入硅中路线的模型图。其中，把离子从入射点到静止点所通过的总路程称为射程；射程的平均值，记为 ，简称平均射程 ；射程在入R射方向上的投影长度，记为 ,简称投影射程；投影射程的平均值，记为 ，px pR简称平均投影射程。入射离子能量损失是由于离子受到核阻挡与电子阻挡。定义在位移 处这两x种能量损失率分别为 和 ：nSe（1）xdE（2）eSk则在 内总的能量损失为：dx（3）()neneEdSdx（4）P000 neREExS的计算比较复杂，而且无
4、法得到解析形式的结果。图 2.1.1(b)是数值计算得到的曲线形式的结果。的计算较简单，离子受eS电子的阻力正比于离子的速度。左图中， 时，2EneS图 2.1.1（b）离子总能量损失率数值计算曲线 prpx pxprdEx ed()xn()dExE1E20 E图 2.1.1（c）Sn Se 时离子路径 图 2.1.1（d）Sn Se 时离子路径讨论：(1)当入射离子的初始能量 小于 所对应的能量值时， ，以核阻0E2挡为主，此时散射角较大，离子运动方向发生较大偏折，射程分布较为分散。如图 2.1.1（c） 。 (2)当 远大于 所对应的能量值时， ，以电子阻挡为主，此时散0E2neS射角较小
5、，离子近似作直线运动，射程分布较集中。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，离子射程的末端部分又变成为折线。如图 2.1.1（d）2.2 基本结构离子注入机总体上分为七个主要的部分，分别是：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。中性束偏移器： 利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。 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
6、。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。图 2.2 离子注入系统示意图2.2.1 离子源根据离子源的类型分类，可以将其分为两类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS） 。其中，掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为 100 m ，亮度为 10 100 A/cm2.sr。而聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS）出现后才得以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为 5 500 nm，亮度为 106 107 A/cm2.sr 。液态金属离子源是近几年发展起来的一种高
7、亮度小束斑的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 纳米量级的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻蚀等。工作原理：E1 是主高压，即离子束的加速电压；E 2 是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离子引出；E 3 是加热器电源。针尖的曲率半径为 ro = 1 5 m，改变 E2 可以调节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级，这就是 LMIS 能产生小束斑离子 图 2.2.1 液态金属离子源工作示意图 束的关键。当 E2 增大到使电场超过液态金属的场蒸
8、发值（ Ga 的场蒸发值为 15.2V/nm）时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。若改变 E2 的极性 ，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。2.2.2 质量分析系统质量分析系统分为两种， 质量分析器和磁质量分析器。本文进EB分析 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B向相互垂直。它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3E21引 出 极直。图 2.2.2 质量分析器原理图EB由 得 ，代入 ，得：2a1qVmv12aqVmF当时 ，即当 时，离子
9、不被偏转。由此可解emF12afqVBd得不被偏转的离子的荷质比 为o对于某种荷质比为 的所需离子，可通过调节偏转电压 或偏转磁场 B qo Vf，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑:(5)6fe(),Fjdv(7)()(aj2fadV(8)(9)1f2foa 12oa()()dBdq或当荷质比为 的离子不被偏转时，具有荷质比为 的其它离子qo /qms的偏转量 为:bD将前面的 B 的表达式:代入 ，得:bD讨论(1) 为屏蔽荷质比为 的离子，光阑半径 D 必须满足 :sq(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
10、价 质量分析器的分辨本领。EBffd21dff2saaa14yLLVqV(10)f12oa()dssffdaoo1122qeVLG()(2)so1G (13)22soso1qqG或 (4)22oso1DG(15)3 离子注入技术中的一些重要理论3.1 注入离子的分布3.1.1 纵向浓度分布对于无定形靶（如 SiO2、 Si3N4、Al 2O3 等） ，注入例子的纵向浓度分布可取高斯分布：由 可知，纵向离子浓度是高斯分布。(16)其中 表示距离靶表面为 的()Nxx注入离子浓度； 是标准差，pR可查表得到； 为峰值处浓度，max它与注入剂量 关系为s图 3.1.1 纵向离子浓度分布图3.1.2
