概述

将离化后的离子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变材料表层的物理或化学性质的工艺称为离子注入。

离子注入特点

  • 优点
    • 浓度与分布可精确控制
    • 同一平面杂质分布非常均匀
    • 不受固溶度限制
    • 纯度高
    • 低温过程
    • 横向效应比气相扩散小得多
    • 可防止玷污，自由度大
  • 缺点
    • 会产生缺陷，甚至非晶化
    • 设备相对复杂、价格昂贵
    • 有不安全因素，如高压、有毒气体

离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。

离子注入原理

核碰撞

选取电子屏蔽函数：f(ra)=arf(\frac{r}{a})=\frac{a}{r}

image-20230529111824655

电子碰撞

  • 电子碰撞指的是注入离子与靶内自由电子及束缚电子之间的碰撞。
  • 注入离子和靶原子周围电子云通过库仑作用，使离子和电子碰撞失去能量，而束缚电子被激发或电离，自由电子发生移动。

注入离子在靶中分布

  • 注入离子在靶内受到的碰撞是随机的，所以杂质分布也是按几率分布的。
  • 离子进入非晶层的分布接近高斯分布。

单晶靶中的沟道效应

沟道（渗透）效应(Channelingeffect ):衬底为单晶材料，离子束准确的沿着晶格方向注入，几乎不会受到原子核的散射，其纵向分布峰值高斯分布不同。一部分离子穿过较大距离。

在其他条件相同的情况下，很难控制注入离子的浓度分布，注入深度大于在无定形靶中的深度并使注入离子的分布产生一个很长的拖尾。

减少沟道效应的措施

  • 对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离7－10°
  • 用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层（Pre-amorphization）
  • 增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）
  • 表面用SiO2层掩膜

注入损伤

级联碰撞、简单晶格损伤

轻重离子入射产生的损伤

退火

  • 通常注入离子不是以替位形式处在晶格位置上，无电活性。为了激活注入离子，恢复电活性，必须在适当的温度和时间下进行退火。
  • 退火(Anneal),就是利用热能(Thermal Energy)将离子注入后的样品进行热处理，以消除辐射损伤，激活注入杂质,恢复晶体的电性能。

退火方法：

  • 高温退火
  • 快速退火：激光、宽带非相关光、电子束退火

退火的主要目的：

  1. 减少点缺陷密度，因为间隙原子可以进入某些空位；
  2. 在间隙位置的注入杂质原子能移动到晶格位置，变成电激活杂质。

二次缺陷

  • 退火后往往会留下所谓二次缺陷(退火过程中有可能发生由几个简单损伤的再结合形成复杂的损伤)。
  • 二次缺陷可以影响载流子的迁移率、少数载流子寿命及退火后注入原子在晶体中的位置等，因而直接影响半导体器件的特性。

快速热处理（RTP）技术

（Rapid thermal processing, RTP）是将晶片快速加热到设定温度，进行短时间快速热处理的方法，热处理时间10-3-102s。过去几年间，RTP已逐渐成为微电子产品生产中必不可少的一项工艺，用于快速热氧化（RTO）、离子注入后的退火、金属硅化物的形成和快速热化学薄膜淀积。

超浅结必须使用RTP进行退火，因为传统的扩散炉高温长时间退火工艺，会造成注入离子的严重再扩散。退火时间长，横向扩散增大，宽深上升。

离子注入设备与工艺

设备

气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2...

离子源：As，Ga，Ge，Sb，P...

工艺方法

  • 直接注入：离子在光刻窗口直接注入Si衬底。射程大、在需要重掺杂时采用。
  • 间接注入：通过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。间接注入沾污少，可以获得精确的表面浓度。
  • 多次注入：通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近；也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中，使杂质分布为设计形状。

热扩散和离子注入比较

对比内容 热扩散 离子注入
动力 高温、杂质的浓度梯度
平衡过程		 动能，5-500KeV
非平衡过程
杂质浓度 受表面固溶度限制掺杂浓度过高、过低都无法实现 浓度不受限
结深 结深控制不精确，适合深结掺杂 结深控制精确，适合浅结掺杂
横向扩散 严重 较小
均匀性 电阻率波动约5-10% 电阻率波动约1%
温度 高温工艺，超越1000°C 常温注入，退火温度约800°C，可低温、快速退火
掩蔽膜 二氧化硅等耐高温薄膜 光刻胶、二氧化硅或金属薄膜
工艺卫生 易沾污 高真空、常温注入，清洁
晶格损伤 小 损伤大，退火也无法完全消除，注入过程芯片带电
设备、费用 设备简单、价廉 复杂、费用高
应用 深层掺杂的双极型器件或者是电路 浅结的超大规模电路

离子注入的其他应用