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离子注入报告 摘要：离子注入技术是把掺杂剂的离子引入固体中的中一种材料改性的方法。由于离子注入具有纯净掺杂、大面积均匀注入、离子注入掺杂深度小、衬底温度可自由选择以及掺杂离子浓度不受平衡固溶度的限制等特点，注定了离子注入技术在半导体材料与器件方面有着重要的研究作用以及应用。简要介绍了离子注入技术的概念及基本特点。对离子注入基本原理及广泛应用做了详细阐述。 离子注入技术 1.离子注入技术的概念 离子注入技术是将某种元素的原子进行电离，并使离子在电场中进行加速，获得较高的动能后，射入固体材料表层，以改变这种材料表层的物理或化学性能的一种技术。离子注入技术最重要的应用领域是半导体掺杂，它是利用离子注入机将特定的杂质原子以离子加速的方式注入硅半导体晶体内改变其导电特性并最终形成晶体管结构。 2.离子注入的基本特点①纯净掺杂,离子注入是在真空系统中进行的,同时使用高分辨率的质量分析器,保证掺杂离子具有极高的纯度。②掺杂离子浓度不受平 衡固溶度的限制。原则上各种元素均可成为掺杂元素，并可以达到常规方法所无法达到的掺杂浓度。对于那些常规方法不能掺杂的元素,离子注入技术也并不难实现③注入离子的浓度和深度分布精确可控。注入的离子数决定于积累的束流，深度分布则由加速电压控制，这两个参量可以由外界系统精确测量、严格控制。④注入离 子时衬底温度可自由选择。根据需要既可以在高温下掺杂，也可以在室温或低温条件下掺杂。这在实际应用中是很有价值的。⑤大面积均匀注入。离子注入系统中的 束流扫描装置可以保证在很大的面积上具有很高的掺杂均匀性。⑥离子注入掺杂深度小。一般在 1um以内。例如对于100keV离子的平均射程的典型值约为0.1um。简单地说离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一个具有特殊性质的表面层（注入层）。注入杂质的深度分布 注入杂质的深度分布接近于高斯分布，注入层和基体之间没有明显的界限，结合是极其紧密的。又因为注入层极薄，可以使被处理的样品或工件的基体的物理化学性能保持不变,外形尺寸不发生宏观的变化,适宜于作为一种最后的表面处理工艺。 同时，由于高能粒子的撞击，导致硅结构的晶格发生损伤。为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行退火处理，退火有两种方式：⑴根据注入的杂质数量不同，退火温度在450℃~950℃之间，掺杂浓度大则退火温度高，反之则低。在退火的同时，掺入的杂质同时向硅体内进行再分布，如果需要，还要进行后续 的高温处理以获得所需的结深和分布。但是这些高温工艺会引起杂质的再一次扩散，从而改变原有的杂质分布，在一定程度上破坏离子注入的理想分布，高温过程也 可使过饱和的注入杂质失活。⑵瞬态高温退火是正在研究和推广的退火方式，能满足超大规模集成电路对高浓度、浅PN结和很少侧向扩散的要求。这种方式包括激光、电子束或红外辐照等瞬态退火。这种方法虽属高温，但在极短时间内(小于几秒)加热晶体，既能使晶体恢复完整性，又可避免发生明显的杂质扩散。质量分析器离子源用于产生各种强度的离子束；质量分析器用来除去不需要的杂质离子；用来保证大面积注入的均匀性；靶室用来安装需要注入的样品或元器件，对不同的对象和不同的注入条件要求可选用不同构造的靶室。 ①离子源 离子源是产生掺杂离子和形成离子束的区域。离子源主要是利用电离作用形成正电荷离子。当电弧反应室外的吸极加有一定负电压时，正离子便会从等离子体中分离出来，离开电弧反应室，并形成具有一定能量的离子束。通常在电弧腔外还有一个可调电磁铁，用来增加电子在电弧腔中的平均自由路径，使电子和杂质气体碰撞的几率增多从而更容易产生更多离子。 ②分析磁场 分析磁场是离子注入机中对离子筛选的主要部件，主要由一段弧形的真空腔体和上下一对磁铁组成。当带电离子被吸极电场加速后会获得一定的能量，由 于离子注入机的设计尺寸通常都是固定的，所以大都是采用调节磁场强度的方法来进行离子的选择。混合的粒子束进入磁场以后发生偏转，能质积与电荷的比值大的离子会轰击到分析磁场的外壁，而小的离子会轰击到内壁，只有比值恰好符合设定的所需子才会顺利通过这一区域， ③加速和聚焦 在通过分析磁铁后，离子可以再次获得另外一段加速或减速，通常称之为“后加速/ 减速”。离子注入设备的常用后加速方式有直流和交流两种。离子束的聚焦通常也在加速过程中进行。主要是为了避免离子束在运动的路径中因为自身正离子的相互排斥造成离子束的发散而损失一部分电流。另外也是为了使离子束能均 匀的分布于硅片表面。离子束的聚焦器一般由一对或几对同电位极板组成，通过加载一定的电压来调节离子束的聚集效果。 ④真空系统 离子注入设备的内部腔体被维持在极低的真空状态，一般的腔体内部压力都小于5*10-7 Torr。其目的是为了使离子束从