本文簡單介紹了離子注入工藝中的重要參數(shù)和離子注入工藝的監(jiān)控手段。

在硅晶圓制造過程中，離子的分布狀況對器件性能起著決定性作用，而這一分布又與離子注入工藝的主要參數(shù)緊密相連。

離子注入技術(shù)的主要參數(shù)涵蓋了離子源的類型、注入劑量、注入能量、注入角度以及硅片的旋轉(zhuǎn)等因素。

離子注入工藝參數(shù)

1）注入劑量

摻雜離子的整體濃度主要受注入劑量的影響。劑量由束流密度（即單位面積上的離子數(shù)量）和注入時間的乘積決定，其具體范圍與離子注入設(shè)備的性能密切相關(guān)。通常，中束流/高能注入機的劑量范圍在1011 ~1014cm-2。高束流注入機則在1014~1016cm-2之間，劑量的理論計算公式為：

其中，N代表離子注入劑量（單位：cm-19C）。T為注入時間，I為注入的電流大小；A為注入面積，n為電荷數(shù)，e則是單位電荷量。

需要注意的是，離子注入劑量是以束流密度（即單位面積上的離子數(shù)）來衡量的，而在實際濃度分析中，如采用二次離子質(zhì)譜法（SIMS）時，則是以體濃度（即單位體積中的離子數(shù)）來表示的。因此，在使用這兩種方法時，應(yīng)注意其計算單位的差異。

2）注入能量

離子注入時的能量，直接關(guān)聯(lián)到離子的運動速度，是決定離子注入深度的關(guān)鍵因素。在集成電路制造中，離子注入的能量范圍通常介于0.1keV至1000 keV之間。

離子的注入深度不僅與注入能量有關(guān)，還受到注入劑量的影響。如下圖所示，展示了Sb離子在不同能量注入下的深度分布，通過SIMS分析得出。可以觀察到，隨著注入能量的提升，離子的注入深度也隨之增加，但相應(yīng)地，濃度的峰值會有所下降。

Sb離子在不同能量注入下的深度分布曲線（SIME分析）

下圖則描繪了B、P、As三種離子在非晶硅中注入深度隨注入能量變化的曲線。從圖中可以清晰看出，注入深度與注入能量之間存在正比例關(guān)系。此外，對于具有相同注入能量的不同種類離子而言，離子的相對原子質(zhì)量越大，其注入深度的投影射程（Rp）反而越小。

B、P、As在非晶硅中注入深度隨注入能量變化的曲線

3）注入角度

離子注入的角度參數(shù)涵蓋傾角（tilt）與扭角（twist），如下圖所示。傾角對離子注入深度有著顯著影響，而扭角則需依據(jù)具體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的方向進行相應(yīng)調(diào)整。

離子注入的傾角和扭角

在實際晶圓工藝中，硅晶體以單晶形式存在，展現(xiàn)出特定的晶體結(jié)構(gòu)。因此，從不同晶向觀察時，其晶格投影會展現(xiàn)出較大的差異。如下圖所示，當沿《110》方向觀察時，會形成較多且尺寸較大的溝道。若偏離此角度，溝道數(shù)量雖增加，但尺寸會明顯減小。當離子沿《110》晶向注入時，部分離子會沿著這些溝道前進，所受原子核和電子的阻礙極小，從而導致注入深度超出預(yù)期，形成所謂的溝道效應(yīng)。

觀看方向

在溝道效應(yīng)的影響下，離子注入的深度和濃度會出現(xiàn)第二個峰值，如下圖所示，使得注入深度難以控制。為規(guī)避溝道效應(yīng)，目前主要采用兩種方法：一是調(diào)整硅晶體的主軸方向，使其偏離注入方向，即調(diào)整傾角（通常介于3°至7°之間），使硅晶體呈現(xiàn)無定形狀態(tài)。通過觀察As、Sb、B、P等摻雜離子在不同傾角（如5°、30°、60°和80°）下的SIMS深度分布曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著傾角的增大，注入深度減小，峰值更靠近表面，且峰值濃度降低。二是采用在硅晶體表面覆蓋無定形介質(zhì)膜的方法，如二氧化硅、氮化硅，或?qū)Ρ砻孢M行非晶化處理（如注入Ge或Si等離子）。

P在110keV能量注入下通道效應(yīng)對濃度分布的影響

4）硅片旋轉(zhuǎn)

在進行硅片離子注入時，其表面往往存在一定的結(jié)構(gòu)圖形，這會導致在注入過程中部分區(qū)域被遮擋，形成所謂的陰影效應(yīng)。為了改善硅片表面的注入均一性，通常需要對硅片進行旋轉(zhuǎn)。例如，在某些離子注入工藝中，硅片會按照總劑量的四分之一進行四次90°的旋轉(zhuǎn)，以此消除陰影效應(yīng)的影響（見下圖，注：虛線部分為陰影區(qū)域）。

