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。
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
