摘要：采用离子注入对半导体器件的进行掺杂，能实现精确掺杂，在半导体器件制程过程中起着举足轻重的作用。文章主要探讨相同注入剂量，不同离子注入硼与磷的能量，对于深结扩散后表面浓度的影响，从而得到较理想的工艺注入能量，以便提升注入机设备效率及产品深结扩散后的浓度稳定性，并在深结扩散器件中得到有效的利用，取得较理想的效果。
关键词：离子注入;能量;表面浓度;R口;
在深结扩散的双极性或多极性半导体器件制备过程中，扩散的表面浓度直接影响到产品的参数，如大电流及小电流下的放大倍数，产品的耐压等。离子注入技术作为现代半导体功率器件的主要掺杂方式，在半导体器件生产过程中起着举足轻重的作用。离子注入能实现精确控制注入的深度及杂质总量控制，但其存在较大的缺陷就是其受能量的限制，其注入深度较浅，注入深度与能量成线性关系，且杂质在硅体内呈高斯分布，使得杂质分布延续性较差，故对于深结扩散的产品，需在注入后进行高温再扩散的方式，实现器件本身所需要的掺杂深度及杂质延续性，从而实现器件的各项参数[1]。
因不同的扩散杂质在硅里面的固溶度存在较大的差异，故其在扩散过程中体现出不同的扩散特性，从而直接影响扩散的进入硅片的杂质总量及表面浓度。如图1、图2所示。
在深结扩散中，均会通适量的氧气，从而生长一定厚度氧化层，避免扩散后表面质量异常，但不同杂质在氧化层中扩散速度存在差异，即硅与二氧化硅界面之间存在杂质的分凝效应。如图3所示。
当K<1时，氧化层吸收杂质，如硼;当K>1时，氧化层排斥杂质，如磷;对于表面浓度而言，吸收的表面杂质耗尽，排斥的表面杂质堆积。
不同的杂质，在硅及二氧化硅里面的固溶度及扩散特性存在较大差异，故需对不同扩散杂质，不同注入能量，在注入相同剂量进行深结扩散后，对其扩散后硅片表面R口的影响进行探讨[2]。
1 实验原理
离子注入机由离子源、离子引入和质量分析器、加速管、扫描系统和工艺腔组成。离子源是离子注入机的主要部位，作用是把需要注入的元素气态粒子电离成离子，决定要注入离子的种类和束流强度。将离子源直流放电或高频放电产生的电子作为轰击粒子，当外来电子的能量高于原子的电离电位时，通过碰撞使元素发生电离并带电。碰撞后除了原始电子，还出现正电子和二次电子。正离子在一定能量作用下，以一定的速度进入质量分析器，在洛伦兹力的作用下，选出需要的离子，再经过加速器获得较高能量，由透镜聚焦后进入靶室，进行离子注入至硅片一定深度。如图4所示。
2 实验过程
2.1 在注入相同剂量的条件下，硼表面浓度与注入能量的相关性研究
2.1.1 工艺过程
(1)选用相同电阻率的硅片，注入剂量均为3.2E15，注入能量分别为40 keV/60 keV/80 keV/ 100 keV/120 keV。
(2)将硅片同时进行传统的RCA清洗，去除表面附着的杂质。
(3)通过T=1210℃、t=4.5 h，N2=4 Sccm，O2=2 Sccm工艺条件中进行推结。
(4)使用HF，泡净氧化层，测试硅表面浓度(方块电阻)。结果如表1、图5所示。
从数据的结果来看，注入硼推深结，其扩散后表面的方块电阻与注入能量成对数关系，随着注入能量的增加，其扩散浓度越浓。
2.2 在注入相同剂量的条件下，磷表面浓度与注入能量的相关性研究
(1)选取浓度相近的P型调试片9片，注入不同的能量、相同的剂量。
(2)1∶16漂酸30秒，RCA进行清洗处理。
(3)T=1210℃、t=4.5 h，N2=4 Sccm，O2=2 Sccm工艺条件中进行推结。
(4)使用HF，泡净氧化层，测试硅表面浓度(方块电阻)，结果如表2、图6所示。
从数据的结果来看，能量高于30 keV后，其深结扩散后R口与能量无相关性，故推断，离子注入磷后进行深结扩散，其表面R口与注入能量无关，仅与注入后的清洗腐蚀过程有关。
3 结束语
注入硼推深结，其扩散后表面的方块电阻与注入能量成对数关系，随着注入能量的增加，其扩散浓度变浓，因此在工艺过程中，根据注入机能力，做深结扩散硼的产品，在相同要求扩散杂质总量的条件下，注入能量越高，其注入剂量越小，注入时间越短，效率越高。离子注入P能量对其R口影响不大，只与剂量有关，但能量偏低，清洗过程中1#液将离子注入表层的浓度剥离，影响掺杂总量，目前使用离子注入磷能量为30 keV，其注入深度为380±220 A，之前测试过一次注入氧化层清洗后去除量为100 A左右，在实际清洗过程中，由于时间、表面损伤层大小，以及1#液实际浓度的影响，去除量可能存在差异，这些无法考证，因此选择合适的注入能量确保掺杂离子总量恒定，提高工艺稳定性的同时，可降低设备因注入能量过高而提升设备故障率。
参考文献
[1] 张德坤，葛世荣，王世博，等.氮离子注入硅表面的力学性能及其微摩擦磨损行为研究[J].摩擦学学报，2006(4):290-294.
[2] 孙蓉，徐洮，薛群基.单晶硅表面改性及其微观摩擦学性能研究进展[J].摩擦学学报，2004(4):392-395.
