一文了解半導體離子注入技術(shù)

離子注入是一種將所需要的摻雜劑注入到半導體或其他材料中的一種技術(shù)手段，本文詳細介紹了離子注入技術(shù)的原理、設(shè)備和優(yōu)缺點。

常見半導體晶圓材料是單晶硅，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外層有4個電子，分別與周圍4個原子共用4對電子，這種共用電子對的結(jié)構(gòu)稱為共價鍵(covalent bonding)。

下圖(a)是單晶硅中硅原子的排列方式，為金剛石晶體結(jié)構(gòu)。圖(b)是硅原子相互之間電子排布方式，中間一個硅原子和四個硅兄弟共用電子。

突然有一天，有個物理學家想到一個問題，要是硅家不是和硅兄弟共用電子，把其他兄弟拉進群會怎樣？

物理學家有一天把砷兄拉進了群，于是奇跡發(fā)生了：

砷兄弟最外層有5個電子，其中4個電子找到了硅家的對象，另外一個電子單著了，這個電子成了無業(yè)游民，到處流竄，由于電子帶有電荷，于是改變了硅家的導電性。

此時的砷原子多提供了一個電子給硅家，因此砷原子被稱為施主。

硅家的自由電子多了以后，帶負電的載流子增加，硅變成n型半導體。

為啥叫N型？在英文里Negative代表負，取這個單詞的第一個字母，就是N。

同樣，物理學家想，既然可以拉電子多的砷元素進群，那么是否也可以拉電子少的硼原子進群？于是物理學家把硼原子拉進來試試。

由于硼原子最外層只有3個電子，比硅少一個，于是本來4對電子的共價鍵現(xiàn)在成了只有3對電子，多了一個空位，成了帶正電的空穴(hole)。

此時的硅基半導體被稱為p型半導體，同樣P來自英文單詞Positive(正極)的首字母，而硼原子則被稱為受主。

正是在硅單晶中加入的原子不同，便形成了N型半導體和P型半導體。

除了在單晶硅中加入As和B，加入元素Sb（銻）(最外層5個電子)也可形成N型半導體。

這個拉入別的元素進群的方法在半導體制造工藝上叫離子注入。

離子注入設(shè)備介紹

離子注入設(shè)備工作區(qū)域如圖所示：

下圖為離子注入設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，由離子源、電加速系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、分析磁體、束流通道、后置離子加速器和注入腔等部分組成。

離子注入機的核心是離子源，電子從原子或分子中剝離出來，形成正離子。然后使用高壓靜電場從離子源中提取正離子以形成離子束。

接著，離子束穿過質(zhì)量分析模塊，選擇性地僅分離出改性半導體材料所需的所需離子種類。質(zhì)量分析后，對高純度離子束進行聚焦和整形。然后，調(diào)節(jié)離子束被加速到所需的能量，并在半導體襯底上均勻掃描。

高能離子滲透到半導體材料中并嵌入晶格中，這種高能注入過程也會產(chǎn)生缺陷并損壞半導體晶格。對于某些應用，這種損壞是有益的，用于隔離芯片和集成電路上的區(qū)域。

對于其他應用，進行退火循環(huán)（加熱和冷卻）以修復這種損傷并“激活”摻雜劑。

加熱材料使注入的離子能夠從它們隨機位于晶體中的位置移動到它們?nèi)谌刖Ц癖旧淼奈恢茫ㄈ〈荚樱?。摻雜劑活化可產(chǎn)生所需的材料導電性增加。

當前，束流能量在1keV到200keV的低能離子注入設(shè)備的應用，使得通過原子的摻雜或缺陷的引入而修飾薄膜材料或納米結(jié)構(gòu)的物理和化學等的性質(zhì)成為可能。

離子注入原理

離子注入是一種將所需要的摻雜劑注入到半導體或其他材料中的一種技術(shù)手段，成為了半導體行業(yè)中主要的摻雜或調(diào)控手段，也是集成電路諸多制備環(huán)節(jié)中不可或缺的組成部分，其基本原理為：

1、注入離子的純化，由離子源中產(chǎn)生的包含有電子數(shù)和質(zhì)子數(shù)不同而整體帶有正電或負電的離子(常見元素如：氮、硼、砷、磷和鍺等)，在可調(diào)節(jié)的強電場的加速作用下形成入射能量范圍在10E2eV-10E7eV的正/負離子束流，并基于荷質(zhì)比的不同而將束流中可能包含的其他雜質(zhì)離子篩除以達到預期離子的提純目的。

2、離子注入，被加速的離子束流的入射方向會與目標晶面呈一定的偏角，并均勻地輻照在晶圓完整的表面上。且在穿透晶圓的表面之后，會與晶格中的原子發(fā)生一系列復雜的碰撞和散射，并最終會停留在晶圓中的某個深度范圍，從而實現(xiàn)對目標材料淺層的預期物性的修飾和調(diào)控?；蛘?，也可通過在晶圓表面做物理或化學的掩模遮擋(常見的掩模層有氮化物、氧化物、多晶硅和光刻膠等)來實現(xiàn)特定摻雜的圖案化，簡言之，即以某種方式在晶圓的表面圖案化地覆蓋可以完全阻擋入射離子的物質(zhì)，而晶圓表面未被覆蓋的區(qū)域則會受到離子束流的無差別注入，從而可以對各種電路元件的局部特定區(qū)域進行精細的電學修飾。

