專利名稱：多能離子注入實現(xiàn)階梯狀摻雜濃度分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子注入設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及一種多能離子注入實現(xiàn)階梯狀摻雜濃度分布的方法。
背景技術(shù)：
離子注入是半導體器件制備的關(guān)鍵工藝，尤其是針對SiC材料，離子注入是形成 SiC器件摻雜的核心工藝技術(shù)。碳化硅(SiC)作為新一代寬禁帶半導體材料，具有熱導率高、電子的飽和速度大、擊穿電壓高等優(yōu)點，是高溫、大功率、高頻等半導體器件的理想材料。但由于雜質(zhì)在SiC中的擴散系小，離子注入摻雜是除了外延摻雜以外的唯一可行的方法，離子注入工藝的良好解決有助于SiC材料的進一步推廣應用，使SiC器件的制備更加靈活。通過離子注入對器件進行摻雜，不同器件對摻入雜質(zhì)的濃度和深度都有特定的要求，許多電子器件在制作過程中都要求摻入雜質(zhì)的分布在不同區(qū)域、不同深度為一特定的形狀，才有利于提高器件性能。如渡越時間雪崩二極管(IMPATT)，要求載流子分布為一平坦分布，以達到頻率高、效率高的目的，這種IMPATT理想分布曲線需要四次能量疊加組成； 又如雙極型npn晶體管，要求基區(qū)載流子分布窄而平坦，才能提高器件截止頻率，并且提高管芯成本率；特別是在SiC電力電子器件領(lǐng)域，大多器件都需要采用多次不同能量的離子注入形成結(jié)終端(JTE)結(jié)構(gòu)或各種保護環(huán)結(jié)構(gòu)的均勻摻雜來提高器件擊穿電壓，其中SiC JBS/MPS 二極管要求P+保護環(huán)和結(jié)終端(JTE)區(qū)域的P型摻雜濃度為階梯狀均勻分布，以確保電荷、電場分布均勻，以提高反向擊穿電壓和器件性能。為獲得較均勻的摻雜濃度分布，目前一般采用多次不同能量的離子注入方法實現(xiàn)。相對于一次注入，采用多次注入時對注入深度、注入能量、注入劑量的精確計算更為困難，這對均勻性要求比較高的所需深度、特定區(qū)域、特定形狀摻雜濃度的設(shè)計，提出了更高的要求。目前，對于單能離子注入的模擬設(shè)計方法的專利很多，如申請?zhí)枮椤?8100467. 9” 的中國專利申請中提供一種離子注入過程模擬方法，利用由兩個代表不同剖面成分的 Pearson標準函數(shù)線性組合而成的雙皮爾森(dual Pearson)函數(shù)描述離子注入剖面，線性組合系數(shù)為與兩個Pearson標準函數(shù)對應的不同剖面成分的劑量值，再利用內(nèi)插法和外推法獲得劑量值系數(shù)系列，進而形成兩個Pearson標準函數(shù)的不同線性組合，以模擬離子注入過程。申請?zhí)枮椤?00610(^6759. 2”的中國專利在此基礎(chǔ)上，也提出了一種涉及半導體制程中離子注入工藝的模擬方法，采用實際分布設(shè)定模擬函數(shù)，提取模擬參數(shù)，形成參數(shù)矩陣的方法，研究了離子注入劑量和能量對注入離子在半導體材料內(nèi)分布的影響規(guī)律。以上這些方法基本上都是基于LSS理論預言，入射離子在非晶靶中的射程分布是高斯分布，基本上都是單能離子注入規(guī)律，只適合單次注入的能量和劑量的變化對離子分布的影響，而多次注入能量和劑量的組合形成特定形狀的摻雜濃度分布與LSS理論預言不同，這些專利中都沒有給出多次能量疊加的具體參數(shù)設(shè)計方案。
