離子注入技術(shù)(Implant)

1、離子注入技術(shù)摘要離子注入技術(shù)是當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜的最主要方法。本文從對(duì)該技術(shù)的基本原理、基本儀器結(jié)構(gòu)以及一些具體工藝等角度做了較為詳細(xì)的介紹，同時(shí)介紹了該技術(shù)的一些新的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵字離子注入技術(shù)半導(dǎo)體 摻雜1 緒論離子注入技術(shù)提出于上世紀(jì)五十年代，剛提出時(shí)是應(yīng)用在原子物理和核物理究領(lǐng)域。后來(lái)，隨著工藝的成熟，在1970年左右，這種技術(shù)被引進(jìn)半導(dǎo)體制造行業(yè)。離子注入技術(shù)有很多傳統(tǒng)工藝所不具備的優(yōu)點(diǎn)，比如：是加工溫度低，易做淺結(jié)，大面積注入雜質(zhì)仍能保證均勻，摻雜種類(lèi)廣泛，并且易于自動(dòng)化。離子注入技術(shù)的應(yīng)用，大大地推動(dòng)了半導(dǎo)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(jìn)入了大規(guī)模及

2、超大規(guī)模時(shí)代（ULSI）。由此看來(lái)，這種技術(shù)的重要性不言而喻。因此，了解這種技術(shù)進(jìn)行在半導(dǎo)體制造行業(yè)以及其他新興領(lǐng)域的應(yīng)用是十分必要的。2基本原理和基本結(jié)構(gòu)2.1 基本原理離子注入是對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜的一種方法。它是將雜質(zhì)電離成離子并聚焦成離子束，在電場(chǎng)中加速而獲得極高的動(dòng)能后，注入到硅中而實(shí)現(xiàn)摻雜。離子具體的注入過(guò)程是：入射離子與半導(dǎo)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(guò)一段曲折路徑的運(yùn)動(dòng)后，因動(dòng)能耗盡而停止在某處。在這一過(guò)程中，涉及到“離子射程”、“”等幾個(gè)問(wèn)題，下面來(lái)具體分析。2.1.1 離子射程圖2.1.1（a） 離子射程模型圖圖2.1.1（a）是離子射入硅中路線(xiàn)

3、的模型圖。其中，把離子從入射點(diǎn)到靜止點(diǎn)所通過(guò)的總路程稱(chēng)為射程；射程的平均值，記為，簡(jiǎn)稱(chēng)平均射程 ；射程在入射方向上的投影長(zhǎng)度，記為,簡(jiǎn)稱(chēng)投影射程；投影射程的平均值，記為，簡(jiǎn)稱(chēng)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。定義在位移處這兩種能量損失率分別為和 ：（1） （2）則在內(nèi)總的能量損失為：（3）（4）的計(jì)算比較復(fù)雜，而且無(wú)法得到解析形式的結(jié)果。圖2.1.1(b)是數(shù)值計(jì)算得到的曲線(xiàn)形式的結(jié)果。的計(jì)算較簡(jiǎn)單，離子受電子的阻力正比于離子的速度。左圖中，時(shí)，圖2.1.1（b）離子總能量損失率數(shù)值計(jì)算曲線(xiàn)圖2.1.1（c）Sn > Se時(shí)離子路徑圖2.1.1（d）Sn &l

4、t; Se時(shí)離子路徑討論：(1)當(dāng)入射離子的初始能量小于所對(duì)應(yīng)的能量值時(shí)，以核阻擋為主，此時(shí)散射角較大，離子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生較大偏折，射程分布較為分散。如圖2.1.1（c）。 (2)當(dāng)遠(yuǎn)大于所對(duì)應(yīng)的能量值時(shí)，以電子阻擋為主，此時(shí)散射角較小，離子近似作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，射程分布較集中。隨著離子能量的降低，逐漸過(guò)渡到以核阻擋為主，離子射程的末端部分又變成為折線(xiàn)。如圖2.1.1（d）2.2 基本結(jié)構(gòu)離子注入機(jī)總體上分為七個(gè)主要的部分，分別是：離子源：用于離化雜質(zhì)的容器。常用的雜質(zhì)源氣體有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。 質(zhì)量分析器： 不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分

5、離出所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。加速器： 為高壓靜電場(chǎng)，用來(lái)對(duì)離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個(gè)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(lái)將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)： 用來(lái)實(shí)現(xiàn)離子束 x、y方向的一定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。工作室： 放置樣品的地方，其位置可調(diào)。圖2.2離子注入系統(tǒng)示意圖2.2.1 離子源根據(jù)離子源的類(lèi)型分類(lèi)，可以將其分為兩類(lèi)：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 100 mm ，亮度為 10 100 A/cm2

6、.sr。而聚焦方式則需要高亮度小束斑離子源，當(dāng)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 5 500 nm，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(lái)的一種高亮度小束斑的離子源，其離子束經(jīng)離子光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，可形成 納米量級(jí)的小束斑離子束，從而使得聚焦離子束技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。此技術(shù)可應(yīng)用于離子注入、離子束曝光、刻蝕等。工作原理：E1 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(diào)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 5 mm，改變 E2 可以調(diào)節(jié)針尖與引

