半導(dǎo)體工藝之離子注入

1、半導(dǎo)體離子注入工藝 09電科A柯鵬程 0915221019離子注入法摻雜和擴(kuò)散法摻雜對比來說，它的加工溫度低、容易制作淺結(jié)、均勻的大面積注入雜質(zhì)、易于自動化等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，離子注入法已成為超大規(guī)模集成電路制造中不可缺少的摻雜工藝。離子注入是一種將帶點(diǎn)的且具有能量的粒子注入襯底硅的過程。注入能量介于1eV到1MeV之間，注入深度平均可達(dá)10nm10um。相對擴(kuò)散工藝，粒子注入的主要好處在于能更準(zhǔn)確地控制雜質(zhì)參雜、可重復(fù)性和較低的工藝溫度。1.離子注入原理:離子是原子或分子經(jīng)過離子化后形成的，即等離子體，它帶有一定量的電荷?？赏ㄟ^電場對離子進(jìn)行加速，利用磁場使其運(yùn)動方向改變，這樣就可以控制離子以一定

2、的能量進(jìn)入wafer內(nèi)部達(dá)到摻雜的目的。離子注入到wafer中后，會與硅原子碰撞而損失能量，能量耗盡離子就會停在wafer中某位置。離子通過與硅原子的碰撞將能量傳遞給硅原子，使得硅原子成為新的入射粒子，新入射離子又會與其它硅原子碰撞，形成連鎖反應(yīng)。雜質(zhì)在wafer中移動會產(chǎn)生一條晶格受損路徑，損傷情況取決于雜質(zhì)離子的輕重，這使硅原子離開格點(diǎn)位置，形成點(diǎn)缺陷，甚至導(dǎo)致襯底由晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榉蔷w結(jié)構(gòu)。 2.離子射程離子射程就是注入時，離子進(jìn)入wafer內(nèi)部后，從表面到停止所經(jīng)過的路程。入射離子能量越高，射程就會越長。投影射程是離子注入wafer內(nèi)部的深度，它取決于離子的質(zhì)量、能量，wafer的質(zhì)量以

3、及離子入射方向與晶向之間的關(guān)系。有的離子射程遠(yuǎn)，有的射程近，而有的離子還會發(fā)生橫向移動，綜合所有的離子運(yùn)動，就產(chǎn)生了投影偏差。3.離子注入劑量注入劑量是單位面積wafer表面注入的離子數(shù)，可通過下面的公式計算得出 Q=It/enA ，式中，Q是劑量；I是束流，單位是安培；t是注入時間，單位是秒；e是電子電荷，1.6×10-19C；n是電荷數(shù)量；A是注入面積，單位是 。4.離子注入工藝（1）溝道效應(yīng)入射離子與wafer之間有不同的相互作用方式，若離子能量夠高，則多數(shù)被注入到wafer內(nèi)部；反之，則大部分離子被反射而遠(yuǎn)離wafer。注入內(nèi)部的原子會與晶格原子發(fā)生不同程度的碰撞，離子運(yùn)動過

4、程中若未與任何粒子碰撞，它就可到達(dá)wafer內(nèi)部相當(dāng)深的地方，這就是溝道效應(yīng)。溝道效應(yīng)將使離子注入的可控性降低，甚至使得器件失效。因此，在離子注入時需要抑制這種溝道效應(yīng)。在wafer表面淀積一層非晶格結(jié)構(gòu)材料或事先破壞掉wafer表面較薄的一層結(jié)晶層等都可降低溝道效應(yīng)。2）退火離子注入會對晶格造成損傷，注入劑量較大時，wafer將會由單晶變成非晶，通過退火能修復(fù)晶格缺陷。 缺陷修復(fù)需要500的溫度，雜質(zhì)的激活需要950的高溫，有高溫爐退火和快速熱退化兩種方法。高溫爐退火是在8001000的高溫下加熱30分鐘，因會導(dǎo)致雜質(zhì)再分布，不常采用；快速熱退火采用快速升溫并在1000的高溫下保持很短的時間