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根據(jù)國內(nèi)外的文獻來看，有報道過通過離子注入形成箱型均勻摻雜濃度分布，一般直接給出能量和劑量組合值，沒有給出明確的設(shè)計方法。對于均勻摻雜，一般是利用單能注入的設(shè)計方法，根據(jù)深度要求，把所有所需深度范圍內(nèi)的能量通過查表或者采用Trim 軟件計算出相應的入射粒子注入進靶材的平均投影射程(Rp)值和投影射程的標準偏差 (Δ Rp)值，然后根據(jù)經(jīng)驗大致選擇2-6個能量組合，分別計算出雜質(zhì)的濃度隨深度的分布曲線，最后把幾個計算得出雜質(zhì)的濃度隨深度的分布曲線進行疊加而成。但是，這些設(shè)計方法存在以下缺陷第一，多次注入的能量和劑量組合的確定存在很大的隨意性，特別是能量組合的確定，沒有一個確定的參數(shù)設(shè)計方法，都是靠經(jīng)驗進行， 這樣不僅重復性差，而且浪費精力，不能快速、有效的得到精確控制的、任意摻雜濃度分布； 第二，離子注入是影響器件性能的關(guān)鍵工藝，有些器件對注入離子的摻雜濃度分布要求很高，如果工藝設(shè)計不精確，將導致工藝復雜，返工，或可能導致器件性能的下降；第三，對于類似階梯狀摻雜濃度分布，拐點處陡直性的設(shè)計非常關(guān)鍵，如SiC器件的結(jié)終端(JTE)對濃度非常敏感，如果設(shè)計區(qū)域濃度分布出現(xiàn)長拖尾現(xiàn)象，將直接影響到器件擊穿特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能快速、精確控制任意摻雜濃度分布的多能離子注入實現(xiàn)階梯狀摻雜濃度分布的方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種多能離子注入實現(xiàn)階梯狀摻雜濃度分布的方法包括采用歸一法計算出單能離子注入濃度下降速率與離開平均投影射程的關(guān)系因子， 根據(jù)所需摻雜濃度分布及采用的能量組合個數(shù)，確定選用單能離子注入的關(guān)系因子，從而確定能量組合；利用經(jīng)驗因子和經(jīng)驗公式的反推方法確定所述能量組合中單個能量的劑量值，并通過劑量微調(diào)形成各高、低濃度摻雜段的箱型摻雜濃度分布；將所述箱型摻雜濃度分布通過引入掩蔽犧牲層設(shè)計實現(xiàn)階梯狀摻雜濃度分布拐點處的陡直變化，從而消除箱型注入分布前拖尾，形成拐點處陡直的箱型摻雜濃度分布；及將各摻雜段箱型摻雜濃度分布，去除掩蔽犧牲層，通過線性疊加成階梯狀摻雜濃度分布，再通過微調(diào)各摻雜段臺階處的劑量完成階梯狀摻雜濃度分布的陡直性設(shè)計。本發(fā)明提供的多能離子注入實現(xiàn)階梯狀摻雜濃度分布的方法，主要采用歸一法計算出關(guān)系因子，利用經(jīng)驗因子和經(jīng)驗公式的反推方法來設(shè)置參數(shù)，可快速確定能量和劑量等組合參數(shù)，精確實現(xiàn)任何摻雜濃度分布；此外，通過引入掩蔽犧牲層設(shè)計，不僅可實現(xiàn)階梯狀摻雜濃度分布拐點處的陡直變化，還能減小離子注入造成的表面損傷，避免器件表面沾污，簡化表面清洗工藝，從而降低工藝復雜度和不可控性。


圖1為本發(fā)明實施例提供的多能離子注入實現(xiàn)半導體器件中階梯狀摻雜濃度分布的方法的流程圖。圖2為本發(fā)明提供的濃度下降速率與離開平均投影射程關(guān)系圖。其中，Υ為濃度的歸一化值，即較高能量下注入離子濃度與其次高能量下離子注
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入峰值濃度的比值；β為濃度下降速率與離開平均投影射程的關(guān)系因子；x(x = X-Rp)為離開投影射程距離；圖3為本發(fā)明實施例提供的特定濃度下的能量和劑量組合關(guān)系圖。