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芯片離子注入后退火會引入的工藝問題

中科院半導體所 ? 來源:學習那些事 ? 2025-04-23 10:54 ? 次閱讀

文章來源:學習那些事

原文作者:小陳婆婆

本文簡單介紹了芯片離子注入后退火會引入的工藝問題:射程末端(EOR)缺陷、硼離子注入退火問題和磷離子注入退火問題。

熱退火是半導體制造中不可或缺的關鍵步驟,通過技術分類優(yōu)化和固相外延再生長,可顯著提升器件性能。未來,智能控制、材料創(chuàng)新和跨學科研究將推動熱退火技術的進一步發(fā)展,為先進工藝節(jié)點和新型器件研發(fā)提供支撐。

關鍵目的

晶格修復:通過熱能驅動原子重排,恢復離子注入導致的非晶層結構(修復溫度約500℃)。

雜質激活:使注入的間隙雜質原子進入晶格替位位置,形成電活性摻雜(激活溫度約950℃)。

薄膜改性:致密化疏松薄膜,改善高k柵介質特性(如降低柵泄漏電流)。

合金形成:優(yōu)化金屬硅化物(如CoSi、NiSi)的接觸電阻和本體電阻。

技術分類與特性

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射程末端(EOR)缺陷

射程末端缺陷是高劑量離子注入后,退火過程中非晶硅(a-Si)與單晶硅(c-Si)界面處形成的穩(wěn)定位錯環(huán)缺陷。其形成源于離子注入導致的非晶化層在退火時發(fā)生固相外延再生長(SPER),界面處點缺陷(如空位和間隙原子)的擴散與聚結形成擴展缺陷。

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圖1射程末端(EOR)缺陷示意圖

關鍵影響因素

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對器件性能的影響與解決方案

電學性能退化

漏電流增加:位錯環(huán)位于PN結耗盡區(qū)時,反向漏電流增加2-3個數(shù)量級。

可靠性風險:缺陷簇加速電遷移,器件壽命縮短50%以上。

工程化解決方案

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前沿技術進展與應用拓展

缺陷工程突破

二維材料調控:山東大學團隊通過氬等離子體輻照調控Bi?O?Se中的O/Se空位缺陷,實現(xiàn)超快激光輸出(脈寬266fs),比傳統(tǒng)材料縮短50%。

納米技術應用:利用缺陷增強納米炸藥性能(威力提升千百倍),推動軍事領域變革。

退火工藝創(chuàng)新

儲氫合金退火:北方稀土貯氫公司開發(fā)新工藝,產(chǎn)品合格率提升0.6%,能耗降低6%。

硅鋼退火技術:中冶南方研發(fā)帶氣氛高頻感應加熱裝備,實現(xiàn)±5℃溫度控制,滿足新能源汽車硅鋼需求。

跨學科研究

量子退火算法:中科院高能物理研究所將量子退火啟發(fā)式算法應用于粒子徑跡重建,加速萬倍。

生物醫(yī)學應用:缺陷工程調控鈦合金表面抗菌性(抑菌率>99%),提升人工關節(jié)性能。

射程末端缺陷是離子注入工藝中需精準調控的關鍵問題。通過退火條件優(yōu)化、雜質工程和工藝創(chuàng)新,可顯著減少其影響。未來,智能控制、材料創(chuàng)新和跨學科研究將推動器件性能與可靠性的進一步提升,并為新能源、生物醫(yī)學等領域帶來革命性突破。

硼離子注入退火特性

硼退火特性是硼離子注入后,通過熱能驅動原子重排,使間隙硼原子進入晶格替位位置形成電活性摻雜的過程。電學激活比例(自由載流子數(shù)Np/注入劑量Ns)是衡量激活程度的關鍵指標。

溫度依賴特性

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逆退火現(xiàn)象解析

在500-600℃范圍內,注入產(chǎn)生的點缺陷通過結團降低系統(tǒng)能量,形成擴展缺陷(如位錯環(huán))。硼原子因小尺寸效應(原子半徑≈0.88?)易被缺陷團俘獲,導致替位硼濃度下降,出現(xiàn)電學激活比例隨溫度升高反常降低的現(xiàn)象。

