离子注入技术一、 概述：离子注入工艺在现代半导体工艺中已是比较成熟的工艺。

在超高速、微波、和中大规模集成电路制备中，器件的结深，基区的宽度，都小到只有零点几微米，杂质浓度分布也有更高的要求（有的甚至要求杂质浓度很淡），这靠普通的扩散工艺是难以达到的。

而离子注入工艺恰好能弥补扩散工艺的不足，制造出理想的PN结来。

对于咱们公司来说，生产的是分立元件，要求的磷结和硼结比较深，一般至少在几个微米以上，甚至达到二十几个微米，而离子注入的结深一般在0—1微米之间，这样用离子注入是实现不了的，因此，咱们八车间的离子注入主要是用于预扩散。

相当于给硅片一个杂质表面浓度，然后再经过高温扩散工艺进行推结，达到预定深度的掺杂，形成所需要的PN结。

二、 离子注入概念离子注入用在半导体工艺中就是对半导体表面进行掺杂。

它是是利用高能量粒子轰击杂质原子或分子,使被掺杂的元素原子或分子电离, 通过加速后，将离子直接打进半导体内部去，形成PN结。

如果把离子注入机比作步枪，把被注入元素的离子比作子弹，那么，离子注入就好象用步枪打靶子一样，将离子强迫打进硅片中去，即实现了离子注入。

三、 离子注入的特点离子注入实际上是扩散工艺的一个替换方法，它和扩散掺杂相比有如下特点：1、优点：a)晶片表面良好的均匀性：离子注入是通过扫描将杂质离子打进硅片中去，因此，可获得大面积均匀掺杂，而采用热扩散法，温度和气流互相作用总是存在的，因此产生晶片表面不良的均匀性。

b)晶片间良好的重复性：一旦注入机相应的能量和剂量被设定，则所有晶片上的注入深度和浓度都应该是精确的。

而使用扩散炉方法，由于受温度气流及环境气氛的影响，每一舟或每一片的情况都将有所不同。

同时在时间上也存在不同，不易控制。

c)离子注入没有横向扩散，即使是有也是很小很小。

而扩散法有横向扩散。

d)掺杂的杂质纯度高：离子注入掺杂的杂质纯度高，它是高真空下，通过质量分析器（磁场）进行分析选取单一杂质离子的，并且是在低温下注入，不受沾污，结受沾污的可能性很小，从而保证了掺杂的纯度。

而高温扩散，不是在真空条件下，扩散时间比较长，易受外界的钠离子以及其他杂质离子的沾污。

e)温度：离子注入可在低温（25~300℃）便可以工作，而扩散必须在（900℃—1200℃）的高温条件下工作。

f)掩蔽：在进行选择性掺杂的时候，离子注入可用金属、二氧化硅、氮化硅及抗蚀剂做掩蔽膜，而扩散法只能用二氧化硅、氮化硅做掩蔽膜。

g)浓度：离子注入通过设定注入剂量，可以任意改变掺杂浓度，注入浓度变化范围广，而扩散法受杂质在硅中溶解度限制。

2、缺点：离子注入的设备庞大复杂、操作复杂,设备价格昂贵；对设备依赖性大，高能量的离子被注入到晶体内部后，使得在离子射程内的硅片区域，产生各种晶格缺陷，虽然这些缺陷可以通过退火得到改善，但不一定能完全消除。

缺陷的存在，对器件的特性总是有些影响的；离子注入法的结深很浅（0—1微米），对于制造深结器件还有困难。

高能射线对操作者有毒害。

四、 离子注入机1、离子注入机的分类①按能量分：低能量机 60 kev 以下中能量机 60 — 200 kev高能量机 200 kev 以上②按束流分：小束流机 1 — 100 uA 以下中束流机 100 — 1000 uA大束流机 1 mA 以上2 、离子注入机的结构离子源系统—磁分析器—高压加速器—聚焦系统—扫描系统—偏转系统—靶室离子源：离子源是离子注入的心脏，那么离子源的作用是什么呢？首先是把要注入的元素的原子电离成为离子。