圖4為本發(fā)明實施例提供的帶有掩膜犧牲層的高濃度摻雜段的箱型摻雜濃度分布圖；其中，1-注入能量為136Kev下的摻雜分布剖面圖；2-注入能量為l(^Kev下的摻雜分布剖面圖；3-注入能量為SOKev下的摻雜分布剖面圖；4-注入能量為50Kev下的摻雜分布剖面圖；5-帶有掩膜犧牲層的高濃度摻雜段的箱型摻雜濃度分布圖；圖5為本發(fā)明提供的帶有掩膜犧牲層的低濃度摻雜段的箱型摻雜濃度分布圖；其中，6-注入能量為550Kev下的摻雜分布剖面圖；7-注入能量為41Iev下的摻雜分布剖面圖；8-注入能量為307Kev下的摻雜分布剖面圖；9-注入能量為2MKev下的摻雜分布剖面圖；10-注入能量為150Kev下的摻雜分布剖面圖；11-帶有掩膜犧牲層的低濃度摻雜段的箱型摻雜濃度分布圖；圖6為本發(fā)明提供的注入離子在帶有掩膜犧牲層襯底中的剖面分布示意圖。其中，艮為平均投影射程；ΔΙ ρ為投影射程的標準偏差；面積A表示注入到掩蔽犧牲層中的離子總數(shù)；面積B表示穿過掩蔽犧牲層到達襯底的離子數(shù)；Tm表示掩蔽犧牲層厚度；Nmax表示注入離子峰值濃度；圖7為本發(fā)明提供的去除掩膜犧牲層的高濃度摻雜段的箱型摻雜濃度分布圖；其中，12為去除掩膜犧牲層的高濃度摻雜段的箱型摻雜濃度分布；圖8為本發(fā)明提供的去除掩膜犧牲層的低濃度摻雜段的箱型摻雜濃度分布圖；其中，13為去除掩膜犧牲層的低濃度摻雜段的箱型摻雜濃度分布；圖9為本發(fā)明提供的采用多能離子注入實現(xiàn)的階梯狀摻雜分布圖；其中，14為階梯狀摻雜分布。
具體實施例方式為實現(xiàn)從襯底表面到襯底0. 2um內(nèi)，摻雜濃度為6. 8e19cm_3，從襯底0. 25um到襯底0. Sum內(nèi)摻雜濃度為6. 5el8cm-3的階梯狀摻雜濃度分布。在本實施例中，根據(jù)離子注入原理和工藝模擬基礎(chǔ)來看，我們采用多能離子注入來實現(xiàn)，所述注入離子為SiC器件的P型摻雜濃度常用離子Al，所述要求有兩個摻雜段，可采用兩個箱型摻雜濃度分布形成，具體實現(xiàn)流程見圖1，其詳細步驟如下步驟1 根據(jù)注入離子在襯底中的濃度分布，采用歸一法計算得出濃度下降速率與離開平均投影射程的關(guān)系因子β，得出濃度下降速率與離開平均投影射程的關(guān)系，可適用于任何離子注入過程，如圖2所示。步驟2 利用Trim-2008軟件，采用Kinchin-Pease模型，計算出一定能量粒子打進襯底材料中的深度分布，采用線性擬合的方法擬合出注入能量與注入深度的關(guān)系式L = 121. 65+14. 132E (L為注入深度，單位為A ；E注入能量，單位為Kev)。步驟3 按照設(shè)計最大注入深度，根據(jù)所述線性擬合關(guān)系式，確定最高注入能量值，根據(jù)所需摻雜濃度分布及采用的能量組合個數(shù)n，選取濃度歸一化γ值，確定選用對應的單能離子注入關(guān)系因子β值，離子注入能量選取遵循由最高能量向低能量遞推的原則；采用蒙特卡羅模擬方法(M-C方法)，利用Trim-2008軟件模擬仿真出最高能量下注入離子在襯底中的統(tǒng)計分布，根據(jù)關(guān)系因子和線性擬合關(guān)系式，推導出第二注入能量值，依次類推，直至設(shè)計最淺注入深度對應能量值為止，從而確定特定深度范圍內(nèi)的注入能量組合。 例如，按照注入深度從襯底0. 25um到襯底0. 8um要求，根據(jù)關(guān)系式L = 121. 65+14. 132E 反推，選擇最高能量^OKev，采用蒙特卡羅模擬方法(M-C方法)，利用Trim-2008軟件模擬仿真出550Kev能量下注入離子在襯底中的統(tǒng)計分布，得出民和ΔΙ ρ數(shù)據(jù)。結(jié)合模擬仿真數(shù)據(jù)，根據(jù)箱型摻雜濃度分布及550Kev能量下濃度下降速率與離開平均投影射程的關(guān)系，按照線性疊加原理，選擇歸一法值Y為0.5，對應的關(guān)系因子β為1.2，如圖2所示。 根據(jù)關(guān)系因子β，確定第二個能量的注入深度為550Kev能量下對應的減去1. 2 Δ Rp, 再根據(jù)關(guān)系式L = 121. 65+14. 132Ε可計算出第二個能量為412Kev，依次推導出低濃度 (6. 5el8cm-3)摻雜段箱型摻雜濃度分布的所需注入能量值能量組合為550Kev、412Kev、 307Keν、215Keν、150Keν ；同理，按照注入深度從襯底表面到襯底0. 2um要求，依次推導出高濃度(6.8el9Cm_3)摻雜段箱型摻雜濃度分布的所需注入能量值能量組合為136Kev、 105Kev,80Kev,50Kevo在能量組合確定過程中，可根據(jù)組合能量數(shù)目，選擇不同的Y值，獲得與之對應的關(guān)系因子β值，計算出不同的X值，確定所需的能量組合。步驟4 確定形成各摻雜段箱型摻雜濃度分布的特定能量下的劑量值，首先計算
