半導體工藝之離子注入

1、半導體離子注入工藝 09電科A柯鵬程 0915221019離子注入法摻雜和擴散法摻雜對比來說，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。當前，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10nm10um。相對擴散工藝，粒子注入的主要好處在于能更準確地控制雜質(zhì)參雜、可重復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^電場對離子進行加速，利用磁場使其運動方向改變，這樣就可以控制離子以一定

2、的能量進入wafer內(nèi)部達到摻雜的目的。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。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位置，形成點缺陷，甚至導致襯底由晶體結(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系。有的離子射程遠，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，離子運動過

4、程中若未與任何粒子碰撞，它就可到達wafer內(nèi)部相當深的地方，這就是溝道效應。溝道效應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。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。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，通過退火能修復晶格缺陷。 缺陷修復需要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：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±1%；注入在中低溫度下進行，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；對于化合物半導體采用離子注入技術，可不該變組分而達到摻雜的目的；離子注入的橫向摻雜效應比擴散大

6、大減少了；離子注入最大的缺點就是高能離子轟擊wafer對晶格結(jié)構(gòu)造成的損傷；（5）離子注入工藝的應用改變導電類型，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散層的檢測項目、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；機械移動過程中的外包裝；注入機未清潔干凈；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；溝道效應影響離子的分布。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，接著如骨牌效應導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)。當單位體積內(nèi)移位的原子數(shù)接近半導體的原子密度時，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，這并不導致晶格

8、損傷。離子的能量會減低至交叉點能量，而在那里核阻止會成為主導。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，因此預期有大量的損傷。7.注入相關工藝多次注入及掩蔽在許多應用中，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。現(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