离子注入掺杂工艺

将加速到一定高能量的离子束注入固体材料表面层内，以改变表面层物理和化学性质的工艺

离子注入掺杂工艺是将加速到一定高能量的离子束注入固体材料表面层内，以改变表面层物理和化学性质的工艺。

正文

在半导体中注入相应的杂质原子(如在硅中注入硼、磷或砷等)，可改变其表面电导率或形成PN结。

离子注入需要有适用的离子注入设备。半导体掺杂用离子注入机的能量范围为20～400千电子伏。硼离子注入硅的注入深度一般在1微米以下,束流强度为几十至几百微安。离子注入机有先分析后加速和先加速后分析两种型式。在先分析后加速的结构中，离子源和磁分析器（分析磁铁）处于高电位,靶室处于地电位（图1）。离子源是离子注入机最重要的部件之一。微电子技术中常用的离子源电离物质为三氟化硼、磷烷和砷烷等。一般情况下，离子源提供的是单电荷离子。磁分析器起着提纯的作用,能将不需要的离子偏离掉,而只让所需的离子通过，经加速扫描后达到注入靶上。为了减小束流的传输损失，离子注入机通常采用单透镜和四极透镜进行离子束聚焦。此外，离子注入机尚需清洁的真空条件（无油污,整机真空度为1×10-4帕,靶室真空度为10-5帕）以及可靠而稳定的电源和控制系统等。　与热扩散掺杂相比,离子注入掺杂的优点是:①离子注入可通过调节注入离子的能量和数量，精确控制掺杂的深度和浓度。特别是，当需要浅PN结和特殊形状的杂质浓度分布时，离子注入掺杂可保证其精确度和重复性。②离子注入的杂质分布准直性好(即横向扩展小)，有利于获得精确的浅条掺杂，可提高电路的集成度和成品率。③离子注入可实现大面积均匀掺杂并有高的浓度。④离子注入不受化学结合力、扩散系数和固溶度等的限制，能在任意所需的温度下进行掺杂。⑤离子注入可达到高纯度掺杂的要求，避免有害物质进入半导体材料，因而可以提高半导体器件的性能。离子注入掺杂正在替代热扩散掺杂，成为大规模和超大规模集成电路中的一项重要掺杂技术。

为了获得特定的注入浓度和杂质分布，需要正确选择注入剂量和能量，为此需要具备注入离子的射程分布知识。在注入靶上放置晶体样品时,以注入束为基准,必须偏离任何特征晶向5°～7°，以避免沟道效应（在沟道方向离子有很大的射程），即让离子沿着随机方向注入固体表层。这样，晶体靶(如硅单晶)可近似作为非晶靶处理。注入离子在样品表层中极为接近高斯分布。注入后离子的分布为式中峰值浓度;X=(x－Rp)/墹Rp；Ns为单位表面面积内注入的总离子数（总额即剂量）;x为离子注入表层的距离;Rp为离子投影射程;墹Rp为投影射程的标准偏差。图2为注入离子在非晶靶中的杂质浓度分布。

例如,将能量为140千电子伏的硼离子（B+）注入到硅靶中,剂量为5×103/厘米2，则Rp=4289埃，墹Rp=855埃，Np=2.34×1018/厘米3,若衬底浓度N=2×1016/厘米3,N/Np=10-2，则结深xj=Rp+3墹Rp≈0.688微米。　离子注入导致晶体的晶格破坏，造成损伤，必须经过加温退火才能恢复晶格的完整性。同时，为了使注入杂质起到所需的施主或受主作用，也必须有一个加温的激活过程。这两种作用结合在一起，称为离子注入退火。这种退火有两种方式。①高温（约 900℃）热退火为常用的方式。在集成电路工艺中，这种退火往往与注入后的其他高温工艺一并完成。这些高温工艺会引起杂质的再一次扩散，从而改变原有的杂质分布，在一定程度上破坏离子注入的理想分布，例如使浅PN结展宽和分布发生侧向扩展等。高温过程也可使过饱和的注入杂质失活。②瞬态高温退火是正在研究和推广的退火方式，能满足超大规模集成电路对高浓度、浅PN结和很少侧向扩散的要求。这种方式包括激光、电子束或红外辐照等瞬态退火。这种方法虽属高温，但在极短时间内(小于几秒)加热晶体，既能使晶体恢复完整性，又可避免发生明显的杂质扩散。

参考书目

G.Carter and W.A. Grant,Ion Implantation of Semiconductors,Edward Anord,London,1976.

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