c AR (M1 +ΜΛ η
出經(jīng)驗因子d = -T^iu u v/2](其值取0. 41-0. 45)，根據(jù)所需摻雜濃度，利用峰值濃度 Kp 2KmIm2)
與劑量的經(jīng)驗公式Nmax = δ *D/Δ Rp，反推出單個能量值下獲得相應濃度的理想劑量值， 其中Nmax是注入離子峰值濃度，D為注入劑量值，。步驟5 通過劑量微調(diào)形成高、低濃度兩摻雜段的箱型摻雜濃度分布，本實施例中的能量劑量組合如圖3所示。步驟6 引入掩蔽犧牲層設(shè)計來實現(xiàn)階梯狀摻雜濃度分布拐點處的陡直變化設(shè)計，采用穿過掩蔽犧牲層到達襯底的離子數(shù)來彌補注入分布前拖尾的方法，根據(jù)面積關(guān)系， 設(shè)計一定厚度掩蔽犧牲層，消除箱型注入分布前拖尾，形成拐點處陡直的箱型摻雜濃度分布。本實施例中掩蔽犧牲層的厚度設(shè)計需滿足以下兩點設(shè)計要求第一，本掩蔽犧牲層
不做注入掩膜，4 > 0.1% (面積A表示注入到掩蔽犧牲層中的離子總數(shù)，面積B表示穿過 A
掩蔽犧牲層到達襯底的離子數(shù))，其關(guān)系如圖6所示；第二，為確保拐點處的陡直性設(shè)計， 2 Δ Rp ^ Tm < Rp+4 Δ Rp (Tm為掩蔽犧牲層厚度，此處的艮、Δ Rp為最低能量下的平均投影射程和投影射程的標準偏差)。一般來說，在滿足設(shè)計要求的同時，Tm值應當盡量小，綜合考慮，本實施例中，Tm取600Α，帶掩蔽犧牲層的箱型分布見圖4和圖5。步驟7 通過各摻雜段箱型摻雜濃度分布形成階梯狀摻雜分布的設(shè)計，根據(jù)
n^=理論(需先注高能離子，后注低能離子方式)，將上述兩個摻雜段的箱型分
η
布去除掩蔽犧牲層(如圖7和圖8所示)，通過線性疊加成階梯狀摻雜分布，再通過臺階處劑量的微調(diào)工作來形成臺階處的陡直變化。步驟8 完成本實施例要求的從襯底表面到襯底0. 2um內(nèi)，摻雜濃度為6. 8el9cm"3, 從襯底0. 25um到襯底0. Sum內(nèi)摻雜濃度為6. MlScnT3的階梯狀摻雜濃度分布。如圖9所
7J\ ο最后所應說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，
7盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.一種多能離子注入實現(xiàn)階梯狀摻雜濃度分布的方法，其特征在于，包括采用歸一法計算出單能離子注入濃度下降速率與離開平均投影射程的關(guān)系因子，根據(jù)所需摻雜濃度分布及采用的能量組合個數(shù)，確定選用單能離子注入的關(guān)系因子，從而確定能量組合；利用經(jīng)驗因子和經(jīng)驗公式的反推方法確定所述能量組合中單個能量的劑量值，并通過劑量微調(diào)形成各高、低濃度摻雜段的箱型摻雜濃度分布；將所述箱型摻雜濃度分布通過引入掩蔽犧牲層設(shè)計實現(xiàn)階梯狀摻雜濃度分布拐點處的陡直變化，從而消除箱型注入分布前拖尾，形成拐點處陡直的箱型摻雜濃度分布；及將各摻雜段箱型摻雜濃度分布，去除掩蔽犧牲層，通過線性疊加成階梯狀摻雜濃度分布，再通過微調(diào)各摻雜段臺階處的劑量完成階梯狀摻雜濃度分布的陡直性設(shè)計。