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1、#现代物理实验讲义 -离子注入部分（ 10 简化版）杜树成、叶晓云改编师大低能所 离子注技术和离子注入 层特性分析（实验讲义）为电子版CH1 离子注入的基本知识CH1.0 离子注入技术简介CH1.1 离子注入设备CH1.2 离子注入理论简介网络材料：Advanced Topics in VLSI Technology -From the wafer to the transistorhttp:/www.eng.tau.ac.il/yosish/courses/vlsi1/I-5-ion-implantation.pdfCH1.3 半导体中离子注入的损伤和退火CH2 离子注入专题CH2.1 离子
2、注入层电特性测量分析实验CH2.2 离子注入模拟CH2.3 离子注入在半导体器件工艺中的应用举例网络材料 1： Profs. T. Paul Chow and James Lu, ECSE-6300 Fabrication Laboratory Lecture 5 Ion Implantationhttp:/www.rpi.edu/dept/cieem/mcrusers/fablab/notes/02-27-2006/Fablab06-5.ppt# J_BEGIN网络材料 2： Ion implantation,Campbell, Chapter 5http:/ecow.engr.wisc.e
3、du/cgi-bin/get/msae/333/matyi/notes/12_implant3_00.ppt网络材料 3： SRIM2010.exehttp:/www.srim.org/SRIM/SRIMLEGL.htmCH2.3 离子注入专题报告及自由选择CH3 考试宝典CH3.1 (本部分) 成绩计算CH3.2 (本部分) 准备考试之复习重点CH3.3 (本部分) 准备考试之复习题及参考答案#CH1.0 离子注入技术简介CH1.0.1 离子注入产生的背景及作用CH1.0.2 离子注入原理CH1.0.3 离子注入的优点和缺点返回# J_CH1_0#CH1.1 离子注入设备离子注入设备通常由离
4、子源、分析器、加速聚焦系统和靶室等组成。1离子源2加速器3分析器4偏转扫描5X,Y 扫描器6靶室7真空系统附件一：离子注入设备示意图附件二：离子注入设备示例返回# J_CH1_1#CH1.2 离子注入理论简介一定能量的离子注入到材料内部，会和材料的原子核和核外电子发生一系列的碰撞。对于一个离子，发生碰撞的种类、碰撞后入射离子和靶材料原子的移动方向是随机的。其运动轨迹是一条无规则曲线。对于大量的离子求平均可以得到描述离子注入的物理量及其规律。CH1.2.0 离子注入理论点滴CH1.2.0.1 能量损失过程的描述经典理论：碰撞量子理论：散射波尔判据CH1.2.0.2 描述离子注入的重要物理量1阻止
5、本领统计平均量（1）核阻止本领：弹性处理，低能、重离子重要（2）电子阻止本领：非弹性处理，高能、轻离子重要2散射截面描述微观过程的量（1）微分散射截面（2）总散射截面3微观粒子相互作用势（1）离子-电子散射势（2）原子-原子相互作用势CH1.2.0.3 不同模型下的描述波尔公式、贝特-布洛赫公式、Linhard 的介电描述等等CH1.2.0.4 若干处理技巧（非）弹性近似，高速、低速下的近似，基本项与修正CH1.2.1 离子分布的描述：LSS 理论离子注入在固体中分布的系统理论是由丹麦物理学家 Linhard、Scharff 和 Schiott 三人首先提出来的，简称 LSS 理论。CH1.2
