掺杂技术离子注入.pptxVIP

第七章 离子注入（Ion Implantation）离子注入概述最早应用于原子物理和核物理研究提出于1950’s1970’s中期引入半导体制造领域离子注入 离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。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（称为 “靶” ）而实现掺杂。离子束的性质 离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在高压下加速而获得很高的动能。 离子束的用途 掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的离子能量 E ： E 10 KeV ，刻蚀、镀膜 E = 10 ~ 50 KeV，曝光 E 50 KeV，注入掺杂 离子束加工方式可分为 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束（FIB）方式）1、掩模方式（投影方式） 掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的掩蔽膜必须是 SiO2 膜，而离子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜，也可以是光刻胶等其他薄膜。 掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是 生产效率高，设备相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是 需要制作掩蔽膜。2、聚焦方式（扫描方式) 聚焦方式的优点是 不需掩模，图形形成灵活。缺点是 生产效率低，设备复杂，控制复杂。实现聚焦方式的关键技术是 1、高亮度小束斑长寿命高稳定的离子源； 2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。7.1离子注入系统 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。 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。 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。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。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。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。工作室：放置样品的地方，其位置可调。离子注入系统示意图离子注入系统事物图 一、离子源 作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。 分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。 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 ?m ，亮度为 10 ~ 100 A/cm2.sr。 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/cm2.sr 。 1、等离子体型离子源 这里的 等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。 产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。2、液态金属离子源（LMIS） LMIS 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。 LMIS 的类型、结构和发射机理V 形针形螺旋形液态金属类型同轴形毛细管形钨针 对液态金属的要求 (1) 与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润； (3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发。 能同时满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少数几种，其中 Ga 是最常用的一种。E3 E1 是主高压，即离子束的加速电压；E2 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；E3 是加热器电源。E2引出极E1 针尖的曲率半径为 ro = 1 ~ 5 ?m，改变 E2 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 能产生小束斑离子束的关键。 当 E2 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 E2 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。E3引出极E2E1 共晶合金 LMIS 通常用来对各种半导体进行离子