所谓电离就是打掉原子外围的一个或几个电子，使原子成为带一个或几个正点荷的离子，这样的离子才能在电场中被加速。

任何离子源基本原理包括：（1） 一个相对的高压强区域，这个区域包括许多要求掺杂物质的原子或分子。

在离子注入机中离子源产生高压强区。

有两种方法：a 气态源：是比较容易获得的，是一种气态化合物。

例如：硼是三氟化硼化合物 BF3BF3—10B+10BF+10BF2+ … F+ F2+…11B+11BF+11BF2+11BF3+10B+111B+110BF ++11BF ++ 等等。

b 固态源：它是单质，气化后浓度较大，束流也较大，但获得气化较困难，需要加热几百度，甚至上千度。

还要说明一点，B不能用固态源，因B气化温度大于2500℃，难以实现，因此，B只好用气态化合物，束流没有固态源大，B束流不大的第二个因素是它有两种同位素，B10（19%）和B11（81%），因此，只能选择B11。

（2） 一个电子源——这个电子源能发射出电子并与原子或分子碰撞使原子或分子形成离子。

（3） 一个电场——增加电子与原子碰撞的几率形成更多的离子。

（4） 有吸出离子的电极——吸极。

离子源具体工作原理：离子源是注入离子束的发生器，主要由放电管腔、阳极、吸收极、高频振荡线圈）。

和辅助磁场等组成。

如果以注入硼杂质为例，离子源的工作气体是三氟化硼（BF3由于放电管内有少量自由电子存在，这些电子在电场和磁场的共同作用下作高速螺旋运动（以增加自由电子的射程），从而获得足够使杂质原子发生激发和电离的能量。

当这些高能电子和中性杂质原子发生碰撞时，会把杂质原子的外层电子打出来，使杂质原子变成离子。

这一过程连续不断，就会有大量的杂质离子产生。

这些杂质离子经吸收极吸出，由初聚系统聚焦成粗离子束并射向磁分析器。

磁分析器：离子源中产生的离子通常不是单独一种离子，而是多种离子，但我们所需要的只是一种杂质离子。

因此，必须采取磁分析器对离子束进行质量分离，选出所需的单一离子。

在磁分析器中，离子束流在与磁场垂直的平面内以恒定速度在真空中运动。

由电磁学原理可知，此时带电粒子受洛仑兹力的影响作匀速圆周运动。

对于不同质量的离子，其匀速圆周运动的半径是完全不同的。

磁分析器就根据不同离子其运动半径不同的原理，将不同的离子一一分离开来，把不需要的杂质离子滤除掉，只把所需要的一种杂质离子挑选出来送进加速器进行加速。

其基本原理是利用在磁场中运动的带电粒子所受洛仑兹力的偏转作用。

在带电离子速度垂直于均匀磁场的情况下，洛仑兹力可用下式表示qvH=mv2/R式中q ：离子电荷； v ：离子速度；H ：磁场强度；m：离子质量；R：离子圆周运动的半径。

利用E=1/2mV 2式中E 为离子能量。

以U 表示吸极电压，则E=qU 。

代入后简化得HR=在进入分析磁铁前，离子能量为E=qU 。

由于曲率半径R 是已知的，只有满足上式的离子方能进入可变狭缝，故可通过改变分析磁铁的激磁电流来改变磁场强度，从而选择不同荷质比m/q 的离子。

2mU q加速器：从离子源吸出的带正电杂质离子，还必须用一个具有强电场作用的加速器进行加速，从而使杂质离子具有穿越机器系统并射入靶室所需的能量。

加速器主要组成部分是真空室及高压电源。

聚焦系统：由于从加速器出来的离子束有一个张角，他们都是正离子，因此，要互相排斥，为了减少束流损失，一般常用电磁透镜加以聚焦。

扫描系统：从聚焦系统出来的离子束打到硅片上是一个亮斑，利用扫描的方法对靶片进行大面积离子注入，使整个靶片得到均匀的杂质离子分布。

目前常用扫描器是把两对互相垂直的偏转极，依次安放在离子束的通道上，使离子束产生偏转。

偏转系统：当杂质离子在离子注入中行进时，会与系统中的残余气体分子碰撞，将电荷转给这些气体分子而变成中型原子。

中性原子不受扫描器静电偏转板的作用，所以不发生偏转而一直打在靶片中心，使靶片中心浓度高于周围，引起注入不均匀。

因此，一般离子注入机都在扫描器后面装有偏转板，使离子束偏离原来行进方向后再注入靶片，这样仍按原方向行进的中性原子对靶片不起注入作用，从而保证了杂质离子在硅片表面的均匀注入。

