功率器件工程师笔记——离子注入与退火

1、原理及分布

      离子注入的能量损失机构有核阻止和电子阻止两种。通常低能重离子以核阻止为主，高能轻离子则以电子阻止为主。

     描述离子注入到靶中形成的杂质浓度分布，用四个参量来表征，即投影射程R_p、标准偏差ΔR_p、偏斜度γ₁及峭度β₂。其中R_p反映离子注入的平均深度，ΔR_p反映射程的分散程度，γ₁反映分布的对称性，峭度β₂反映分布的顶部尖峰特征。

       离子注入与扩散形成的掺杂剖面和高斯分布有两点不同点：一是扩散形成的掺杂浓度峰值在表面；而离子注入形成的掺杂浓度峰值在距表面R_p的位置处；二是扩散形成的杂质剖面横向效应较大，横向系数f _l为0.7～0.8，而离子注入掺杂剖面横向效应较小，横向系数f_l约为0.5。

     为了避免产生“沟道效应”，可采用晶片偏斜工艺。使单晶靶偏离晶向7°～8°，同时将大圆片主参考面相对于离子束扫描方向偏转15°，此外，也可在硅片表面涂一层光刻胶，或者生长一层SiO₂，或者在硅片表面预先注入Si ⁺或Ar ⁺等惰性离子使之成为非晶硅层。

      在形成超浅的p⁺/n结时，为了降低沟道效应，通常采用Ge⁺注入使Si衬底的注入区预非晶化；然后在极低能量（<10keV）下进行B⁺注入。由于B⁺质量较轻，注入后的离子浓度分布会出现较长的拖尾，因此制备浅p⁺/n结比n⁺/p结更难。为了获得更浅的深度，在0.25μm 以下的工艺中，通常采用BF₂注入。BF₂的分子量比B⁺的大，沟道效应有所改善。但是即使在很低的能量下，离子浓度分布仍然存在不可忽略的拖尾现象，并且由于BF₂注入时存在氟，通过退火去除缺陷较困难，所以通常选用极低能量的B⁺注入效果较好。

2、退火与推进

      普通热退火的退火温度为600～800℃，退火时间为15～30min。快速热退火的退火温度为1000℃，退火时间通常在几秒之内。为了防止沟道效应，注入前非晶化的深度必须足够浅，因为当非晶体和晶体（a/c）界面处的缺陷分布较深时，很难通过退火完全消除，激活率无法保证。因此，B⁺注入的深度必须小于a/c界面的深度，否则非晶化将失去作用。另外，由于离子注入后的硅衬底中有大量的晶格缺陷，在退火过程中，杂质离子会在硅中发生扩散增强效应。热退火温度虽然低于热扩散温度（> 900℃），但对于注入区的杂质，即使在较低的温度下，杂质扩散也非常显著。因此，退火会使结深进一步推进到a/c界面以下约70nm 处，于是所有晶体缺陷都局限在B⁺注入形成的P⁺区，这样可大大降低pn结的漏电流。当结深推进到a/c界面以下时，大部分的晶粒间界面消失，增强扩散也不再发生。

      对于IGBT，背面的透明集电极和FS层的离子注入是在正面所有工艺（包括金属化）完成后进行的，注入后激活杂质受金属化的限制，退火的温度不能超过500℃。可采用短波激光退火设备。利用绿色激光（553nm），通过调整时间和能量，把激光的穿透深度控制在 1μm范围内，再调整脉冲持续时间（如200～1000ns）加热，使硅片的加热层控制在0.3～2μm之间。在此条件下，硼的激活率可达100%，磷的激活率约为50%（双步退火）。

      图1所示为离子注入推进后离子浓度分布。当Dt < 2.5ΔR_P²时，随着Dt的增加，表面杂质浓度增大，峰值离子浓度下降，但其位置没有明显地偏离R_P，如图7.2a所示呈“古钟”形分布。当Dt的足够大时，初始注入层可看作有限表面源，离子浓度分布如图7.2b所示，呈“单边”高斯分布。如GCT的透明阳极、IGBT的nFS层及透明集电区硼离子注入推进后的离子浓度分布均属于“单边”高斯分布。

图1 离子注入并推进后的杂质离子浓度分布

3、特殊离子注入方法

    （1）覆盖注入

     带牺牲氧化层注入，不仅可以防止沟道效应，还可以将离子注入后的峰值离子浓度移到硅片表面。

    （2）多次注入

      对于有特殊要求和扩散不能实现的掺杂浓度分布，可以进行多次注入。利用各种剂量和能量的组合，可以获得不同掺杂浓度梯度、峰值掺杂浓度和射程要求的分布。

图2 倾斜注入形成的离子浓度分布

    （3）倾斜离子注入

      为了获得浅结，通过降低注入离子的能量来实现。如需精确控制注入深度（100nm），可采用斜角注入，即让硅片相对于离子束流作一定角度的倾斜，使有效注入能量大幅度衰减。

    （4）高能深结注入

     采用高能离子注入可以实现深结掺杂。当注入能量在1keV～1MeV范围内时，离子注入的平均深度在10nm～10μm范围内。

     （5）大束流注入

      离子注入剂量不同，获得掺杂浓度不同。对于低掺杂浓度，采用常规的束流注入即可，如阈值电压调整所需剂量为10¹²cm^-2；但对高掺杂浓度要求，如PIC的埋层所需剂量高达10¹⁸cm^-2，在进行杂质预沉积时，可用大束流10～20mA的离子注入来实现，然后在高温下推进同时兼退火，以消除大束流引起的注入损伤。

4、离子注入的应用

      在超结器件中，p柱区和n柱区通常采用多次离子注入与外延交替进行；在氧化物扩展沟槽栅超结MOS器件中，可采用斜角注入来形成柱区掺杂。随着离子注入工艺技术的发展，在晶闸管类的器件中也逐渐采用Al离子注入来替代Al扩散，以改善芯片掺杂的均匀性或形成特殊的掺杂浓度分布，比如在普通晶闸管中，采用Al⁺注入来形成均匀的p基区，改善晶闸管的浪涌电流容量，又如在GCT和RC-GCT中采用硼离子注入实现p⁺透明阳极区、用Al离子注入来实现波状p基区和pnp隔离区。所以，Al⁺注入代表功率器件中深结制作未来的发展方向。

图3 HVCMOS芯片中源、漏区掺杂结构的演变

      图3给出了HVCMOS中源、漏区掺杂结构发展示意图，最初主要是通过杂质硼、磷扩散形成源、漏区，如图3a所示。随着离子注入技术的出现，采用自对准工艺通过硼离子、砷离子注入实现源、漏区，减弱了横向扩散，使得寄生电容减小，如图3b所示。为了提高源-漏击穿电压，并降低漏区高电场强度引起的热载流子效应，采用氧化物侧墙工艺通过注入P⁺、As⁺、B⁺和BF₂形成LDD结构，如图3c所示。随着器件特征尺寸的进一步减小，为了获得超浅结和高掺杂浓度，以抑制短沟效应并改善器件的特性，采用低能As⁺和BF₂注入形成源漏扩展结构，如图3d所示，其中浅的扩展区用以抑制短沟效应，较深的源漏区用以形成良好的欧姆接触。为了进一步降低短沟效应和源漏扩展区的横向扩散、提高掺杂浓度分布梯度并降低源漏串联电阻，采用超低能As⁺、In⁺和BF₂大角度斜角注入反型杂质，在源漏扩展区周围形成反型的掺杂区，形成图3e所示的晕环（Halo）或袋状Pocket）结构。