半导体离子注入工艺
09电科A柯鹏程 0915221019
离子注入法掺杂和扩散法掺杂对比来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。当前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。离子注入是一种将带点的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程。注入能量介于1eV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm~10um。相对扩散工艺，粒子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质参杂、可重复性和较低的工艺温度。
1.离子注入原理:
离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。
离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量，
能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。离子通过与硅原子
的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒
子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。
杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。
2.离子射程
离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。
投影射程是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏
差。
3.离子注入剂量
注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过
下面的公式计算得出 Q=It/enA ，式中，Q是剂量；I是束流，
单位是安培；t是注入时间，单位是秒；e是电子电荷，1.6×10-19C；n是电荷数量；A是注入面积，单位是 。
注入4.离子注入工艺
（1）沟道效应
入射离子与wafer之间有不同的相互作用方式，若离子
能量够高，则多数被注入到wafer内部；反之，则大部分离
子被反射而远离wafer。注入内部的原子会与晶格原子发生
不同程度的碰撞，离子运动过程中若未与任何粒子碰撞，它
就可到达wafer内部相当深的地方，这就是沟道效应。
沟道效应将使离子注入的可控性降低，甚至使得器件失效。因此，在离子注入时需要抑制这种沟道效应。在wafer表面淀积一层非晶格结构材料或事先破坏掉wafer
表面较薄的一层结晶层等都可降低沟道效应。2）退火
离子注入会对晶格造成损伤，注入剂量较大时，wafer
将会由单晶变成非晶，通过退火能修复晶格缺陷。
缺陷修复需要500℃的温度，杂质的激活需要950℃
的高温，有高温炉退火和快速热退化两种方法。高温炉退火
是在800～1000℃的高温下加热30分钟，因会导致杂质再
分布，不常采用；快速热退火采用快速升温并在1000℃的
高温下保持很短的时间，可达到最佳效果。
（3）颗粒污染
离子注入对颗粒污染非常敏感，wafer表面的颗粒会阻碍离子束的注入，大电流的注入会产生更多颗粒，必要时需
采取纠正措施。
（4）离子注入工艺有以下特点：
注入的离子经过质量分析器的分析，纯度很高、能量单一。而且注入环境清洁、干燥，大大
降低了杂质污染。
注入剂量可精确控制，杂质均匀度高达±1%；
注入在中低温度下进行，二氧化硅、光刻胶、氮化硅等都可以作为注入时的掩蔽层。衬底温度低，就避免了高温扩散所引起的热缺陷；
离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底中的固溶
度限制；
对于化合物半导体采用离子注入技术，可不该变组分而
达到掺杂的目的；
离子注入的横向掺杂效应比扩散大大减少了；
离子注入最大的缺点就是高能离子轰击wafer对晶格结
构造成的损伤；
（5）离子注入工艺的应用
改变导电类型，形成PN结，如形成源、漏以及阱等；
改变起决定作用的载流子浓度，以调整器件工作条件；改变衬底结构；合成化合物。
5.离子注入质量检测
离子注入层的检查与扩散层的检测项目、检测方法基本
相同。
（1）颗粒污染
测量检测wafer表面的颗粒数，颗粒会造成掺杂的空
洞。颗粒的可能来源有：电极放电；机械移动过程中的外包
装；注入机未清洁干净；温度过高造成光刻胶脱落；背面的
冷却橡胶；wafer处理过程产生的颗粒。
（2）剂量控制
掺杂剂量不合适导致方块电阻偏高或偏低。掺杂剂量不
合适的原因有：工艺流程错误；离子束电流检测不够精确；
离子束中混入电子，造成计数器计算离子数量的错误，导致
掺杂剂量过大；退火问题。
（3）超浅结结深
掺杂剖面不正确，高温会造成杂质再分布，增加结深以
及横向掺杂效应；沟道效应影响离子的分布。
6.注入损伤与退火
离子注入中，与原子核碰撞后转移足够的能量给晶格，使基质原子离开晶格位置而造成注入损伤（晶格无序）。这些离位的在也许获得入射能量的大部分，接着如骨牌效应导致邻近原
子的相继移位而形成一个沿着离子路径的树枝状的无序区。当单位体积内移位的原子数接近半导体的原子密度时，单晶材料便成为非晶材料。
轻离子的树枝状的无序区不同于重离子。轻离子（11B+）大多数的能量损伤起因于电子碰撞，这并不导致晶格损伤。离子的能量会减低至交叉点能量，而在那里核阻止会成为主导。因此，晶格无序发生在离子最终的位置附近.重离子的能量损失主要是原子核碰撞，因此预期有大量的损伤。
7.注入相关工艺－多次注入及掩蔽
在许多应用中，除了简单的高斯分布外其它的杂质分布也是需要的。例如硅内预先注入惰性离子，使表面变成非晶。此方法使杂质分布能准确地控制，且近乎百分百的杂质在低温下激活。在此情况下，深层的非晶体层是必须，为了得到这种区域，必须要做一系列不同能量与剂量的注入（多次注入）。
8.倾斜角度离子注入
当器件缩小到亚微米尺寸时，将杂质分布垂直方向也缩写是很重要的。现代器件结构如轻掺
杂漏极（LDD），需要在纵向和横向上精确控制杂质分布。垂直于表面的离子速度决定注入分布的投影射程。如果硅芯片相对于离子束倾斜了一个很大的角度，则等效离子能量将大为减少。
在倾斜角度离子注入时，需考虑硅芯片上掩蔽图案的阴影效应。较小的倾斜角度导致一个小阴影区。如高为0.5um的掩蔽层，离子束的入射角为7度，将导致一个61nm的阴影区。可能是器件产生一个预想不到的串联电阻。
60keV砷入射到硅中，相对浓度分布为离子束倾斜角度的函数，内插图所示是倾斜角度离子注入的阴影区

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