6、.1.1 关键物理量射程、平均投影射程和标准偏差CH1.2.1.2 核心公式和结论# J_CH1_21LSS 积分-微分方程关于射程的：P(R,E)关于投影射程的：P(E,z, )2射程分布函数的构筑（1）分布函数与中心矩（2）高斯分布（3）其它分布双半高斯分布、Edgeworth 分布、Pearson 分布参考资料：离子在固体中的阻止本领射程和沟道效应 ，唐家镛，张祖华，原子能出版社返回#CH1.3 半导体中离子注入的损伤和退火半导体基本上是晶体。离子注入晶体时，不可避免地产生大量的缺陷。同时注入离子最后停留的位置是随机的，其停留的位置往往是间隙位置。间隙位置的杂质一般认为是不参与导电的。离
7、子注入后的样品必须进行退火处理。CH1.3.1 离子注入引起的损伤CH1.3.2 离子注入样品的退火返回# J_CH1_3#CH1.0.1 离子注入产生的背景及作用离子注入是 60 年代随着宇航、自控、电子计算机和电子对抗技术的飞速发展而产生一门多学科性的边缘科学。离子注入技术有着广泛的应用。 （1）离子注入是半导体工业技术基础之一。用于实现集成电路和其他半导体器件的掺杂、SOI 等。例如: 大规模集成电路中，64Mbit 为 20 次，256Mbit 为 30 次，注入离子种类和能量、剂量范围逐渐扩宽。最低能量需 1keV 以下，高能端大于 3MeV，注入离子的种类有：B、P、As、In、S
8、b、Si、Ge、N、F、O、C 等，注入剂量。 （2）离子注入在金属表面改性方面有广泛应用。通过离子11600/cm注入，降低金属的摩擦系数，提高金属的耐磨性、抗氧化、抗腐蚀、抗疲劳能力。例如：喷嘴、模具和钻头等高精度工件的改性。 （3）离子注入可以用于生物工程领域。通过注入离子和生物体的相互作用实现诱变育种、细胞加工和基因转移等。具有生理损伤小、突变谱广、突变频率高，具有一定的重复性和方向性等优点。例如：种子、菌体（4）离子注入是研究表面物理和非晶态特性的一种重要工具。 （5）其它：陶瓷、玻璃、晶体、聚合物等材料的表面改性。返回# J_CH1_0_1#CH1.0.2 离子注入原理离子注入是利
9、用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。一般的说,离子能量在 15KeV 的称为离子镀；0.1-50KeV 称作离子溅射；一般称 10几百 KeV 的称为离子注入。返回# J_CH1_0_2#CH1.0.3 离子注入的优点和缺点1优点A.半导体领域(1)注入杂质不受靶材料固溶度的限制(2)杂质的面密度和掺杂深度精确可控(3)横向扩散小，适合制作浅结。(4)大面积均匀性好(5)掺杂纯度高（6）能够穿透一定的掩蔽膜（7）在化合物半导体工艺中有特殊意义B金属改性和加工（8）被加工零件不易变形，尺寸不发生变化（9）可注入元素多、能产生新相、无废
10、液污染（10）离子镀膜可以使膜层与基体结合牢固C生物（11）可以给生物注入部分施加离子、能量、电荷等多种作用。有较高的诱变几率。2离子注入（半导体）的缺点（1）设备复杂，价格昂贵（2）不可避免地产生各种缺陷（3）制作深结有一定的困难返回# J_CH1_0_3#1离子源将原子或分子电离并且引出的系统称为离子源。（1）离子源的组成和种类离子源由产生高密度等离子体的腔体和引出部分（吸极）组成。目前已研制出多种类型的离子源：高频等离子源、弧放电离子源、PIG 离子源（潘宁源） 、双等离子源、双彭源、转荷型负离子源、溅射型负离子源等。目前离子源技术还在不断地发展着。环形双等离子体离子源大型双彭源已可提供
11、百安级的氢正离子流。磁控管型负离子源已得到安培级的氢负离子束。一些小型离子源则具有低能散低功耗低气耗长寿命等特色。在产生多电荷重离子束的实验装置(如电子回旋共振离子源电子束离子源)中都已得到电荷态很高的重离子。这些新型装置已逐渐被回旋加速器所采用。而能产生高温等离子体的利用惯性约束的激光离子源也产生了高电荷态离子。（2）对离子源的要求能产生多种元素离子；有适当的束流强度；结构简单、束流调节方便、稳定、寿命长；引出束分散小、离子能量分散小。返回# J_CH1_1_1#2加速器产生强的电场，将离子源出来的离子加速到所需要的能量。返回# J_CH1_1_2#3分析器离子分选器。离子源产生的离子束中往