靶室：靶室也称工作室，五、离子注入的基本原理具有一定动能的离子射进硅片内部后，由于硅片内原子核和电子的不规则作用，而使得注入的离子能量逐渐受到消耗，离子注入速度减慢，在硅片内部移动到一定的距离就停止在硅片内某一位置上。

离子注入到硅片中，由于多次的碰撞而使得动能消耗，而在硅片某一位置上停了下来，这时离子运动的方向，就会偏离其起始方向。

因此，离子注入的实际距离，应该是其投影射程。

用离子注入法在硅片内部形成的杂质分布与用扩散法形成的杂质分布有很大的不同。

用扩散法获得的杂质分布通常为余误差函数分布或高斯分布，而用离子注入法获得的杂质分布，其浓度最大值并不在硅片表面，而是在深入到硅体内一段距离的地方。

这段距离的大小与注入离子能量的大小有关。

在一般情况下，杂质浓度的最大值在离开表面约一千埃处。

离子注入法所以会形成如此形式的杂质分布，是由于杂质离子被电场加速注入硅片以后，受硅原子的阻挡被耗尽了动能，才停留在硅体内。

实际上，杂质离子的动能是按一定几率分布的，各个杂质离子的动能各不相同。

能量大的离子或能量小的离子都是少数，而能量居中的离子注入硅体后，将在硅体内形成如图所示的杂质分布，其浓度最大值不在硅片表面，而深入到硅片内部一段距离。

离子注入剂量（即表面处单位面积内包含的杂质离子数目），与注入的离子流的电流密度（通常称为束流密度）的大小及注入时间的长短有关。

在有遮蔽介质存在的情况下，离子注入的杂质分布近似扩散再分布以后的高斯分布。

其近似程度取决于掩蔽介质膜的厚度及注入离子能量的大小。

离子注入硅体内后，会使一定数量的硅原子脱离原来的晶格位置而在硅片内部形成微观损伤区，破坏晶格结构的完整性。

这部分微观损伤区对硅器件性能是有影响的。

如何消除这部分微观损伤区呢？可以在氮气保护下，使硅片在一定温度下保持一段时间，使微观缺陷区下面未受损伤的硅单晶“外延生长”，从而使微观损伤区的晶格复原。

习惯上把这种热处理称为“退火”。

退火除了有消除微观损伤区的作用外，还有一个重要作用就是使那些注入硅中的杂质离子，进入替代硅原子的位置而成为电活性杂质离子，从而起到受主或失主的作用。

退火温度与注入离子剂量有关。

对注入剂量在1014个离子/厘米2以下的，硅片退火温度约为400~500℃；对注入剂量大于1014个离子/厘米2的重掺杂，由于分散的损伤区互相连接起来形成一层非晶层，要使这一层非晶层恢复到单晶状态，需要采取较高的退火温度，一般选在750~950℃。

经过退火处理以后，并不能使所有损伤缺陷都得到消除，还会有一些小的损伤缺陷残留下来，但它们对器件性能的影响已不大了。

BF3的性质及危害：氟化硼是一种无色的气体，它在潮湿的空气中发出烟雾并带有一种刺激的令人窒息的臭味。

它是不易燃的，并且也不支持燃烧。

它通常作为一种不能液化的气体包封在气瓶里。

它非常易溶于水并伴随反应（接近等于生成氟化硼一水化合物），并且比空气重。

氟化硼对呼吸道有很大的刺激性。

应避免皮肤或眼睛裸露或吸入氟化硼。

PH3的性质及危害：磷化氢是一种无色的可燃的剧毒气体，并带有一股腐烂的鱼臭味。