離子注入實驗報告

1、離子注入實驗報告1 離子注入簡介離子注入是一種將離子在電場里加速，并嵌入到另一固體的材料科學。這個過程用于改變該固體的物理、化學或電子性質。離子注入用在半導體器件制造和某些材料科學研究。離子注入可以導致核轉變，又或改變其晶體結構。離子注入技術是20 世紀60 年代開始發(fā)展起來的一種在很多方面都優(yōu)于擴散方法的摻雜工藝。離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底硅的過程。在集成電路制造中，多道摻雜工藝均采用離子注入技術，特別是集成電路制造中的隔離工序中防止寄生溝道用的溝道截斷、調整閾值電壓用的溝道摻雜、CMOS阱的形成以及源漏區(qū)域的形成等主要工序都采用離子注入法進行摻雜。目前離子注入技術已經成

2、為甚大規(guī)模集成電路制造中主要的摻雜工藝。2 離子注入原理2.1 離子注入的基本原理其基本原理是：用能量為100keV量級的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結構和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。離子注入是利用某些雜質原子經離化后形成帶電雜質離子，離子經過一定的電場加速，直接轟擊靶材料實現摻雜或其他作用。一般的說,離子能量在15KeV的稱為離子鍍；0.1-50KeV稱作離子濺射；一般稱10幾百KeV的稱為離子注入。3 離子注入設備3.1 設備組成離子注入設備通

3、常由離子源、分析器、加速聚焦系統(tǒng)和靶室等組成。如圖1所示。圖1 離子注入設備示意圖3.2 離子源離子源由產生高密度等離子體的腔體和引出部分（吸極）組成。目前已研制出多種類型的離子源：高頻等離子源J_CH1_1_1_1、弧放電離子源J_CH1_1_1_2、PIG離子源（潘寧源）J_CH1_1_1_3、雙等離子源J_CH1_1_1_4、雙彭源J_CH1_1_1_5、轉荷型負離子源J_CH1_1_1_6、濺射型負離子源J_CH1_1_1_7等。目前離子源技術還在不斷地發(fā)展著。環(huán)形雙等離子體離子源大型雙彭源已可提供百安級的氫正離子流。磁控管型負離子源已得到安培級的氫負離子束。一些小型離子源則具有低能散

4、低功耗低氣耗長壽命等特色。在產生多電荷重離子束的實驗裝置（如電子回旋共振離子源電子束離子源）中都已得到電荷態(tài)很高的重離子。這些新型裝置已逐漸被回旋加速器所采用。而能產生高溫等離子體的利用慣性約束的激光離子源也產生了高電荷態(tài)離子。離子注入對離子源的要求：能產生多種元素離子；有適當的束流強度；結構簡單、束流調節(jié)方便、穩(wěn)定、壽命長；引出束分散小、離子能量分散小。3.3 分析器分子包括兩種：離子分析器。離子源產生的離子束中往往有幾種離子。用分析器可以從這些離子中選擇出所需要的。磁分析器：在離子通道上加磁場，離子在磁場中偏轉。磁場一定時離子在磁場中的運動半徑由離子的荷質比和能量決定。讓選中離子的偏轉半徑

5、正好可以準直地進入管道。3.4 加速聚焦系統(tǒng)3.5 靶室放置、取出樣品?？梢杂薪o樣品加溫的裝置。4 離子注入特點1） 離子注入是在高真空和較低的工藝溫度下進行，是一種純凈的無公害的表面處理技術。2） 注入到硅中的摻雜原子數目可以被精確的進行控制，同一平面內的雜質重復性和均勻性可精確控制在±1內。離子注入技術的這一優(yōu)點在甚大規(guī)模集成電路制造中尤為重要。3） 離子注入深度是隨離子能量的增加而增加，因此摻雜深度可通過控制離子束能量高低來實現。對于突變型的雜質分布、淺結的制備，采用離子注入技術很容易實現。4） 離子注入是一個非平衡過程，不受到雜質在襯底材料中的固溶度限制，原則上對多種元素均可

6、摻雜，這就使摻雜工藝靈活多樣，適應性強。離子注入的優(yōu)點：多樣性：原則上任何元素都可以作為注入離子；形成的結構可不受熱力學參數（擴散、溶解度等）限制；不改變：不改變工件的原有尺寸和粗糙度等；適合于各類精密零件生產的最后一道工序；牢固性：注入離子直接和材料表面原子或分子結合，形成改性層，改性層和基底材料沒有清晰的界面，結合牢靠，不存在脫落的現象；不受限：注入過程在材料溫度低于零下、高到幾百上千度都可以進行；可對那些普通方法不能處理的材料進行表面強化，如塑料、回火溫度低的鋼材等；1優(yōu)點A.半導體領域（1）注入雜質不受靶材料固溶度的限制（2）雜質的面密度和摻雜深度精確可控（3）橫向擴散小，適合制作淺結

7、。（4）大面積均勻性好（5）摻雜純度高（6）能夠穿透一定的掩蔽膜（7）在化合物半導體工藝中有特殊意義B金屬改性和加工（8）被加工零件不易變形，尺寸不發(fā)生變化（9）可注入元素多、能產生新相、無廢液污染（10）離子鍍膜可以使膜層與基體結合牢固C生物（11）可以給生物注入部分施加離子、能量、電荷等多種作用。有較高的誘變幾率。2離子注入（半導體）的缺點（1）設備復雜，價格昂貴（2）不可避免地產生各種缺陷（3）制作深結有一定的困難5 離子注入表征5.1 射程、平均投影射程和標準偏差射程：入射離子在把材料中所經過的路程投影射程：入射離子在把材料中的最后位置在入射方向的投影長度。用Xp表示，如圖2所示。圖2