離子傾角注入結(jié)構(gòu)阻擋

5）離子源的選擇

摻雜元素種類繁多，主要包括硼（B）、磷（P）、砷（As）、銦（In）、氧（O）、氫（H）、氟（F）以及鍺（Ge）等。根據(jù)產(chǎn)品的不同應(yīng)用需求，需要選擇摻雜不同的元素。

硼元素常用的離子源為三氟化硼（BF?）或硼烷（B?H?），用于P型摻雜，如形成P型阱、調(diào)節(jié)P型器件的閾值電壓、P型器件摻雜以及源漏極的形成等。由于硼原子質(zhì)量較輕，所需的注入能量也相對較低，因此通常選擇BF??離子進行注入。

磷元素則常用磷烷（PH?）或固態(tài)紅磷作為離子源，用于N型摻雜，如形成N型阱、調(diào)節(jié)N型器件的閾值電壓、N型器件摻雜以及源漏極的形成等。

砷元素則可用砷烷（AsH?）、固態(tài)砷或As?O作為離子源，與磷一樣屬于N型摻雜，同時砷還可用于深埋層的注入。

銦元素則以碘化銦（InI）為離子源，與硼一樣屬于P型摻雜，且作為重離子，常用于輕摻雜注入。

氟元素則可用BF?作為離子源，用于中和Si/SiO?界面上的Si懸掛鍵，以降低界面態(tài)密度，減少漏電流和隨機電信號噪聲的干擾。

鍺元素在高劑量注入下能夠打亂硅的晶格結(jié)構(gòu)，形成非晶化層，有助于降低溝道效應(yīng)。此外，它還有助于離子注入后退火過程中的再結(jié)晶和電激活。

離子注入工藝的監(jiān)控

離子注入工藝的各項參數(shù)均對最終的產(chǎn)品器件性能有著重要影響，因此，對工藝進行持續(xù)且有效的監(jiān)控顯得尤為重要。以下是幾種主要的監(jiān)控手段：

1）熱波損傷檢測技術(shù)（見下圖）

硅片經(jīng)過離子注入后，其晶格會受到一定程度的損傷。通過檢測這種晶格損傷的程度，我們可以監(jiān)控離子注入工藝的穩(wěn)定性。具體方法是，利用一束激光加熱晶圓表面，隨后晶圓表面的反射率會發(fā)生變化。再用另一束激光測量晶圓表面的特定區(qū)域，反射信號會隨著反射率的變化而變化，這個檢測到的變化信號被稱為熱波（thermal wave， TW）信號。熱波信號與晶格的損傷程度密切相關(guān)。這種方法反應(yīng)迅速，無需破壞晶圓，非常適合在生產(chǎn)線上實時監(jiān)控離子注入工藝的穩(wěn)定性。

熱波操作監(jiān)控

2）方塊電阻測量法

離子注入后的晶圓需要經(jīng)過快速熱退火處理，以激發(fā)摻雜物的電子活性。方塊電阻（sheet resistance， Rs）測量儀采用四探針法，即在兩根測試針之間施加電流，并測量另外兩根測試針之間的電壓，以此來計算晶圓的方塊電阻值。Rs值是離子注入機臺常用的監(jiān)控指標，它與注入劑量和角度有關(guān)。一般來說，劑量越大，Rs值越小。Rs的測量結(jié)果也會受到快速熱退火工藝穩(wěn)定性的影響。盡管這種方法沒有熱波損傷檢測那么直接，但其結(jié)果較為精確，因此也被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)線上的在線監(jiān)控。

3）二次離子質(zhì)譜分析法

通過重離子束轟擊晶圓表面，并收集不同時間濺射出的二次離子質(zhì)譜，我們可以測量摻雜元素的種類、濃度以及注入深度。這是目前反映離子注入情況最為準確的監(jiān)控方法。然而，SIMS分析無法對整個硅片進行全面分析，需要在專門的實驗室中使用SIMS分析設(shè)備進行分析，且需要破壞硅片進行取樣，因此無法實現(xiàn)在線測量，結(jié)果反饋時間也相對較長。

4）表面顆粒監(jiān)控技術(shù)

對于離子注入工藝而言，表面顆粒的主要危害在于它們會阻擋摻雜注入?yún)^(qū)，導致不完全摻雜結(jié)構(gòu)，進而影響產(chǎn)品的良率。因此，我們需要采用電子顯微鏡等方法對表面顆粒進行監(jiān)控。