離子植入制程是改變半導(dǎo)體電學(xué)特性非常重要的一個(gè)方式。

IMP的主要好處：

注入的摻雜離子不受靶材溶解度的限制，靈活多樣

精確控制

橫向擴(kuò)散不嚴(yán)重

大面積均勻性

純度高同時(shí)也是相對(duì)低溫過(guò)程

化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用（第三代半導(dǎo)體）使得更加有價(jià)值

離子植入的基本要求：Ion Implantation： 1.精確的注入離子數(shù)量 2.精確的注入到靶內(nèi)部的深度與分布 3.精確控制晶圓上注入的位置 4.完成注入后的晶格恢復(fù)與激活 離子植入需要知道的重點(diǎn)： 離子射程與濃度分布，通道效應(yīng)與陰影效應(yīng)，電子中和，快速退火 按以下的方式逐步展開(kāi)：

?半導(dǎo)體的重要性質(zhì)：可控制性

?P型半導(dǎo)體/N型半導(dǎo)體的基本原理與半導(dǎo)體應(yīng)用場(chǎng)景

?離子注入的發(fā)展歷史

?離子注入機(jī)的基本運(yùn)行原理

?離子注入方式：摻雜物種類(lèi)/注入濃度/節(jié)深

?離子注入額外的問(wèn)題：電荷中和/退火 RTA

展開(kāi)敘述： ?半導(dǎo)體的重要性質(zhì)：可控制性

半導(dǎo)體材料為什么比絕緣體/導(dǎo)體更有優(yōu)勢(shì)，一個(gè)重要的原因是半導(dǎo)體材料可以通過(guò)精確摻雜其他原子改變自身的電阻率即導(dǎo)電特性，人為控制電阻率 是半導(dǎo)體材料非常優(yōu)良的特點(diǎn)

例如：室溫下，300K， 一百萬(wàn)個(gè)Si原子中摻雜1個(gè)磷原子

電阻變化：

214000歐姆/厘米 降至 0.2歐姆/厘米，6個(gè)數(shù)量級(jí)的差距

故摻雜使用的氣體流量比較小，MFC選型比較小，少量的摻雜原子即可產(chǎn)生巨大的變化

?P型半導(dǎo)體/N型半導(dǎo)體的基本原理與半導(dǎo)體應(yīng)用場(chǎng)景

純的半導(dǎo)體材料通過(guò)摻雜不同的原子可形成2種類(lèi)型的半導(dǎo)體：

P型半導(dǎo)體：Positive，空穴作為載流子，N型半導(dǎo)體：Negative，電子作為載流子 Si的原子結(jié)構(gòu)：并不是平面分布，這在離子注入的通道效應(yīng)得到說(shuō)明

當(dāng)摻雜As或者B后：多出的電子或者空穴可以充當(dāng)載流子。載流子相關(guān)性質(zhì)與摻雜濃度之間的關(guān)系，可以參閱半導(dǎo)體物理

如何把原子注入到半導(dǎo)體固體材料中呢？ 工業(yè)上，已廣泛采用離子注入（Ion Implantation）

離子注入可以認(rèn)為是純物理過(guò)程，使用模型進(jìn)行理論分析可以較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，同時(shí)也意味著理解那些公式將非常具有挑戰(zhàn)性

前已解釋過(guò)CMOS反相器的工作原理，CMOS是重要的半導(dǎo)體器件，器件需要很多的PN結(jié)，制作這些P/N型區(qū)域采用IMP工藝

CMOS的基本工藝流程：Wafer將經(jīng)歷多個(gè)步驟的IMP制程

?離子注入的發(fā)展歷史

1954年，半導(dǎo)體器件發(fā)明人之一的肖克萊提出了離子注入的摻雜技術(shù)，并擁有離子注入的專(zhuān)利（US Patent:2787564）

