【MEMS工艺】超越传统离子注入的等离子体掺杂工艺

文摘 2024-12-16 23:59 江苏

在半导体工艺中，掺杂是一个至关重要的步骤，它决定了器件的电学性能。传统的离子注入工艺通过精确控制剂量和射程，实现了对杂质分布的有效控制，同时提供了广泛的掩膜技术选择性。然而，传统离子注入工艺并非完美无缺，其存在的两个主要缺点限制了其应用范围。本文将深入探讨这些问题，并介绍一种新兴的掺杂工艺——等离子体掺杂（或等离子体浸没离子注入），以期为解决这些问题提供新的思路。

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一、传统离子注入的局限性

传统离子注入工艺的一个主要缺点是杂质离子束的产生和传输方法限制了注入的视线。在复杂的几何结构中，如MEMS器件中的深槽，由于边墙注入无法完成，常常会出现阴影效应，导致掺杂浓度严重不一致。这种不均匀的掺杂分布会严重影响器件的性能和可靠性。

另一个缺点是难以产生低能量大束流，这无法满足当今深亚微米集成电路所需的非常浅的结注入。随着集成电路特征尺寸的减小，对掺杂深度和均匀性的要求越来越高，传统离子注入工艺在这一方面显得力不从心。

二、等离子体掺杂工艺的诞生

为了解决传统离子注入工艺的局限性，科研人员开发出了等离子体掺杂或等离子体浸没离子注入工艺。这种新工艺将被加工的衬底放置在一个真空室内，并使其被大量由等离子体放出的杂质离子浸没。等离子体可以通过多种方法产生，其中电子回旋共振和感应耦合最为普遍。通过施加直流电压（在导电衬底的情况下）、射频或脉冲电压，可以对衬底进行偏置。

在等离子体浸没离子注入过程中，衬底表面被给予一个负偏压，这使得等离子体中带正电的离子会轰击负偏压的衬底，从而导致离子化的物质注入衬底。与传统束线离子注入工艺中离子具有10 keV甚至更高的能量相比，等离子体中的离子在碰撞衬底表面时具有相对低的能量（100~5000 eV），其大小可以通过改变硅片上的RF偏置进行调节。

等离子体化学的作用在于可以获得丰富的掺杂材料。例如，可以用BF₃获得硼离子，利用PH₃得到磷离子。RF偏置以相对垂直于衬底表面的方向加速离子，这使得传统束流注入技术所存在的几何形貌问题得到解决。即使具有高深宽比的深槽也能够成功地进行注入。

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三、等离子体掺杂工艺的优势

等离子体掺杂工艺在多个方面展现出显著的优势。首先，它能够解决传统离子注入工艺中的视线限制问题。对于硅上深宽比达25:1的深槽，采用BF³硼离子源进行等离子体注入，结果显示槽的底部和边墙的薄层电阻率大约是2:1。这说明了在窄的结构中还存在一些各向异性，但已经明显地改善了对竖直结构的掺杂。

其次，等离子体掺杂工艺能够实现低能量注入和快速热退火激活工艺的结合，从而得到非常浅的结。硅片直流偏置为5kV或更低，结合1050℃下10s的快速热退火，可以得到100nm或更浅的结深。这对于敏感的栅氧化层结构来说，只有少量或者没有被刻蚀或损伤。

此外，等离子体掺杂工艺能够提供的离子流比大多数传统的离子注入机高一个量级，这对于高剂量注入应用具有明显的产能优势。注氧SIMOX和注氢SmartCut工艺的SOI片制造已经证明了这一点。

四、注入材料的纯度与表面处理

尽管等离子体掺杂工艺具有诸多优势，但在注入材料的纯度方面仍存在一些挑战。由于浸没注入系统缺乏过滤不同离子质量或能量的方法，产生了射入衬底表面离子的能量分布。相对于单能量的束线注入工艺，其注入的掺杂分布较宽。在等离子体中的所有带正电的物质都会在某种程度上被注入衬底，因此玷污的程度较束线注入高。

然而，这些玷污物质（如BF3等离子体中的氟）从掺杂的角度看几乎没有影响。只要夹具材料和反应室材料合适，可以认为等离子体注入工艺与束线注入工艺同样清洁。

等离子体浸没注入的另一个主要用途是表面处理。由于严格的视线限制，传统的束线注入不能有效地处理复杂结构的表面。而等离子体浸没注入则能够实现对复杂结构表面的有效掺杂和改性。例如，通过大剂量的表面注入碳、氮或其他的杂质材料，可以改善许多金属的摩擦学特性，使其展现出耐磨性。这对于机械设备、成型设备的表面处理以及生物医学植入装置等应用来说极具价值。

此外，对表面的大离子流注入还将超越简单的掺杂，通过催化氧化或渗氮等反应实际上改变了材料表面的化学性质。这使得可以在敏感表面合成这些薄膜，而这些合成在传统的热合成工艺中是无法实现的。例如，已有关于利用浸没注入合成金属氧化物表面材料以增强对于生物污染的抗御的报道。这对于可植入式医疗器材来说是一个重要的参数。

等离子体掺杂工艺作为一种新兴的掺杂技术，在解决传统离子注入工艺的局限性方面展现出了巨大的潜力。通过精确控制剂量和射程以及实现对复杂结构表面的有效掺杂和改性，等离子体掺杂工艺为半导体工艺的发展提供了新的思路和解决方案。

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