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用歸一法計算出單能離子注入濃度下降速率與離開平均投影射程的關(guān)系因子，根據(jù)所需摻雜濃度分布及采用的能量組合個數(shù)，確定選用單能離子注入的關(guān)系因子，從而確定能量組合包括根據(jù)注入離子在襯底中的濃度分布，采用歸一法計算得出濃度下降速率與離開平均投影射程的關(guān)系因子β，得出濃度下降速率與離開平均投影射程的關(guān)系；計算粒子打進襯底材料中的深度分布，并線性擬合出注入能量與注入深度的關(guān)系式；按照設(shè)計最大注入深度，根據(jù)所述線性擬合關(guān)系式，確定最高注入能量值，根據(jù)所需摻雜濃度分布及采用的能量組合個數(shù)η，選取濃度歸一化γ值，確定選用對應的單能離子注入關(guān)系因子β值；模擬仿真出最高能量下注入離子在襯底中的統(tǒng)計分布，根據(jù)關(guān)系因子和線性擬合關(guān)系式，推導出第二注入能量值，依次類推，直至設(shè)計最淺注入深度對應能量值為止，從而確定注入能量組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于 所述經(jīng)驗因子δ是通過
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用經(jīng)驗因子和經(jīng)驗公式的反推方法確定所述能量組合中單個能量的劑量值是利用峰值濃度與劑量的經(jīng)驗公式Nmax = δ *D/Δ Rp，通過計算，反推出單個能量值下的劑量值，所述D為注入劑量值，所述Nmax是注入離子峰值濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述將所述箱型摻雜濃度分布通過引入掩蔽犧牲層設(shè)計實現(xiàn)階梯狀摻雜濃度分布拐點處的陡直變化是采用穿過掩蔽犧牲層到達襯底的離子數(shù)來彌補注入分布前拖尾的方法，根據(jù)面積關(guān)系設(shè)計掩蔽犧牲層，消除箱型注入分布前拖尾，形成前拖尾部分的陡直設(shè)計。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述掩蔽犧牲層選擇絕緣層掩膜材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述掩蔽犧牲層的厚度設(shè)計需要符合以下兩個條件 條件一需滿足7>q+1%所述A表示注入到掩蔽犧牲層中的離子總數(shù)，B表示穿過掩蔽犧牲層到達襯底的離子數(shù)；條件二 需滿足2 Δ Rp彡Tm < Rp+4 Δ Rp,所述Tm為掩蔽犧牲層厚度，所述Rp、Δ Rp為最低能量下的平均投影射程和投影射程的標準偏差。
全文摘要
本發(fā)明公開多能離子注入實現(xiàn)階梯狀摻雜濃度分布的方法包括用歸一法計算出單能離子注入濃度下降速率與離開平均投影射程的關(guān)系因子，根據(jù)所需摻雜濃度分布及采用能量組合個數(shù)，確定選用單能離子注入的關(guān)系因子，確定能量組合；利用經(jīng)驗因子和經(jīng)驗公式的反推方法確定能量組合中單個能量的劑量值，并通過劑量微調(diào)形成各高、低濃度摻雜段的箱型摻雜濃度分布；將箱型摻雜濃度分布通過引入掩蔽犧牲層設(shè)計實現(xiàn)階梯狀摻雜濃度分布拐點處的陡直變化，消除箱型注入分布前拖尾，形成拐點處陡直的箱型摻雜濃度分布；將各摻雜段箱型摻雜濃度分布，去除掩蔽犧牲層，通過線性疊加成階梯狀摻雜濃度分布，通過微調(diào)各摻雜段臺階處劑量完成階梯狀摻雜濃度分布的陡直性設(shè)計。
文檔編號H01L21/266GK102446721SQ20111041263
公開日2012年5月9日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者劉新宇, 劉煥明, 周靜濤, 李博, 楊成樾, 湯益丹, 申華軍, 白云 申請人:中國科學院微電子研究所