離子注入技術(Implant)

1、離子注入技術摘要離子注入技術是當今半導體行業(yè)對半導體進行摻雜的最主要方法。本文從對該技術的基本原理、 基本儀器結構以及一些具體工藝等角度做了較為詳細的介紹，同時介紹了該技術的一些新的應用領域。關鍵字離子注入技術半導體摻雜1 緒論離子注入技術提出于上世紀五十年代，剛提出時是應用在原子物理和核物理究領域。后來，隨著工藝的成熟，在1970 年左右，這種技術被引進半導體制造行業(yè)。離子注入技術有很多傳統(tǒng)工藝所不具備的優(yōu)點，比如：是加工溫度低，易做淺結，大面積注入雜質仍能保證均勻，摻雜種類廣泛，并且易于自動化。離子注入技術的應用，大大地推動了半導體器件和集成電路工業(yè)的發(fā)展，從而使集成電路的生產(chǎn)進入了大規(guī)模

2、及超大規(guī)模時代（ULSI）。由此看來，這種技術的重要性不言而喻。 因此，了解這種技術進行在半導體制造行業(yè)以及其他新興領域的應用是十分必要的。2 基本原理和基本結構2.1 基本原理離子注入是對半導體進行摻雜的一種方法。它是將雜質電離成離子并聚焦成離子束，在電場中加速而獲得極高的動能后，注入到硅中而實現(xiàn)摻雜。離子具體的注入過程是：入射離子與半導體（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)過一段曲折路徑的運動后，因動能耗盡而停止在某處。在這一過程中， 涉及到“離子射程”、“”等幾個問題， 下面來具體分析。離子射程zpxypy圖（a） 離子射程模型圖xp圖（a）是離子射入硅中路線的模型

3、圖。 其中，把離子從入射點到靜止點所通過的總路程稱為射程；射程的平均值，記為 R ，簡稱平均射程 ；射程在入射方向上的投影長度，記為xp ,簡稱投影射程；投影射程的平均值，記為Rp ，簡稱平均投影射程。入射離子能量損失是由于離子受到核阻擋與電子阻擋。定義在位移 x 處 這兩種能量損失率分別為 Sn 和 Se ：dEnSn（1）dxSedEekeE（2）dx則在 dx 內總的能量損失為：dEdx0dE dEn dEe(SnSe )dx（3）RPRP0dE0dEdxSS（4）0E0 dE dxE0ne( dE ) eSn 的計算比較復雜，而且無法得到解析形式的結dx果。圖 2.1.1(b)是數(shù)值計

4、算得dE到的曲線形式的結果。 Se 的(計算較簡單，離子受電子的)n阻力正比于離子的速度。dx左圖中， EE2 時，E1E2ESnSe圖（b）離子總能量損失率數(shù)值計算曲線rpr px pxpE圖（c） Sn > Se 時離子路徑討論：圖（d）Sn < Se 時離子路徑(1)當入射離子的初始能量E0小于E2 所對應的能量值時，SnSe ，以核阻擋為主，此時散射角較大，離子運動方向發(fā)生較大偏折，射程分布較為分散。如圖（c）。(2)當 E0 遠大于 E2 所對應的能量值時， Sn Se ，以電子阻擋為主，此時散射角較小，離子近似作直線運動，射程分布較集中。隨著離子能量的降低，逐漸過渡到以

5、核阻擋為主，離子射程的末端部分又變成為折線。如圖（d）2.2基本結構離子注入機總體上分為七個主要的部分，分別是：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。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(tǒng)：用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。偏轉掃描系統(tǒng)：用來實現(xiàn)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。圖 2

6、.2 離子注入系統(tǒng)示意圖離子源根據(jù)離子源的類型分類，可以將其分為兩類：等離子體型離子源、液態(tài)金屬離子源（ LMIS）。其中，掩模方式需要大面積平行離子束源，故一般采用等離子體型離子源，其典型的有效源尺寸為 100m ，亮度為 10 100 A/cm2 。而聚焦方式則需.sr要高亮度小束斑離子源， 當液態(tài)金屬離子源（ LMIS）出現(xiàn)后才得以順利發(fā)展。 LMIS的典型有效源尺寸為5 500nm，亮度為106 107 A/cm2.sr 。液態(tài)金屬離子源是近幾年發(fā)展起來的一種高亮度小束斑的離子源，其離子束經(jīng)離子光學系統(tǒng)聚焦后，可形成納米量級的小束斑離子束，從而使得聚焦離子束技術得以實現(xiàn)。此技術可應用于

7、離子注入、離子束曝光、刻蝕等。工作原理：E3E1 是主高壓，即離子束的加速電壓；E2是針尖與引出極之間的電壓， 用以調節(jié)針尖表面上液態(tài)金屬的形狀，并將離子引出； E3 是加熱器電源。針尖的曲率半徑為ro = 1 5m，E2改變E2 可以調節(jié)針尖與引出極之間的電場，使液態(tài)金屬在針尖處形成一個圓E1引出極錐，此圓錐頂?shù)那拾霃絻H有 10 nm的數(shù)量級，這就是 LMIS 能產(chǎn)生小束斑離子圖 2.2.1 液態(tài)金屬離子源工作示意圖束的關鍵。當 E2增大 到使 電場 超過 液態(tài) 金屬 的場 蒸發(fā)值（ Ga 的場 蒸發(fā) 值為15.2V/nm）時，液態(tài)金屬在圓錐頂處產(chǎn)生場蒸發(fā)與場電離，發(fā)射金屬離子與電子。其中

