本文簡單介紹了離子注入工藝中的重要參數和離子注入工藝的監控手段。

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緊密相連。

離子注入技術的主要參數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等因素。

離子注入工藝參數

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量）和注入時間的乘積決定，其具體范圍與離子注入設備的性能密切相關。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，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）來衡量的，而在實際濃度分析中，如采用二次離子質譜法（SIMS）時，則是以體濃度（即單位體積中的離子數）來表示的。因此，在使用這兩種方法時，應注意其計算單位的差異。

2）注入能量

離子注入時的能量，直接關聯到離子的運動速度，是決定離子注入深度的關鍵因素。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，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，而扭角則需依據具體產品結構的方向進行相應調整。

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，展現出特定的晶體結構。因此，從不同晶向觀察時，其晶格投影會展現出較大的差異。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期，形成所謂的溝道效應。

觀看方向

在溝道效應的影響下，離子注入的深度和濃度會出現第二個峰值，如下圖所示，使得注入深度難以控制。為規避溝道效應，目前主要采用兩種方法：一是調整硅晶體的主軸方向，使其偏離注入方向，即調整傾角（通常介于3°至7°之間），使硅晶體呈現無定形狀態。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，可以發現隨著傾角的增大，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膜的方法，如二氧化硅、氮化硅，或對表面進行非晶化處理（如注入Ge或Si等離子）。

P在110keV能量注入下通道效應對濃度分布的影響

4）硅片旋轉

在進行硅片離子注入時，其表面往往存在一定的結構圖形，這會導致在注入過程中部分區域被遮擋，形成所謂的陰影效應。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。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，以此消除陰影效應的影響（見下圖，注：虛線部分為陰影區域）。

離子傾角注入結構阻擋

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。根據產品的不同應用需求，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、調節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?）或固態紅磷作為離子源，用于N型摻雜，如形成N型阱、調節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構，形成非晶化層，有助于降低溝道效應。此外，它還有助于離子注入后退火過程中的再結晶和電激活。

離子注入工藝的監控

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

1）熱波損傷檢測技術（見下圖）

硅片經過離子注入后，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，我們可以監控離子注入工藝的穩定性。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生變化。再用另一束激光測量晶圓表面的特定區域，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。這種方法反應迅速，無需破壞晶圓，非常適合在生產線上實時監控離子注入工藝的穩定性。

熱波操作監控

2）方塊電阻測量法

離子注入后的晶圓需要經過快速熱退火處理，以激發摻雜物的電子活性。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控指標，它與注入劑量和角度有關。一般來說，劑量越大，Rs值越小。Rs的測量結果也會受到快速熱退火工藝穩定性的影響。盡管這種方法沒有熱波損傷檢測那么直接，但其結果較為精確，因此也被廣泛應用于生產線上的在線監控。

3）二次離子質譜分析法

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分析設備進行分析，且需要破壞硅片進行取樣，因此無法實現在線測量，結果反饋時間也相對較長。

4）表面顆粒監控技術

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區，導致不完全摻雜結構，進而影響產品的良率。因此，我們需要采用電子顯微鏡等方法對表面顆粒進行監控。