12、往有几种离子。用分析器可以从这些离子中选择出所需要的。磁分析器：在离子通道上加磁场，离子在磁场中偏转。磁场一定时离子在磁场中的运动半径由离子的荷质比和能量决定。让选中离子的偏转半径正好可以准直地进入管道。返回# J_CH1_1_3#4偏转扫描离子注入机中应该保持高真空。实际上其中不可避免的有残留的气体分子，离子在行进过程中可能和其碰撞并且交换电荷变成中性原子。中性原子的能量、电荷属性和离子不同，注入到靶材料上会引起注入不均匀。偏转扫描是在离子束进入靶室前给其施加电场，电场使其中的离子偏转进入靶室，中性原子则不被偏转而不进入靶室。从而去掉了中性粒子。返回# J_CH1_1_4#5X,Y 扫描器离
13、子束束斑很小，一般只有微米量级。给离子束施加磁场或电场，使其在 X,Y 方向扫描。在靶上均匀扫描。返回# J_CH1_1_5#6靶室放置、取出样品。可以有给样品加温的装置。返回# J_CH1_1_6#附件一：离子注入设备示意图返回# J_F_CH1_1_1#附件二：离子注入设备示例返回# J_F_CH1_1_2#CH1.2.1 射程、平均投影射程和标准偏差1 射程：入射离子在把材料中所经过的路程2 投影射程：入射离子在把材料中的最后位置在入射方向的投影长度。用 表示。pX入射离子运动示意图3 平均投影射程：大量离子投影射程的平均值。用 表示。PR4 标准偏差 ： . . . . . .（N 为
14、入射离子总数）PR2()/PX返回# J_CH1_2_1#CH1.2.2 离子注入分布离子经过一系列碰撞后停留在表面以下某一位置的几率称为离子注入的分布。1 用高斯分布来描述离子注入分布 )2(exp)( 2PMaRNx，D杂质注入剂量(杂质面密度)。 、 与离子和靶材/2MaxPNR PR料的种类以及离子能量有关，可以通过查表得到。2 结深PN 结到样品表面的距离。即满足 N(x)衬底掺杂浓度的 x。由于 N(x)随 x 的变化非常剧烈，可以用下式估算结深： 4jPPxR返回# J_CH1_2_2#CH1.3.1 离子注入引起的损伤离子入射到靶材料中，与晶格原子发生多次猛烈碰撞，使原子从它们
15、的晶格位置上产生位移并获得能量。离子和移位原子和其它原子继续发生碰撞。这样在离子路径上产生了高畸变区。当入射离子的面密度（入射离子剂量）达到一定值时，畸变区重叠形成非晶层。1离子注入引起的点缺陷（1）空位（2）空位和半导体原子的复合体（3） “空位氧原子”复合体（4）双空位这些缺陷都有一定的能级。其能级可以通过测量得到。3临界剂量刚刚能产生非晶层时的入射离子的剂量（面密度）称为临界剂量。临界剂量与入射粒子的种类、靶材料等因素有关。一些离子注入硅的临界剂量如下表：表 1.3.1 一些离子注入硅的临界剂量注入离子 B Al, P Ga, As In, Sb Ti, Bi临界剂量/ 1420cm20
16、0 5 2 1 0.54离子注入损伤分布某一点损伤的密度与该点入射离子淀积给靶材料的能量密度成正比的。因此可以通过计算离子在靶内的能量淀积分布函数来表征离子注入引起的损伤分布。有不同的方法计算离子注入损伤。结果表示也不尽相同。可以用高斯分布来表示能量淀积函数 E(x)的分布。 2()exp()DMaXEx其中 。 和 为损伤分布的的投影射程和标准偏差。 /2MaxDDNXXD一般小于 ； 与离子的质量、能量等因素有关。DPR返回# J_CH1_3_1#CH1.3.2 离子注入样品的退火1退火及其作用将样品加热到一定温度，并且保持一定时间的工艺称为退火。退火工艺有着广泛的应用。在一定的高温下，离子注入样品中