1955年，英國(guó)Cussins發(fā)現(xiàn)硼離子轟擊鍺晶體，在n型材料上制成了P型層

1960年代，Lindhard/Scharff/Schiott發(fā)表射程概念與重離子射程，

理論分析了在非晶體中的離子注入射程分布理論（LSS原理）

1963年，Macaldin在Wafer上注入高濃度的銫離子，形成了P-N結(jié)

1970年代，摻雜主要通過(guò)高溫爐的擴(kuò)散過(guò)程完成，由于擴(kuò)散方法對(duì)于節(jié)深和濃度無(wú)法精確控制，并且擴(kuò)散過(guò)程是各個(gè)方向上，很難定向控制

雖然高溫爐現(xiàn)在基本用于氧化和退火工藝，很少用于擴(kuò)散摻雜，

但是高溫爐區(qū)域還是沿用了擴(kuò)散區(qū)這個(gè)名稱(chēng)即DIFF（Diffusion）區(qū)

1970年代之前由于高能離子束與同位素分離技術(shù)的發(fā)展，在1970年代中后期，

離子注入技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用

?離子注入機(jī)的基本運(yùn)行原理 離子注入機(jī)是非常龐大的設(shè)備

總結(jié)起來(lái)： 氣體電離，電場(chǎng)加速，磁場(chǎng)篩選 基本結(jié)構(gòu)：

氣體系統(tǒng)：BF3/PH3/AsH3/B2H6等常用特種氣體

離子化系統(tǒng)：使氣體電離

真空系統(tǒng)：高真空狀態(tài)（10^-6 Torr以上）

質(zhì)譜篩選：選擇正確的離子進(jìn)行轟擊

控制系統(tǒng)：電流與離子能量精確控制

電荷中性化系統(tǒng)：避免電荷在基底累積

注意：說(shuō)的簡(jiǎn)單，實(shí)際上，每個(gè)系統(tǒng)都具有非常多考量的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié) 我們簡(jiǎn)單了解一下質(zhì)譜篩選系統(tǒng)，如何選到我們期望的轟擊離子： 以BF3氣體為例：BF3電離后的離子種類(lèi)：

質(zhì)譜篩選的基本原理是：質(zhì)荷比不同在磁場(chǎng)中的彎曲半徑不同

帶電離子以一定速度進(jìn)入磁場(chǎng)，受到洛倫茲力進(jìn)行偏轉(zhuǎn)

根據(jù)：洛倫茲力等于向心力（圓周運(yùn)動(dòng)）

可以得到：

控制磁場(chǎng)強(qiáng)度B與加速電極的電壓V不變，

對(duì)于不同的質(zhì)荷比（M/q）的離子具有不同的偏轉(zhuǎn)半徑

從而篩選出期望的離子

篩選后的離子在加速或者向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，相互碰撞，可能會(huì)產(chǎn)生電荷交換導(dǎo)致產(chǎn)生中性的物質(zhì)，這不是期望的結(jié)果。 采用分離裝置，使帶電離子進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，而中性物質(zhì)不偏轉(zhuǎn)進(jìn)行分離并捕捉有時(shí)為了更加高效，可以采用多個(gè)分離裝置，使Beam離子束成S形狀

?離子注入方式：摻雜物種類(lèi)/注入濃度/節(jié)深 我們對(duì)離子注入進(jìn)行基本的建模： 1. 大數(shù)量的統(tǒng)計(jì)模型，很多都符合正態(tài)分布（高斯分布），比如天梯積分的分布 2.當(dāng)離子注入到靶材，最終將會(huì)停止在某一位置（Stopping），原因： 1.靶材原子核的碰撞（Energy Loss:Nuclear Collisions） 2.靶材原子的電子碰撞（Energy Loss:Electron Collisions）

在Channeling情況下，以電子阻擋為主 通過(guò)對(duì)這2種方式的獨(dú)立近似，發(fā)展出整個(gè)離子注入的分布理論 其中，離子注入（能量/劑量/分布）到非晶靶材（混亂而均勻）的LSS理論是理解的基石。

