離子注入能量對深結擴散表面濃度的影響

沈怡東，錢清友

（捷捷半導體有限公司，江蘇 南通 226200）

0 引言

在深結擴散的雙極性或多極性半導體器件制備過程中，擴散的表面濃度直接影響到產品的參數，如大電流及小電流下的放大倍數，產品的耐壓等。離子注入技術作為現代半導體功率器件的主要摻雜方式，在半導體器件生產過程中起著舉足輕重的作用。離子注入能實現精確控制注入的深度及雜質總量控制，但其存在較大的缺陷就是其受能量的限制，其注入深度較淺，注入深度與能量成線性關系，且雜質在硅體內呈高斯分布，使得雜質分布延續性較差，故對于深結擴散的產品，需在注入后進行高溫再擴散的方式，實現器件本身所需要的摻雜深度及雜質延續性，從而實現器件的各項參數[1]。

因不同的擴散雜質在硅里面的固溶度存在較大的差異，故其在擴散過程中體現出不同的擴散特性，從而直接影響擴散的進入硅片的雜質總量及表面濃度。如圖1、圖2所示。

圖1 硅中雜質擴散系數

在深結擴散中，均會通適量的氧氣，從而生長一定厚度氧化層，避免擴散后表面質量異常，但不同雜質在氧化層中擴散速度存在差異，即硅與二氧化硅界面之間存在雜質的分凝效應。如圖3所示。

圖2 硅中雜質固溶度

圖3 硼與磷分別在硅與二氧化硅界面的分凝狀態

當K＜1時，氧化層吸收雜質，如硼；當K＞1時，氧化層排斥雜質，如磷；對于表面濃度而言，吸收的表面雜質耗盡，排斥的表面雜質堆積。

不同的雜質，在硅及二氧化硅里面的固溶度及擴散特性存在較大差異，故需對不同擴散雜質，不同注入能量，在注入相同劑量進行深結擴散后，對其擴散后硅片表面R口的影響進行探討[2]。

1 實驗原理

離子注入機由離子源、離子引入和質量分析器、加速管、掃描系統和工藝腔組成。離子源是離子注入機的主要部位，作用是把需要注入的元素氣態粒子電離成離子，決定要注入離子的種類和束流強度。將離子源直流放電或高頻放電產生的電子作為轟擊粒子，當外來電子的能量高于原子的電離電位時，通過碰撞使元素發生電離并帶電。碰撞后除了原始電子，還出現正電子和二次電子。正離子在一定能量作用下，以一定的速度進入質量分析器，在洛倫茲力的作用下，選出需要的離子，再經過加速器獲得較高能量，由透鏡聚焦后進入靶室，進行離子注入至硅片一定深度。如圖4所示。

圖4 離子注入基本結構圖

2 實驗過程

2.1 在注入相同劑量的條件下，硼表面濃度與注入能量的相關性研究

2.1.1 工藝過程

（1）選用相同電阻率的硅片，注入劑量均為3.2E15，注入能量分別為40 keV/60 keV/80 keV/ 100 keV/120 keV。

（2）將硅片同時進行傳統的RCA清洗，去除表面附著的雜質。

（3）通過T=1210℃、t=4.5 h，N2=4 Sccm，O2=2 Sccm工藝條件中進行推結。

（4）使用HF，泡凈氧化層，測試硅表面濃度（方塊電阻）。結果如表1、圖5所示。

表1 能量與R口相關性數據結果

圖5 能量與R口相關性圖表

從數據的結果來看，注入硼推深結，其擴散后表面的方塊電阻與注入能量成對數關系，隨著注入能量的增加，其擴散濃度越濃。

2.2 在注入相同劑量的條件下，磷表面濃度與注入能量的相關性研究

（1）選取濃度相近的P型調試片9片，注入不同的能量、相同的劑量。

（2）1∶16漂酸30秒，RCA進行清洗處理。

（3）T=1210℃、t=4.5 h，N2=4 Sccm，O2=2 Sccm工藝條件中進行推結。

（4）使用HF，泡凈氧化層，測試硅表面濃度（方塊電阻），結果如表2、圖6所示。

表2 能量與R口相關性數據結果

圖6 能量與R口相關性圖表

從數據的結果來看，能量高于30 keV后，其深結擴散后R口與能量無相關性，故推斷，離子注入磷后進行深結擴散，其表面R口與注入能量無關，僅與注入后的清洗腐蝕過程有關。

3 結束語

注入硼推深結，其擴散后表面的方塊電阻與注入能量成對數關系，隨著注入能量的增加，其擴散濃度變濃，因此在工藝過程中，根據注入機能力，做深結擴散硼的產品，在相同要求擴散雜質總量的條件下，注入能量越高，其注入劑量越小，注入時間越短，效率越高。離子注入P能量對其R口影響不大，只與劑量有關，但能量偏低，清洗過程中1#液將離子注入表層的濃度剝離，影響摻雜總量，目前使用離子注入磷能量為30 keV，其注入深度為380±220 A，之前測試過一次注入氧化層清洗后去除量為100 A左右，在實際清洗過程中，由于時間、表面損傷層大小，以及1#液實際濃度的影響，去除量可能存在差異，這些無法考證，因此選擇合適的注入能量確保摻雜離子總量恒定，提高工藝穩定性的同時，可降低設備因注入能量過高而提升設備故障率。