11、横向效应横向效应指的是注入离子在垂直入射的方向平面内的分布分布情况。横向效应直接影响了 MOS 晶体管的有效沟道长度。通过一宽 2d 的窄窗口注入的离子，在 y 轴正方向的空间分布情况可由下式求出：3.2 注入损伤高能离子注入半导体靶时与靶原子核发生碰撞，并把能量传输给靶原子。2max1()ep()pR(16)max0.42sppNR(17)201211(,)exp()(pRQyaNxz erfcYRAA(18)最后注入离子丧失掉能量而终止于靶中。在上述过程中，当传给靶原子的能量足够大时，可使靶原子发生位移，形成一个碰撞与位移的级连，从而在靶中形成无数空位与间隙原子。这些缺陷的存在使半导体中载
12、流子的迁移率下降，少子寿命缩短，从而影响器件的性能。此外，注入离子的很大部分并不正好处在晶格格点上，它们没有活性。为了消除缺陷并激活注入的离子，注入后的样品必须进行退火。图 3.2（c）退火前后示意图在如今的半导体行业中，主要采用快速热退火（RTA）工艺。这种工艺的退火过程很快 (小于 1 分钟), 更好的片间（WTW ）均匀性, 能够保证高温下, 退火超越扩散，因此具有最小化杂质扩散的优点。4 离子注入技术的优缺点及其应用4.1 离子注入技术和扩散工艺比较重 离 子 轻 离 子 注 入 前注 入 后退 火 前 退 火 后3.2aa图 注 入 损 伤 示 意 图 （ ） 3.2bb图 （ ）
13、注 入 损 伤 示 意 图 （ ）掺 杂 区图 4.1 离子注入和扩散工艺的比较关于离子注入和传统扩散工艺的比较，我们可以通过下表直观看出来：表 4.1 离子注入和扩散工艺的比较扩散 离子注入工作温度 高温，硬掩膜9001200 低温，光刻胶掩膜室温或低于 400各向同/异性 各向同性 各向异性可控性 不能独立控制结深和浓度 可以独立控制结深和浓度4.2 优点和缺点4.2.1 优点 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； 可以获得任意的掺杂浓度分布； 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
14、结的推移、热缺陷、硅片的变形等； 结面比较平坦； 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； 均匀性和重复性好； 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； 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； 扩大了杂质的选择范围； 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。 4.2.2 缺点： 离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷； 离子注入难以获得很深的结深；结 深 度 离 子 注 入扩 散 离子注入的生产效率比扩散工艺低； 离子注入系统复杂
15、昂贵。4.3 离子注入技术的应用4.3.1 应用范围离子注入机主要应用在半导体行业和金属材料制造业。在前者中，由于该技术的应用，产生了大规模和超大规模集成电路。而在后者中，该技术大大改善了金属材料的表面性能，提高了其抗腐蚀、耐磨、润滑等性能。4.3.2 生产厂家介绍目前全球最大的几家离子注入机设备厂商是 VARIAN（瓦里安 ）, AXCELIS, AIBT（汉辰科技）, 而全球最大的设备厂商 AMAT（应用材料）基本退出了离子注入机的制造领域，高能离子注入机以 AXCELIS 为主，主要为批量注入。4.3.3 离子注入机实例离子注入机一般根据其束流大小分为中束流、大束流和高强度三种类型，其中
16、前两类应用较为广泛。中束流（A 量级）的机型有350D、NV6200A、NV10-80，而大束流（mA 量级）的机型有 NV10-160、NV10-160SD、NV10-180。下面给出了 GSD/200E2 离子注入机技术指标。离子束能量分类：80KeV 形式： 2 - 80KeV（也可选 90KeV）160KeV 形式： 5 160KeV(也可选 180KeV)表 4.3.3（a）80KeV 注入机的最大束流表 4.3.3（b）160KeV 注入机的最大束流可以看出，最大束流强度随着离子能量的增加而变大，但当增大到一定值时则停止增加，这说明束流强度已经达到饱和。5 总结通过上述对离子注入技
17、术的基本原理、基本结构以及一些应用的介绍，我们可以清楚地认识到离子注入技术的重要性。半导体掺杂仍是未来电子技术发展水平的瓶颈，因为要想突破现有的集成规模，必须能够制造出更加精细化的元器件，这就需要掺杂工艺更加精细，更具有可控性。因此，对离子注入技术的改进是未来高精工艺的发展方向。目前，离子注入技术已经被应用到太阳能电池生产领域。这意味着，该技术的重要性再次得到加强。我们知道，太阳能电池领域是 21 世纪能源竞争的主战场，因此发展离子注入技术、培养这方面的人才刻不容缓。参考文献1 王阳元,张兴,刘晓彦,康晋锋,黄如,等 32 nm 及其以下技术节点 CMOS 技术中的新工艺及新结构器件J.中国科学 E 辑: 信息科学； 2008 （6） : 921-932.2 吴尚德，单晶片注入用机械扫描技术J.半导体科技，2006(6)： 26-29.3 John.O.Borland,等效离子掺杂J.半导体国际， 2005(12)： 21-23.课 程 设 计 （ 论 文 ）dEx题 目 离子注入技术（Implant） 姓 名 张贺 专 业 光信息科学与技术 学 号 1081120115 时 间 2011 年 11 月