而特定摻雜劑在襯底中預期的深度分布，最終是由束流的入射能量和入射角度，以及晶圓本身的材料特性來決定。

下圖(a)為半導體材料中原子排列方式，對于在晶體材料中沿著不同路徑運動的離子來說，特定取向的運動路徑并不會與晶格發(fā)生明顯的碰撞，即具有相同入射能量的離子，若在晶圓中沿該晶向運動，則將會傳輸?shù)礁h的距離，如下圖(b)中的路徑A所示。而沿路徑B運動的離子經(jīng)碰撞后散射到了其他的晶向上，沿路徑C運動的離子的運動軌跡則完全是隨機的，這種因離子在晶圓中的運動方向 不同而表現(xiàn)出不同傳輸特性的現(xiàn)象稱為溝道效應。

因此，為了對晶圓中離子的深度分布有較好的控制，在實際的離子注入過程中，入射的離子束流會與特定的晶向呈一定的夾角。

在實際離子注入之前，需用相關(guān)的軟件進行模擬，并計算實現(xiàn)晶圓中預期的離子深度分布所需要的離子入射能量。

如下圖(a)為以蒙特卡洛算法模擬以50keV的入射能量注入硅晶體后的硼離子運動軌跡。當每個入射的離子注入到晶圓中時，它們會與晶圓晶格上的原子發(fā)生一系列的彈性碰撞，也會通過與目標晶圓中的電子云發(fā)生非彈性的相互作用，使入射能量以晶格熱振動的形式耗散，直至能量耗盡而停留在晶圓中的某個深度。

由于入射離子的能量通常約為幾萬電子伏特，遠大于入射晶圓的晶格結(jié)合能，因此可將在散射過程中由較弱的晶格力對入射離子所造成的影響忽略，并將過程簡化為一系列成對原子核之間的彈性碰撞。

入射的離子也會與來自晶圓中目標原子的電子發(fā)生不容忽略的非彈性碰撞。因此，入射離子在目標晶圓中受到的總停滯能可由下式表示：

由來自目標晶圓中的原子的原子核和核外電子所共同貢獻。

其中，S表示目標晶圓中的原子對入射離子的總的停滯能，其數(shù)值由離子在單位傳輸路徑(x)上所損失的能量E所決定。

注入到目標晶圓中的離子在達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，晶圓內(nèi)的離子和損傷的分布均大體為高斯分布，如上圖(b)所示。為了對摻雜劑在目標晶圓中的分布有更精確的擬合，除高斯統(tǒng)計分布之外，最受歡迎的統(tǒng)計方式當屬皮爾遜IV型擬合。

在無溝道效應的前提下，通過對能量范圍在30keV和800keV的硼離子分布進行擬合，可發(fā)現(xiàn)隨著能量的增加，曲線預期的深度分布在向負向偏離于高斯擬合的程度也越大，可見在能量較大的范圍內(nèi)，高斯擬合會出現(xiàn)較大的偏差。

離子注入優(yōu)缺點介紹

(a)離子注入的摻雜調(diào)控技術(shù)優(yōu)勢：

1.可選的摻雜源極廣(幾乎可包含元素周期表上的所有元素)，并且因為離子注入機工作時內(nèi)部處于高真空狀態(tài)，可以通過荷質(zhì)比的不同精確篩選特定的離子，即可確保預期的摻雜劑有極高的純度；

2.通過離子注入設(shè)備內(nèi)部的加速電壓和磁場精確控制入射束流的能量和角度，以及通過控制來自束流的電荷量累積的持續(xù)時間，可以對注入晶圓內(nèi)離子的深度以及其濃度分布的精確控制；

3.晶圓中預期的摻雜濃度不受晶圓材料本身平衡固溶度的限制，即離子注入摻雜可實現(xiàn)其他摻雜方式無法達到的濃度，因而有更大的靈活性和更多的可操作性；

4.離子注入可對晶圓實現(xiàn)大面積均勻地摻雜；

5.離子注入時晶圓的溫度可控。

(b)離子注入的摻雜的局限性：

1.離子注入的深度范圍一般在晶圓的表層約一微米范圍內(nèi)；

2.太淺層的離子注入不易實現(xiàn)（因束流的能量太低時將不易控制），且注入的時間將變長，致使工藝成本較高；

3.入射的離子會對晶圓的晶格造成損傷，故通常在離子注入之后需對晶圓進行退火處理，以修復晶格損傷和進行電激活等附加工藝流程。

4.離子注入設(shè)備的造價和工藝成本均較高。

參考文獻：

(1)郭云龍硼離子注入對碳化硅外延石墨烯的物性調(diào)控及相關(guān)表征[D].

(2)王哲明基于離子注入的GaN材料與器件特性研究[D].