5、，可達(dá)到最佳效果。（3）顆粒污染離子注入對顆粒污染非常敏感，wafer表面的顆粒會阻礙離子束的注入，大電流的注入會產(chǎn)生更多顆粒，必要時需 采取糾正措施。（4）離子注入工藝有以下特點(diǎn)：注入的離子經(jīng)過質(zhì)量分析器的分析，純度很高、能量單一。而且注入環(huán)境清潔、干燥，大大降低了雜質(zhì)污染。注入劑量可精確控制，雜質(zhì)均勻度高達(dá)±1%；注入在中低溫度下進(jìn)行，二氧化硅、光刻膠、氮化硅等都可以作為注入時的掩蔽層。襯底溫度低，就避免了高溫擴(kuò)散所引起的熱缺陷；離子注入是一個非平衡過程，不受雜質(zhì)在襯底中的固溶 度限制；對于化合物半導(dǎo)體采用離子注入技術(shù)，可不該變組分而達(dá)到摻雜的目的；離子注入的橫向摻雜效應(yīng)比擴(kuò)散大

6、大減少了；離子注入最大的缺點(diǎn)就是高能離子轟擊wafer對晶格結(jié)構(gòu)造成的損傷；（5）離子注入工藝的應(yīng)用改變導(dǎo)電類型，形成PN結(jié)，如形成源、漏以及阱等；改變起決定作用的載流子濃度，以調(diào)整器件工作條件；改變襯底結(jié)構(gòu)；合成化合物。5.離子注入質(zhì)量檢測離子注入層的檢查與擴(kuò)散層的檢測項(xiàng)目、檢測方法基本相同。（1）顆粒污染測量檢測wafer表面的顆粒數(shù)，顆粒會造成摻雜的空洞。顆粒的可能來源有：電極放電；機(jī)械移動過程中的外包裝；注入機(jī)未清潔干凈；溫度過高造成光刻膠脫落；背面的冷卻橡膠；wafer處理過程產(chǎn)生的顆粒。（2）劑量控制摻雜劑量不合適導(dǎo)致方塊電阻偏高或偏低。摻雜劑量不合適的原因有：工藝流程錯誤；離子束

7、電流檢測不夠精確；離子束中混入電子，造成計數(shù)器計算離子數(shù)量的錯誤，導(dǎo)致?lián)诫s劑量過大；退火問題。（3）超淺結(jié)結(jié)深摻雜剖面不正確，高溫會造成雜質(zhì)再分布，增加結(jié)深以及橫向摻雜效應(yīng)；溝道效應(yīng)影響離子的分布。6.注入損傷與退火離子注入中，與原子核碰撞后轉(zhuǎn)移足夠的能量給晶格，使基質(zhì)原子離開晶格位置而造成注入損傷（晶格無序）。這些離位的在也許獲得入射能量的大部分，接著如骨牌效應(yīng)導(dǎo)致鄰近原子的相繼移位而形成一個沿著離子路徑的樹枝狀的無序區(qū)。當(dāng)單位體積內(nèi)移位的原子數(shù)接近半導(dǎo)體的原子密度時，單晶材料便成為非晶材料。輕離子的樹枝狀的無序區(qū)不同于重離子。輕離子（11B+）大多數(shù)的能量損傷起因于電子碰撞，這并不導(dǎo)致晶格

8、損傷。離子的能量會減低至交叉點(diǎn)能量，而在那里核阻止會成為主導(dǎo)。因此，晶格無序發(fā)生在離子最終的位置附近.重離子的能量損失主要是原子核碰撞，因此預(yù)期有大量的損傷。7.注入相關(guān)工藝多次注入及掩蔽在許多應(yīng)用中，除了簡單的高斯分布外其它的雜質(zhì)分布也是需要的。例如硅內(nèi)預(yù)先注入惰性離子，使表面變成非晶。此方法使雜質(zhì)分布能準(zhǔn)確地控制，且近乎百分百的雜質(zhì)在低溫下激活。在此情況下，深層的非晶體層是必須，為了得到這種區(qū)域，必須要做一系列不同能量與劑量的注入（多次注入）。8.傾斜角度離子注入當(dāng)器件縮小到亞微米尺寸時，將雜質(zhì)分布垂直方向也縮寫是很重要的?，F(xiàn)代器件結(jié)構(gòu)如輕摻雜漏極（LDD），需要在縱向和橫向上精確控制雜質(zhì)分布。垂直于表面的離子速度決定注入分布的投影射程。如果硅芯片相對于離子束傾斜了一個很大的角度，則等效離子能量將大為減少。在傾斜角度離子注入時，需考慮硅芯片上掩