3.離子注入的基本概念：

1. 注入能量：keV，離子具有的初始能量，千電子伏特 控制加速電極電壓控制注入能量 2. 注入濃度：Dose， atoms/cm2，單位面積上注入的摻雜原子數(shù)量，10^11 - 10^18次方的數(shù)量級(jí)。這個(gè)量可以測(cè)量離子束的電流，根據(jù)電流的定義計(jì)算得到： Dose = I*t/q/A， 電流與時(shí)間相乘為電荷量，除以每個(gè)離子的電荷量即為離子總數(shù)，除以面積得到Dose. 控制電流與注入時(shí)間，控制注入量 3. 注入深度：Rp， P為Projected.Rp可理解為平均深度，Rp是投影距離 大量相同的離子，相同的能量注入，由于碰撞后不同的方向，受力的不同，在靶材內(nèi)的深度與濃度的關(guān)系是符合高斯分布（理想情況）

不同的計(jì)量與能量在不同情況下的應(yīng)用，按電流和能量分為不同的情況。 注意：以下都是非晶Si的情況，不是單晶Si的情況：當(dāng)離子不在通道效應(yīng)的情況下轟擊，可以近似認(rèn)為離子轟擊非晶體 單晶Si的情況更加復(fù)雜 離子注入是大量的離子數(shù)量，所以符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律，很多的平均量的表述。

理想情況下高斯分布，實(shí)際情況下，采用Pearson IV分布的預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值吻合非常好。

有了一些基本定義的概念，我們可以得到一些結(jié)論： 相同注入能量下，輕離子的注入深度更深，很好理解： 200keV的條件下，不同原子的深度：硼是11，最輕，Rp最大，深度最遠(yuǎn)

相同的能量，相同的離子，在不同的靶材上的Rp不同。

對(duì)于Si為靶材來(lái)說(shuō)：不同能量下的Rp深度如下：

對(duì)于SiO2為靶材來(lái)說(shuō)（可能會(huì)當(dāng)作植入掩蔽層）：

Si/SiO2圖形非常相似，這兩個(gè)是絕配，這也是Si可以成為主流的關(guān)鍵。 淺結(jié)界的一個(gè)方法，可以先生長(zhǎng)一層SiO2氧化膜，由于Si/SiO2之間的匹配性，再植入離子，這層氧化膜充當(dāng)了Si的角色，相同離子能量下，在實(shí)際的下層硅片中只植入了部分，再清洗掉SiO2，完成淺結(jié)界。 想用SiO2做阻擋層，下層Wafer不要被植入，這層SiO2厚度可以為：相同條件下，Rp+6ΔRp即可，ΔRp為標(biāo)準(zhǔn)差 當(dāng)然光刻膠也可以做阻擋層，不用再單獨(dú)生長(zhǎng)SiO2。但是光刻膠的厚度需要根據(jù)光刻膠的物質(zhì)進(jìn)行核算。

AZ-7500 resist的植入深度

在計(jì)算過(guò)程中，Rp與ΔRp是重要的數(shù)值，當(dāng)然也是有圖表可以查的數(shù)值， 這兩個(gè)數(shù)值是同時(shí)存在的。

一些基本的關(guān)系如下：

我們可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的估算問(wèn)題： P，100ekV，注入非晶區(qū)域Si，Rp處的濃度需求10^17 atoms/cm3 查表：100keV，Rp=0.12um，ΔRp=0.045um Q=1.13*10^12 atoms/cm2 離子注入可以有非常多的理論預(yù)測(cè)計(jì)算，這就不再計(jì)算了。 對(duì)于在Si中的PN結(jié)的結(jié)深，相當(dāng)于在P型區(qū)域注入N型原子：預(yù)測(cè)也是相當(dāng)復(fù)雜

總之，離子的結(jié)深/濃度的分布是需要精確預(yù)測(cè)的，而通過(guò)控制離子的能量與注入量可以得到期望的分布 當(dāng)原子有序排列時(shí)，單晶類(lèi)型，一些額外的情況會(huì)發(fā)生： Si原子的晶格立體結(jié)構(gòu)，在某些方向上會(huì)產(chǎn)生通道（Channeling）

