摘要：掺杂离子的整体浓度主要受注入剂量的影响。剂量由束流密度（即单位面积上的离子数量）和注入时间的乘积决定，其具体范围与离子注入设备的性能密切相关。通常，中束流/高能注入机的剂量范围在1011 ~1014cm-2。高束流注入机则在1014~1016cm-2之间，剂量

半导体工程师 2025年01月19日 10:49 北京

在硅晶圆制造过程中，离子的分布状况对器件性能起着决定性作用，而这一分布又与离子注入工艺的主要参数紧密相连。

离子注入技术的主要参数涵盖了离子源的类型、注入剂量、注入能量、注入角度以及硅片的旋转等因素。

1）注入剂量

掺杂离子的整体浓度主要受注入剂量的影响。剂量由束流密度（即单位面积上的离子数量）和注入时间的乘积决定，其具体范围与离子注入设备的性能密切相关。通常，中束流/高能注入机的剂量范围在1011 ~1014cm-2。高束流注入机则在1014~1016cm-2之间，剂量的理论计算公式为：

其中,N代表离子注入剂量(单位:cm-19C)。T为注入时间，I为注入的电流大小；A为注入面积，n为电荷数，e则是单位电荷量。

需要注意的是，离子注入剂量是以束流密度（即单位面积上的离子数）来衡量的，而在实际浓度分析中，如采用二次离子质谱法（SIMS）时，则是以体浓度（即单位体积中的离子数）来表示的。因此，在使用这两种方法时，应注意其计算单位的差异。

2）注入能量

离子注入时的能量，直接关联到离子的运动速度，是决定离子注入深度的关键因素。在集成电路制造中，离子注入的能量范围通常介于0.1keV至1000 keV之间。

离子的注入深度不仅与注入能量有关，还受到注入剂量的影响。如下图所示，展示了Sb离子在不同能量注入下的深度分布，通过SIMS分析得出。可以观察到，随着注入能量的提升，离子的注入深度也随之增加，但相应地，浓度的峰值会有所下降。

Sb离子在不同能量注入下的深度分布曲线（SIME分析）

下图则描绘了B、P、As三种离子在非晶硅中注入深度随注入能量变化的曲线。从图中可以清晰看出，注入深度与注入能量之间存在正比例关系。此外，对于具有相同注入能量的不同种类离子而言，离子的相对原子质量越大，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随注入能量变化的曲线

3）注入角度

离子注入的角度参数涵盖倾角（tilt）与扭角（twist），如下图所示。倾角对离子注入深度有着显著影响，而扭角则需依据具体产品结构的方向进行相应调整。

离子注入的倾角和扭角

在实际晶圆工艺中，硅晶体以单晶形式存在，展现出特定的晶体结构。因此，从不同晶向观察时，其晶格投影会展现出较大的差异。如下图所示，当沿方向观察时，会形成较多且尺寸较大的沟道。若偏离此角度，沟道数量虽增加，但尺寸会明显减小。当离子沿晶向注入时，部分离子会沿着这些沟道前进，所受原子核和电子的阻碍极小，从而导致注入深度超出预期，形成所谓的沟道效应。

观看方向

在沟道效应的影响下，离子注入的深度和浓度会出现第二个峰值，如下图所示，使得注入深度难以控制。为规避沟道效应，目前主要采用两种方法：一是调整硅晶体的主轴方向，使其偏离注入方向，即调整倾角（通常介于3°至7°之间），使硅晶体呈现无定形状态。通过观察As、Sb、B、P等掺杂离子在不同倾角（如5°、30°、60°和80°）下的SIMS深度分布曲线，可以发现随着倾角的增大，注入深度减小，峰值更靠近表面，且峰值浓度降低。二是采用在硅晶体表面覆盖无定形介质膜的方法，如二氧化硅、氮化硅，或对表面进行非晶化处理（如注入Ge或Si等离子）。

