为什么离子注入要采用7°角注入?

为什么离子注入要采用7°角注入?

离子注入采用7°角是离子注入工艺非常经典且重要的问题;那为什么要采用7°的倾斜角进行注入,最主要的原因就是在离子注入过程中避免一种称为“沟道效应”(Channeling Effect) 的现象。

什么是“沟道效应”?

硅晶体是由原子按高度有序的晶格排列而成的。从某些特定的晶向(例如或或,取决于晶圆类型)看过去,原子之间的空隙会形成一条条畅通无阻的“通道”。

如果离子以 0°角(即垂直于晶圆表面)注入:这个时候就会有一部分高能离子可能会幸运地直接射入这些“通道”中。这就会导致这些离子在通道中穿行时,几乎不会与硅原子发生碰撞,因此受到的阻力极小,能量损失很慢。这会导致它们注入得异常深,远远超过预定的结深。这会导致我们的芯片的性能偏离我们设计的性能,严重时会导致芯片的报废或可靠性出问题。

简单介绍硅晶体结构

如图是硅晶体的经典结构,主要由两套面心立方晶格沿着对角线相互移动1/4对角线长度套构而成;形成一个硅原子和周围其他四个硅原子相互连接形成四个共价键。

以下就是硅原子几个主要晶向分布

1、晶向;主要原子排列顺序为对应立方体的棱边方向,原子排列成正方形网格,这种晶向的特点是表面能较低,生长速度快,是硅晶生长的主要方向。

2、晶向;主要原子排列顺序为对应立方体对角线方向,原子排列成矩形形状,这种晶向的特点是电子迁移率相对较高,原子排列相对紧密,电子受到的阻碍相对较少。

3、晶向;主要原子排列顺序为立方体对角线方向,原子排列顺序为正三角形堆积,这种晶向的特点是表面能相对较低,结构的对称性好,原子的密度最高。

这三种晶格方向有着不一样的物理性能,所以他们的应用场景也不相同;一般晶向主要应用在集成电路比如CPU、GPU、DRAM等等;晶向主要应用在双极性晶体管(BJT)和功率半导体(MOSFET)等等领域;晶向主要应用在功率半导体器件(IGBT)中等等。

离子注入采用7°角注入可以有效抑制沟道效应,同时兼顾工艺的其他要求,具体如下:有效抑制沟道效应:当离子注入方向与晶圆晶向平行时,会产生沟道效应,导致离子注入深度难以控制,浓度分布不符合要求。将离子入射方向与晶圆表面法线成7°角,能使离子注入方向偏离沟道轴向,增加离子与晶圆内部原子的碰撞概率,打乱离子路径,有效抑制沟道效应,使离子浓度分布更可控。

为什么离子注入不采用其他的角度注入?

1、减少横向效应:垂直注入会造成横向效应,即离子在注入过程中除了纵向扩散外,还会在水平方向上发生扩散,导致注入区域不准确。7°的倾斜角度可在一定程度上减少这种横向扩散,使离子更精准地注入到目标区域,提高注入的精度。

2、避免阴影区过大:如果倾角过大,带胶注入时,离子会被光刻胶部分遮挡,形成较大的阴影区,导致实际注入区域与设计区域出现偏差。7°角能在抑制沟道效应的同时,将阴影区控制在较小范围内,保证注入的准确性和均匀性。

总的来说,在半导体离子注入工艺采用7°角工艺进行是经过无数工程师辛苦实验得出的最好角度,目前也是行业中最常用的方法。

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