可以想象，植入原子進(jìn)入該通道會(huì)跑的特別遠(yuǎn)，大部分情況下，并不是期望的結(jié)果。臨界角度的計(jì)算也是非常復(fù)雜 不同離子以及能量下的臨界角，超過(guò)這個(gè)角度，可以有效減緩?fù)ǖ佬?yīng)

在腔室的設(shè)計(jì)中，采用旋轉(zhuǎn)的方式同時(shí)可以調(diào)整角度（Si wafer tilt 7°） 旋轉(zhuǎn)以及Wafer傾斜可以減少 通道效應(yīng)與 Shadowing Effect

離子注入額外的問(wèn)題：電荷中和/退火 RTA 電荷中和： 當(dāng)帶電離子不斷的植入Wafer或者顯示行業(yè)的基板BP，正電荷會(huì)在表明積累，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定電壓，會(huì)排斥離子同時(shí)也會(huì)損傷Wafer上的器件， 所以需要中和掉植入的電荷：有很多種方式：

在AMOLED制程中，機(jī)臺(tái)會(huì)采用Xe這種氣體作為電子來(lái)源，中和離子注入的電荷。一般離子注入機(jī)臺(tái)：BF3/PH3/Xe是標(biāo)配 現(xiàn)在需要說(shuō)明非常重要的一個(gè)問(wèn)題： 離子注入后的退火工藝 退火表面意思看起來(lái)像降溫，實(shí)則完全相反，通過(guò)加熱溫度使得原子獲得能量自發(fā)的到晶格上去的方法。 因?yàn)樵佣荚诰Ц裆峡梢岳斫鉃檎麄€(gè)系統(tǒng)處于最低能量狀態(tài)，原子吸收能量后，總是傾向于跑到晶格位置。 容易想象的是，當(dāng)大量的離子轟擊靶材時(shí)，靶材上原有晶格上的原子可能會(huì)被轟擊的亂七八糟，不進(jìn)行退火工藝，則這樣的缺陷是無(wú)法做到要求的導(dǎo)電能力。 晶格損傷有多種類(lèi)型，至少有5-6種。

在高溫爐內(nèi)進(jìn)行退火工藝，可以分批操作，但是時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于先進(jìn)制程可能對(duì)已經(jīng)做好的部分造成損傷，于是RTA技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生 當(dāng)然激光退火技術(shù)也得到了很多的應(yīng)用，比如ELA（Exclaimer Laser Annealing，采用308nm XeCl準(zhǔn)分子激光進(jìn)行退火，使非晶Si變成Poly-Si，在LTPS的TFT生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛） RTA：Rapid Thermal Annealing ： 快速退火技術(shù)

RTA屬于RTP（Rapid Thermal Processing）中的一種，這是另外一個(gè)專(zhuān)題的內(nèi)容了，將會(huì)繼續(xù)更新RTP的內(nèi)容。 RTA可以在半分鐘內(nèi)完成500 - 1000℃的溫度上升，使得退火過(guò)程進(jìn)行非常快，也可以一定程度上抑制 由于退火導(dǎo)致的摻雜原子的擴(kuò)散，當(dāng)然也可以很快速的冷卻。 主要目的是：恢復(fù)破壞的晶格并激活摻雜離子 退火前：

退火后：

對(duì)于從事IMP制程的人員，建議特別的了解一下LSS理論以及后續(xù)的一些發(fā)展 離子注入如同子彈打入一個(gè)有規(guī)律的晶體結(jié)構(gòu)中，這個(gè)結(jié)構(gòu)中有晶格上的原子進(jìn)行反彈，同時(shí)也有無(wú)形的無(wú)數(shù)電子形成的勢(shì)場(chǎng)拖拽子彈，導(dǎo)致子彈最終停下。 總的來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)物理過(guò)程，經(jīng)過(guò)合理的簡(jiǎn)化與近似，可以比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)重要的物理量，射程/分布/濃度 感謝閱讀，歡迎轉(zhuǎn)載和分享！