P在110keV能量注入下通道效应对浓度分布的影响

4）硅片旋转

在进行硅片离子注入时，其表面往往存在一定的结构图形，这会导致在注入过程中部分区域被遮挡，形成所谓的阴影效应。为了改善硅片表面的注入均一性，通常需要对硅片进行旋转。例如，在某些离子注入工艺中，硅片会按照总剂量的四分之一进行四次90°的旋转，以此消除阴影效应的影响（见下图，注：虚线部分为阴影区域）。

离子倾角注入结构阻挡

5）离子源的选择

掺杂元素种类繁多，主要包括硼（B）、磷（P）、砷（As）、铟（In）、氧（O）、氢（H）、氟（F）以及锗（Ge）等。根据产品的不同应用需求，需要选择掺杂不同的元素。

硼元素常用的离子源为三氟化硼（BF₃）或硼烷（B₂H₆），用于P型掺杂，如形成P型阱、调节P型器件的阈值电压、P型器件掺杂以及源漏极的形成等。由于硼原子质量较轻，所需的注入能量也相对较低，因此通常选择BF₃⁺离子进行注入。

磷元素则常用磷烷（PH₃）或固态红磷作为离子源，用于N型掺杂，如形成N型阱、调节N型器件的阈值电压、N型器件掺杂以及源漏极的形成等。

砷元素则可用砷烷（AsH₃）、固态砷或As₂O作为离子源，与磷一样属于N型掺杂，同时砷还可用于深埋层的注入。

铟元素则以碘化铟（InI）为离子源，与硼一样属于P型掺杂，且作为重离子，常用于轻掺杂注入。

氟元素则可用BF₃作为离子源，用于中和Si/SiO₂界面上的Si悬挂键，以降低界面态密度，减少漏电流和随机电信号噪声的干扰。

锗元素在高剂量注入下能够打乱硅的晶格结构，形成非晶化层，有助于降低沟道效应。此外，它还有助于离子注入后退火过程中的再结晶和电激活。

离子注入工艺的监控

2025

离子注入工艺的各项参数均对最终的产品器件性能有着重要影响，因此，对工艺进行持续且有效的监控显得尤为重要。以下是几种主要的监控手段：

1）热波损伤检测技术（见下图）

硅片经过离子注入后，其晶格会受到一定程度的损伤。通过检测这种晶格损伤的程度，我们可以监控离子注入工艺的稳定性。具体方法是，利用一束激光加热晶圆表面，随后晶圆表面的反射率会发生变化。再用另一束激光测量晶圆表面的特定区域，反射信号会随着反射率的变化而变化，这个检测到的变化信号被称为热波（thermal wave, TW）信号。热波信号与晶格的损伤程度密切相关。这种方法反应迅速，无需破坏晶圆，非常适合在生产线上实时监控离子注入工艺的稳定性。

热波操作监控

2）方块电阻测量法

离子注入后的晶圆需要经过快速热退火处理，以激发掺杂物的电子活性。方块电阻（sheet resistance, Rs）测量仪采用四探针法，即在两根测试针之间施加电流，并测量另外两根测试针之间的电压，以此来计算晶圆的方块电阻值。Rs值是离子注入机台常用的监控指标，它与注入剂量和角度有关。一般来说，剂量越大，Rs值越小。Rs的测量结果也会受到快速热退火工艺稳定性的影响。尽管这种方法没有热波损伤检测那么直接，但其结果较为精确，因此也被广泛应用于生产线上的在线监控。

3）二次离子质谱分析法

通过重离子束轰击晶圆表面，并收集不同时间溅射出的二次离子质谱，我们可以测量掺杂元素的种类、浓度以及注入深度。这是目前反映离子注入情况最为准确的监控方法。然而，SIMS分析无法对整个硅片进行全面分析，需要在专门的实验室中使用SIMS分析设备进行分析，且需要破坏硅片进行取样，因此无法实现在线测量，结果反馈时间也相对较长。

4）表面颗粒监控技术

对于离子注入工艺而言，表面颗粒的主要危害在于它们会阻挡掺杂注入区，导致不完全掺杂结构，进而影响产品的良率。因此，我们需要采用电子显微镜等方法对表面颗粒进行监控。

来源于学习那些事，作者赵先生

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