5V
Gas inlets Filament
DI cooling water inlet Dopant gas inlet
Electron reflector
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离子分离器
把离子源弧光反应室里所产生的杂质离子分离 出来进行离子注入。由一个离子分离电极 （带高的负电压）和一个减速电极（减少离 子部分动能）构成。
▪ t=（QDS）/ I ▪ Q: 一个离子所带的电荷量（1.6*10-19） ▪ S：注入面积 ▪ D：注入剂量；I：离子束流强度
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离子注入方法
▪ 反冲注入：先在基体材料表面用真空蒸发镀膜和溅 射镀膜方法镀上一层所需元素的薄膜（几十纳米）， 然后用几百kev的Ar+等惰性气体离子轰击，使薄膜基体界面发生混合、渗透、形成新的表面合金。注 入的惰性气体离子仅起搅拌作用
High Current
High Energy Oxygen Ion Implanters
Description and Applications
• Highly pure beam currents <10 mA. • Beam energy is usually < 180 keV. • Most often the ion beam is stationary and the wafer is scanned. • Specialized applications of punchthrough stops. • Generate beam currents > 10 mA and up to 25 mA for high dose
on-insulator (SOI) applications.
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● 离子注入种类 ●离子注入射程 ●离子注入元素浓度深度分布 ●离子注入改性机理
– 晶格畸变强化 – 注入但无掺杂固熔强化 – 注入组元与基体组元形成化合物的沉淀强化 – 喷丸效应引起表面压应力 – 增强氧化膜
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注入改善耐磨性的机制
Low energy Low dose Fast scan speed
Mask xj
Mask
Silicon substrate
a) Low dopant concentration (n–, p–) and shallow junction (xj)
Ion implanter
High energy High dose Slow scan speed
子束）；中电流（1mA） 组成部分；离子源、质量分析器－分离杂质离
子、加速器－加速注入离子、离子束聚焦器、 扫描装置－帮助离子束对整片晶片进行扫描、 气体供应设备、真空系统、晶片的装卸装置。
2
离子源
离子源：产生离子的装置，在适当的低压下气体分子借电子 的碰撞而离化
结构：蒸发器、弧光反应室、磁铁 蒸发器：增加固态杂质的饱和蒸汽压 弧光反应室：等离子体产生器 磁铁：使电子螺旋式运动，增加与杂质分子的碰撞次数。
Atomic mass analysis magnet
Linear accelerator
Final energy analysis magnet
Source
Wafer Scan disk
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扫描装置
离子注入机产生的离子束是一条线状的粒子，须有扫 描装置才能进行整个晶片的掺杂。分为电子式和机 械式
▪ 复合层反冲注入：先在基体材料表面交替镀上二种 或二种以上金属的多层薄膜，然后用较高能量的 Ar+轰击，使其原子发生混合，得到新的注入合金 膜，可得到固溶体、非晶态或化合物
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Controlling Dopant Concentration and Depth
Ion implanter
Dopant ions Beam scan
7
质量分析器
对离子源分离出来的诸多离子进行筛选（如BF3为掺杂源时有B2+ 、B+、BF2+ 等）
原理：不同质量与不同带电荷数的离子在经过磁场时由于电磁力的作用将进行 不同曲率的圆弧运动。
8
Analyzing Magnet
Ion source Extraction assembly
Analyzing magnet Ion beam Lighter ions
▪ 辐照强化：辐照损伤使表面缺陷浓度增加，增加硬 度、屈服应力
▪ 固溶强化：注入易得到过饱和固溶体 ▪ 相结构的影响：钢中的铁素体、渗碳体通过注入C、
N间隙原子而得到强化 ▪ 弥散强化：注入的非金属元素与基体金属原子形成
化合物弥散相 ▪ 残余应力：表面压应力可防止形成裂纹 ▪ 非晶态：注入层形成非晶态，磨损速度下降
ultrashallow source/drain junctions. • Beam energy exceeds 200 keV up to several MeV. • Place dopants beneath a trench or thick oxide layer. • Able to form retrograde wells and buried layers. • Class of high current systems used to implant oxygen in silicon-
高能离子注入Biblioteka 面改性●离子注入能量与束流 ▪ 低能离子注入机：5～50Kev ▪ 中能离子注入机：50～200Kev ▪ 高能离子注入机：0.3～5Mev ▪ 中束流离子注入机：几ｕA～几百ｕA ▪ 强束流离子注入机：几mA～几十mA ▪ 连续稳流注入机 ▪ 脉冲注入机
1
离子注入设备
分类 按提供杂质离子的浓度分：高电流（10mA离
Bernas ion source assembly
5
Schematic of Bernas Ion Source
Arc chamber
Front Plate
Vapor nozzle Oven
Anode +100 V
Aperture Arc Chamber
Electron repeller
Gas feed tube
Beam scan
Mask xj
Mask
Silicon substrate
b) High dopant concentration (n+, p+) and deep junction (xj)
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Classes of Implanters
Class of Implanter System
Medium Current
implants. • Beam energy is usually <120 keV. • Most often the wafer is stationary and the ion beam does the
scanning. • Ultralow-energy beams (<4keV down to 200 eV) for implanting
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离子源
4
Schematic of Ion Source Chamber
Ion beam Extraction assembly
Extraction electrode Arc chamber Source chamber
Turbo pump
Extraction assembly
Ion source insulator
电子式：离子束分别经过水平放置及垂直放置的二组 平行板，改变施加在电极板上的电压大小，粒子束 的运动方向被偏移。，对粒子束进行上下及左右偏 移，晶片静置。
机械式：离子束方向不变，改变晶片的位置。
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其他装置
晶片冷却系统：高能离子使晶片表面温度上升影响到晶片表面光刻胶的 图形，须冷却晶片。
真空系统：
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离子注入系统的原理示意图
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General Schematic of an Ion Implanter
Ion source
Plasma Extraction assembly Analyzing magnet Ion beam
Acceleration column
Process chamber
3~5倍
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●离子注入技术发展
▪ 多元素动态混合注入 ▪ 等离子体离子注入PIII、PSII ▪ 超强束流离子注入
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+100 kV +80 kV +60 kV +40 kV +20 kV 0 kV
Ion beam
To process chamber
+100 kV
100 MW 100 MW 100 MW 100 MW 100 MW
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Linear Accelerator for High-Energy Implanters
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● 离子注入技术应用 ▪ 真空状态下表面清洗与刻蚀 ▪ 半导体P-N结 ▪ 金属表面改性
增加强度、减少摩擦力、提高强度、 提高疲劳耐磨寿命、增加耐蚀性 ▪ 制备表层非晶态 ▪ 离子束辅助增强沉积 ▪ 离子束界面缝合
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离子注入实际应用
▪ 用N+注入延长各种零件的使用寿命： ▪ 不锈钢拉丝模（YG6)注入N+后寿命延长3倍。 ▪ 铝制饮料罐盖和底的冲模注入N+后寿命延长
Scanning disk
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Ion Implanter
Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side
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离子注入工艺
1）工件表面清洗：表面应光整、洁净、经磨 光及抛光，清除表面的油污、锈迹，用化 学、电化学和超声等手段洗净表面。