8、電子被引出極排斥，而金屬離子則被引出極拉出，形成離子束。若改變E2的極性，則可排斥離子而拉出電子，使這種源改變成電子束源。質量分析系統(tǒng)質量分析系統(tǒng)分為兩種， EB質量分析器和磁質量分析器。本文進分析 E B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。 它由一套 靜電偏轉器和一套磁偏轉器組成， E 與 B 的方向相互垂直。圖 2.2.2EB質量分析器原理圖rrq Vf(r(5)FeqEj ),rrr dr(6)FmqvBqvB( j )12qVa1r由 qVa2v2mv得m， 代入 Fm ， 得：2r1r(7)Fmq( 2qVa ) 2 B( j )mV2qV

9、a1當時 Fe2qB 時，離子不被偏轉。由此可解Fm ，即當 qfmd得不被偏轉的離子的荷質比 qo 為qoqVf2(8)m 2d 2 B2Va對于某種荷質比為 qo 的所需離子，可通過調節(jié)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:1VfVfdB (2 qoVa ) 2或 B(9)1d (2 q V ) 2o aqqq / m 的其它離子的當荷質比為o的離子不被偏轉時， 具有荷質比為ss偏轉量 Db 為 :Dby LfyLfLdB 2qsVa1V1 L21Ld Lf(10)2ffd4 Va2Va將前面的 B 的表達式 :BVf(11)1d (2q V )

10、2oa代入 Db ，得 :Db1 Vf LfLdLfqs1 Ges1 (12)2 Va d2qoeo討論(1) 為屏蔽荷質比為 qs 的離子，光闌半徑 D 必須滿足 :D Gqs1(13)qo(2) 若 D 固定，則具有下列荷質比的離子可被屏蔽 :22qq 1D或 qsq 1D(14)soGoG而滿足下列荷質比的離子均可通過光闌:qoD 2qsqoD 2(15)11GG以上各式可用于評價 EB質量分析器的分辨本領。4 離子注入技術的優(yōu)缺點及其應用4.1 離子注入技術和擴散工藝比較摻雜區(qū)擴散結深度離子注入圖 4.1 離子注入和擴散工藝的比較關于離子注入和傳統(tǒng)擴散工藝的比較，我們可以通過下表直觀看

11、出來：表 4.1 離子注入和擴散工藝的比較擴散離子注入工作溫度各向同 / 異性高溫，硬掩膜900 1200 各向同性低溫，光刻膠掩膜室溫或低于 400各向異性可控性不能獨立控制結深和濃度可以獨立控制結深和濃度4.2 優(yōu)點和缺點優(yōu)點可控性好，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；可以獲得任意的摻雜濃度分布；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；結面比較平坦；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；均勻性和重復

12、性好；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；可以用電的方法來控制離子束，因而易于實現(xiàn)自動控制，同時也易于實現(xiàn)無掩模的聚焦離子束技術；擴大了雜質的選擇范圍；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。缺點：離子注入將在靶中產(chǎn)生大量晶格缺陷；離子注入難以獲得很深的結深；離子注入的生產(chǎn)效率比擴散工藝低；離子注入系統(tǒng)復雜昂貴。4.3離子注入技術的應用應用范圍離子注入機主要應用在半導體行業(yè)和金屬材料制造業(yè)。在前者中，由于該技術的應用，產(chǎn)生了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。而在后者中， 該技術大大改善了金屬材料的表面性能，提高了其抗腐蝕、耐磨、潤滑等性能。生產(chǎn)廠

13、家介紹目前全球最大的幾家離子注入機設備廠商是VARIAN（瓦里安）, AXCELIS, AIBT（漢辰科技） , 而全球最大的設備廠商AMAT（應用材料）基本退出了離子注入機的制造領域，高能離子注入機以AXCELIS為主，主要為批量注入。離子注入機實例離子注入機一般根據(jù)其束流大小分為中束流、大束流和高強度三種類型，其中前兩類應用較為廣泛。 中束流（A量級）的機型有 350D、NV6200A、NV10-80，而大束流（ mA 量級）的機型有 NV10-160、NV10-160SD、NV10-180。下面給出了 GSD/200E2 離子注入機技術指標。離子束能量分類：80KeV 形式： 2 - 80KeV（也可選 90KeV）160KeV形式： 5 160KeV(也可選 180KeV)表（a）80KeV注入機的最大束流表（b）160KeV注入機的最大束流可以看出，最大束流強度隨著離子能量的增加而變大，但當增大到一定值時則停止增加，這說明束流強度已經(jīng)達到飽和。5 總結通過上述對離子注入技術的基本原理、基本結構以及一些應用的介紹，我們