工藝挑戰(zhàn)與解決方案

對器件性能的影響

閾值電壓漂移:激活比例不足導致PMOS閾值電壓(Vth)偏移±15%。

漏電流增加:未激活硼原子在氧化層中形成陷阱電荷,增加柵泄漏電流。

可靠性風險:逆退火導致激活比例波動,加速負偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTI)。

前沿技術進展與應用拓展

退火工藝創(chuàng)新

儲氫合金退火:北方稀土貯氫公司開發(fā)新工藝,產(chǎn)品合格率提升0.6%,能耗降低6%。

硅鋼退火技術:中冶南方研發(fā)帶氣氛高頻感應加熱裝備,實現(xiàn)±5℃溫度控制,滿足新能源汽車硅鋼需求。

納米技術應用

硼摻雜納米金剛石:1000℃退火后,納米金剛石相含量增加,硼濃度提高,薄膜電阻率降低至0.1Ω·cm。

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圖2 不同注入劑量條件下硼的退火特性

量子點調控:通過退火溫度調控硼量子點尺寸,優(yōu)化光電器件發(fā)光效率。

跨學科研究

量子退火算法:中科院高能物理研究所將量子退火啟發(fā)式算法應用于粒子徑跡重建,加速萬倍。

生物醫(yī)學應用:硼中子俘獲療法(BNCT)中,通過退火優(yōu)化硼涂層結構,提升癌癥治療效果。

硼退火特性是半導體制造中需多維度優(yōu)化的核心問題。通過退火條件優(yōu)化、雜質工程和工藝創(chuàng)新,可顯著減少逆退火現(xiàn)象,提高器件性能。未來,智能控制、材料創(chuàng)新和跨學科研究將推動硼退火技術的進一步發(fā)展,為先進工藝節(jié)點和新型器件研發(fā)提供支撐。

磷離子注入退火特性

磷退火特性是磷離子注入后,通過熱能驅動原子重排,使間隙磷原子進入晶格替位位置形成電活性摻雜的過程。同樣電學激活比例是衡量激活程度的關鍵指標。

高劑量注入的退火機理

高劑量(>1×101?cm?2)注入導致非晶層形成,退火時發(fā)生固相外延再生長。磷原子與間隙硅原子無區(qū)別地結合到晶格位置,顯著提高激活比例。

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圖3 不同注入劑量條件下磷的退火特性

對器件性能的影響

閾值電壓漂移:激活比例不足導致NMOS閾值電壓(Vth)偏移±15%。

接觸電阻:未激活磷原子在硅化物/硅界面形成勢壘,增加接觸電阻。

可靠性風險:激活比例波動加速正偏壓溫度不穩(wěn)定性(PBTI)。

前沿技術進展與應用拓展

退火工藝創(chuàng)新

儲氫合金退火:北方稀土貯氫公司開發(fā)新工藝,產(chǎn)品合格率提升0.6%,能耗降低6%。

硅鋼退火技術:中冶南方研發(fā)帶氣氛高頻感應加熱裝備,實現(xiàn)±5℃溫度控制,滿足新能源汽車硅鋼需求。

納米技術應用

磷摻雜納米金剛石:1000℃退火后,納米金剛石相含量增加,磷濃度提高,薄膜電阻率降低至0.1Ω·cm。

量子點調控:通過退火溫度調控磷量子點尺寸,優(yōu)化光電器件發(fā)光效率。

磷退火特性是半導體制造中需多維度優(yōu)化的核心問題。通過退火條件優(yōu)化、雜質工程和工藝創(chuàng)新,可顯著提高激活比例,提升器件性能。未來,智能控制、材料創(chuàng)新和跨學科研究將推動磷退火技術的進一步發(fā)展,為先進工藝節(jié)點和新型器件研發(fā)提供支撐。

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原文標題:芯片制造離子注入問題——熱退火

文章出處:【微信號:bdtdsj,微信公眾號:中科院半導體所】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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