7、出極之間的電場(chǎng)，使液態(tài)金屬在針尖處形成一個(gè)圓錐，此圓錐頂?shù)那拾霃?僅有 10 nm 的數(shù)量級(jí)，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(guān)鍵。當(dāng)E2 增大到使電場(chǎng)超過(guò)液態(tài)金屬的場(chǎng)蒸發(fā)值（ Ga 的場(chǎng)蒸發(fā)值為 15.2V/nm）時(shí)，液態(tài)金屬在圓錐頂處產(chǎn)生場(chǎng)蒸發(fā)與場(chǎng)電離，發(fā)射金屬離子與電子。其中電子被引出極排斥，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。2.2.2質(zhì)量分析系統(tǒng)質(zhì)量分析系統(tǒng)分為兩種，質(zhì)量分析器和磁質(zhì)量分析器。本文進(jìn)分析質(zhì)量分析器。由一套靜電偏轉(zhuǎn)器和一套磁偏轉(zhuǎn)器組成，E 與 B 的方向

8、相互垂直。它由一套靜電偏轉(zhuǎn)器和一套磁偏轉(zhuǎn)器組成，E 與 B 的方向相互垂直。圖2.2.2質(zhì)量分析器原理圖由得，代入，得：當(dāng)時(shí)，即當(dāng)時(shí)，離子不被偏轉(zhuǎn)。由此可解得不被偏轉(zhuǎn)的離子的荷質(zhì)比為 對(duì)于某種荷質(zhì)比為的所需離子，可通過(guò)調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓或偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng) B ，使之滿(mǎn)足下式，就可使這種離子不被偏轉(zhuǎn)而通過(guò)光闌: 當(dāng)荷質(zhì)比為的離子不被偏轉(zhuǎn)時(shí)，具有荷質(zhì)比為的其它離子的偏轉(zhuǎn)量為:將前面的B的表達(dá)式:代入，得:討論(1) 為屏蔽荷質(zhì)比為的離子，光闌半徑D必須滿(mǎn)足:(2) 若 D 固定，則具有下列荷質(zhì)比的離子可被屏蔽:而滿(mǎn)足下列荷質(zhì)比的離子均可通過(guò)光闌:以上各式可用于評(píng)價(jià)質(zhì)量分析器的分辨本領(lǐng)。4離子注入技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及其

9、應(yīng)用4.1離子注入技術(shù)和擴(kuò)散工藝比較 圖4.1離子注入和擴(kuò)散工藝的比較關(guān)于離子注入和傳統(tǒng)擴(kuò)散工藝的比較，我們可以通過(guò)下表直觀(guān)看出來(lái)：表4.1離子注入和擴(kuò)散工藝的比較擴(kuò)散離子注入工作溫度高溫，硬掩膜9001200 低溫，光刻膠掩膜室溫或低于400各向同/異性各向同性各向異性 可控性不能獨(dú)立控制結(jié)深和濃度可以獨(dú)立控制結(jié)深和濃度 4.2優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)4.2.1優(yōu)點(diǎn)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(jié)深；可以獲得任意的摻雜濃度分布；注入溫度低，一般不超過(guò) 400，退火溫度也在 650 左右，避免了高溫過(guò)程帶來(lái)的不利影響，如結(jié)的推移、熱缺陷、硅片的變形等；結(jié)

10、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(fù)性好； 橫向擴(kuò)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(lái)控制離子束，因而易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)也易于實(shí)現(xiàn)無(wú)掩模的聚焦離子束技術(shù)；擴(kuò)大了雜質(zhì)的選擇范圍；離子注入中通過(guò)質(zhì)量分析器選出單一的雜質(zhì)離子，保證了摻雜的純度。 4.2.2缺點(diǎn)：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(jié)深；離子注入的生產(chǎn)效率比擴(kuò)散工藝低；離子注入系統(tǒng)復(fù)雜昂貴。4.3 離子注入技術(shù)的應(yīng)用4.3.1應(yīng)用范圍離子注入機(jī)主要應(yīng)用在半導(dǎo)體行業(yè)和金屬材

11、料制造業(yè)。在前者中，由于該技術(shù)的應(yīng)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(shù)大大改善了金屬材料的表面性能，提高了其抗腐蝕、耐磨、潤(rùn)滑等性能。4.3.2生產(chǎn)廠(chǎng)家介紹目前全球最大的幾家離子注入機(jī)設(shè)備廠(chǎng)商是VARIAN（瓦里安 ）, AXCELIS, AIBT（漢辰科技）, 而全球最大的設(shè)備廠(chǎng)商AMAT（應(yīng)用材料）基本退出了離子注入機(jī)的制造領(lǐng)域，高能離子注入機(jī)以AXCELIS為主，主要為批量注入。4.3.3 離子注入機(jī)實(shí)例離子注入機(jī)一般根據(jù)其束流大小分為中束流、大束流和高強(qiáng)度三種類(lèi)型，其中前兩類(lèi)應(yīng)用較為廣泛。中束流（A量級(jí)）的機(jī)型有350D、NV6200A、NV10-80，而大束流（mA量級(jí)）的機(jī)型有NV10-160、NV10-160SD、NV10-180。下面給出了GSD/200E2離子注入機(jī)技術(shù)指標(biāo)。離子束能量分類(lèi)：80KeV 形式：2 - 80KeV（也可選90KeV）160KeV形式：5 160KeV(也可選180KeV)表4.3.3（a）80KeV注入機(jī)的最大束流表4.3.3（b）160KeV注入機(jī)的最大束流可以看出，最大束流強(qiáng)度隨著離子能量的增加而變大，但當(dāng)增大到一定值時(shí)則停止增加，這說(shuō)明束流強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到飽和。5總結(jié)通過(guò)上述對(duì)離子注入技術(shù)的基本原理、基本結(jié)構(gòu)以及一些應(yīng)用的介紹，我們可以清楚地認(rèn)識(shí)到離子注入技術(shù)的重要性。半導(dǎo)體摻