离子注入为什么需要7°角?

文摘   2024-12-12 11:27   湖北  

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回答这个问题,首先我们要了解一个概念:隧道效应。

隧道效应,又称沟道效应,对晶圆进行离子注入时,当注入离子的方向与晶圆的某个晶向平行时,其运动轨迹将不再是无规则的碰撞,而是将沿沟道(原子之间的缝隙)运动并且很少受到原子核的碰撞,因此来自注入的离子的阻力作用要小得多,注入离子的能量损失率很低。
在其他条件相同的情况下,很难控制注入离子的浓度分布,注入深度比正常注入更深,并使注入离子的分布产生一个很长的拖尾,注入纵向分布峰值不符合高斯分布,这种现象类似于注入离子穿越晶体隧道,因此叫隧道效应。

图 离子注入的隧道效应和倾角注入抑制隧道效应
从隧道效应的解释来看,这不是一个好的效应。也有人会提出,为什么不利用沟道效应做深结注入?主要有2个原因,第一是离子入射方向不可能完美与晶圆的晶向平行,第二是产生隧道效应的离子数量较少且不受控制,无法定量产生一个深结注入。

图 隧道效应和符合高斯分布的离子注入离子浓度与深度曲线
了解了隧道效应,我们就很容易理解为什么离子注入要倾角。因为注入方向和晶圆有一定倾角后,注入离子与晶圆内部的原子碰撞概率提高,而抑制了隧道效应的产生。那为什么一定是7°倾角呢?倾角过大,如果带胶注入时,离子被光刻胶部分遮挡,形成较大的阴影区,造成实际注入区域与设计区域有一定的偏差。如果倾角过小,不能很好解决隧道效应,还易造成双峰分布。所以,结合理论和经验,实际工艺过程中会选择7°角作为离子注入入射角度。

图 注入角度过大造成的阴影区
那么除了7°角,还有哪些方法可以抑制沟道效应呢?
实际工艺过程中,还会在注入之前,在硅表面热氧化一层10-20nm的氧化硅薄层,因为氧化硅晶格结构与硅不同,在进入硅内部之前打乱离子注入的方向,增加随机性。这是最常用的办法,因为表面的氧化硅容易去除。还有一种同理的方法,是硅表面非晶化,采用定向能量离子束轰击硅表面,使单晶硅预非晶化,破坏硅片表面晶体结构。
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