8、 入射離子運動示意圖平均投影射程：大量離子投影射程的平均值。用Rp表示。標準偏差Rp： Rp=(Xp-R p)2N . . . . . .（N為入射離子總數）5.2 離子注入分布離子經過一系列碰撞后停留在表面以下某一位置的幾率稱為離子注入的分布。（1）用高斯分布來描述離子注入分布Nx=Nmaxexp(-(x-Rp2Rp)2)Nmax=D2Rp，D雜質注入劑量(雜質面密度)。Rp、Rp與離子和靶材料的種類以及離子能量有關，可以通過查表得到。（2）結深PN結到樣品表面的距離。即滿足N(x)襯底摻雜濃度的x。由于N(x)隨x的變化非常劇烈，可以用下式估算結深：xj=R p+4R p5.3 離子注入引

9、起的損傷離子入射到靶材料中，與晶格原子發(fā)生多次猛烈碰撞，使原子從它們的晶格位置上產生位移并獲得能量。離子和移位原子和其它原子繼續(xù)發(fā)生碰撞。這樣在離子路徑上產生了高畸變區(qū)。當入射離子的面密度（入射離子劑量）達到一定值時，畸變區(qū)重疊形成非晶層。5.3.1 離子注入引起的點缺陷（1）空位（2）空位和半導體原子的復合體（3）“空位氧原子”復合體（4）雙空位這些缺陷都有一定的能級。其能級可以通過測量得到。5.3.2 臨界劑量剛剛能產生非晶層時的入射離子的劑量（面密度）稱為臨界劑量。臨界劑量與入射粒子的種類、靶材料等因素有關。一些離子注入硅的臨界劑量如下表：表1一些離子注入硅的臨界劑量注入離子BAl, P

10、Ga, AsIn, SbTi, Bi臨界劑量/1014cm-22005210.55.3.3 離子注入損傷分布某一點損傷的密度與該點入射離子淀積給靶材料的能量密度成正比的。因此可以通過計算離子在靶內的能量淀積分布函數來表征離子注入引起的損傷分布。有不同的方法計算離子注入損傷。結果表示也不盡相同。可以用高斯分布來表示能量淀積函數E(x)的分布。Ex=Emaxexp(-(x-xD2RD)2)其中Emax=XD2XD, XD和XD為損傷分布的的投影射程和標準偏差。XD一般小于Rp；與離子的質量、能量等因素有關。5.4 離子注入樣品的退火5.4.1 退火及其作用將樣品加熱到一定溫度，并且保持一定時間的工

11、藝稱為退火。退火工藝有著廣泛的應用。在一定的高溫下，離子注入樣品中的穩(wěn)定的缺陷群可以分解成結構比較簡單的缺陷；缺陷能以比較高的速度移動，逐漸湮滅或者被晶體中的位錯、雜質或表面吸收。非晶層存在時，晶體可以沿著“晶體非晶層” 界面生長。消除缺陷，恢復晶格是退火的作用之一。在退火過程中間隙雜質運動到晶格位置能夠為半導體穩(wěn)定提供載流子。激活雜質是退火的作用之二。5.4.2 退火的方式 （1）熱退火給樣品加熱升溫達到退火的目的稱為熱退火。特點：成本低；退火時間長；晶格恢復不太好、雜質擴散嚴重。（2）激光退火激光照射樣品使其加溫達到退火的目的稱為激光退火。分為脈沖激光退火和連續(xù)激光退火。激光脈沖退火的機理

12、是：脈沖激光照射樣品，樣品表層經歷如下過程：短時間內溫度升高à熔化à冷卻à再結晶à固-液表面推進到表面。從而使晶格恢復，雜質激活。脈沖激光退火的特點：雜質的電激活率高；損傷恢復好；效率低。連續(xù)激光退火的機理：固相外延再結晶。連續(xù)激光退火的特點：退火過程中雜質分布發(fā)生變化很小，某些效果比熱退火好；效率低。（3）電子束退火機理和連續(xù)激光退火一樣。分為脈沖電子束和連續(xù)電子束退火。比較激光退火，電子束退火的束斑均勻性好，能量轉換效率高；可能在樣品中引入缺陷，使用受限制。（4）紅外快速等溫退火和白光快速退火在真空中將石墨塊加熱到12001300作為紅外源，樣品在紅

13、外光的照射下迅速被加熱達到退火的目的。白光快速退火指用大功率白熾燈作為加熱源加熱樣品達到退火的目的。紅外快速等溫退火和白光快速退火的特點：時間短，雜質擴散?。恍矢?；均勻性和重復性好。白光快速退火升溫時間更快，設備簡潔；不適合進行連續(xù)長時間加熱的退火。6 離子注入的應用這項高新表面處理技術的優(yōu)越性、實用性及其廣闊的市場前景已被越來越多的部門和單位所賞識，得到越來越廣泛的應用。根據多年來的研究與開發(fā)，同時借鑒國際上的新進展，M EVVA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，可大幅度地降低摩擦系數，提高耐磨性和耐