离子注入技术(Implant)

离子注入技术
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“离子射程”、“”等几个问题，下面来具体分析。

2.1.1
离子射程
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R ，简称平均射程 ；射程在入射方向上的投影长度，记为p x ,简称投影射程；投影射程的平均值，记为p R ，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x 处这两
种能量损失率分别为n S 和e S ：
n
n x
dE S d =
（1）
e
e e dE S k E dx
==
（2）
则在dx 内总的能量损失为：
()n e n e dE dE dE S S dx =+=+
（3）
P
000
0P 0
n
d d d d d R E E E E
R x E x S S ===+⎰
⎰⎰
（4）
n S 的计算比较复杂，而
y
x
p
x p
y p
z d E
d E
且无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。

e S 的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。

左图中，2E
E =时，n e S S =
图2.1.1（b ）离子总能量损失率数值计算曲线
图2.1.1（c ）S n > S e 时离子路径
图2.1.1（d ）S n < S e 时离子路径
讨论：
(1)当入射离子的初始能量0E 小于2E 所对应的能量值时，n
e S S >，以核阻挡
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0E 远大于2E 所对应的能量值时，n
e S S <，以电子阻挡为主，此时散射
角较小，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： ①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。

p
r p
x p
x p
r E
E
②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。

③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。

④中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。

⑤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。

⑦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 μm ，亮度为 10 ~ 100 A/cm 2.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/cm 2.sr 。

液态金属离子源是近几年发展起来的一种高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：
E 1 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 r o = 1 ~ 5 μm ，
改变 E 2 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E 2 增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（ 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
E 2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，E B ⨯质量分析器和磁质量分析器。

本文进分
3
E 2
E 1
E 引出极
析E B ⨯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 的方向相互垂直。

图2.2.2 E B ⨯质量分析器原理图
2
a 12
qV mv
=得
由
12
a 2qV v m ⎛⎫= ⎪
⎝⎭
，代入m F ，得：
(5)
(6)
f
e m (),
()
V F qE q j d
F qv B qvB j ==-=⨯=(7)
1
2m 2()()
a qV F q B j m
=
当时e m F F =，即当12
a f 2qV V q
qB d m ⎛⎫= ⎪⎝⎭
时，离子不被偏转。

由此可解得不被偏转的离子的荷质比q o 为
对于某种荷质比为q o 的所需离子，可通过调节偏转电压V f 或偏转磁场 B ，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑:
当荷质比为q o 的离子不被偏转时，具有荷质比为 /q q m =s s 的其它离子的偏转量b D 为:
将前面的
B 的表达式:
2f o 22
a
2V q
q m d B V ==(8)
(9)
1
f
2f o a 12
o a (2)(2)
V V dB q V B d q V ==
或 ()()()b f f d
21d f f f 2s a a a 11242D y L y L L L L V L B q V d V V '=+⎛⎫⎡⎤=-⋅⋅+⋅ ⎪
⎢⎥⎣⎦⎝⎭
(10)
f 1
2
o a (2)
V B d q V =
代入b D ，得:
讨论
(1) 为屏蔽荷质比为
s q 的离子，光阑半径D 必须满足:
(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:
f f
f b d a 11122V L L D L G V d ⎛⎫⎫⎛⎫=⋅
+
⋅-=- ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪⎝
⎭⎝⎭⎭
(11)
(12)1D G ⎫
<-⎪
⎪⎭
(13)
2
2
s o s o 11D D q q q q G G ⎛⎫⎛⎫
>+<- ⎪
⎪
⎝⎭
⎝⎭
或(14)
22
o s o 11D D q q q G G ⎛⎫⎛⎫-<<+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
(15)
以上各式可用于评价E B 质量分析器的分辨本领。

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
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 900－1200 ℃
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
① 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； ② 可以获得任意的掺杂浓度分布；
掺杂区
结深度
离子注入
扩散。