文章來(lái)源：半導(dǎo)體與物理

原文作者：jjfly686

本文介紹了芯片制造領(lǐng)域離子注入工藝中的激活退火的流程和原理。

在芯片制造中，離子注入工藝就像一場(chǎng)精準(zhǔn)的“原子轟炸”——把硼、磷、砷等摻雜原子加速到幾十甚至幾百千電子伏的能量，強(qiáng)行轟進(jìn)硅片里。這些外來(lái)原子進(jìn)入晶格之后，并不能馬上發(fā)揮作用，它們要么擠在晶格縫隙里，要么把硅原子撞得東倒西歪，整個(gè)晶格結(jié)構(gòu)亂成一團(tuán)。這時(shí)候，就需要一場(chǎng)“高溫喚醒”儀式——激活退火。

為什么要激活？注入之后的混亂局面

高能離子撞進(jìn)晶格的過(guò)程，其實(shí)相當(dāng)暴力。輕的離子像子彈穿過(guò)棉花，留下的損傷相對(duì)較少；重的離子則像炮彈砸進(jìn)磚墻，把周?chē)淮笃Ц穸嫁Z成碎片。結(jié)果是，硅片表面層形成大量空位、間隙原子，嚴(yán)重的情況下甚至變成非晶態(tài)。

更麻煩的是，注入進(jìn)去的摻雜原子，大部分都待在晶格的間隙位置，而不是替代硅原子的位置。只有在替代位置上的原子，才能真正貢獻(xiàn)載流子（電子或空穴），改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型和電阻率。這些“擠在縫里”的原子，就跟路人甲一樣，完全不干活。

激活退火的任務(wù)有兩個(gè)：一是讓混亂的晶格重新排列整齊，修復(fù)注入造成的損傷；二是讓摻雜原子從間隙位置“跳”進(jìn)空出來(lái)的硅原子位置，真正成為晶格的一部分，從而貢獻(xiàn)載流子。

不同材料，不同“脾氣”：激活溫度取決于什么

激活溫度沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，主要看三個(gè)因素：襯底材料的熔點(diǎn)、摻雜離子的種類(lèi)、以及注入劑量。

對(duì)于最常見(jiàn)的硅材料，硼離子的激活溫度通常在900°C到1000°C左右。砷和磷這類(lèi)重離子，需要的溫度也差不多，但高劑量注入后形成的非晶層，激活行為會(huì)更復(fù)雜。有個(gè)研究提到，電離輔助退火在550°C到900°C范圍內(nèi)表現(xiàn)出溫度依賴性，激活能會(huì)隨注入劑量變化。

碳化硅這種寬禁帶材料就“難伺候”多了。因?yàn)樗瘜W(xué)鍵強(qiáng)，晶格非常穩(wěn)定，要讓注入的離子激活，通常需要1100°C以上甚至高達(dá)1600-1700°C的高溫。有研究用F離子注入4H-SiC，在500°C到1100°C范圍內(nèi)進(jìn)行激活退火，發(fā)現(xiàn)溫度越高，擴(kuò)散到界面處的F元素濃度也越高，說(shuō)明激活效果與溫度正相關(guān)。

輕離子和重離子：誰(shuí)更難

輕離子和重離子的差別，主要體現(xiàn)在注入時(shí)造成的損傷程度不同。

輕離子（比如硼）質(zhì)量小，跟晶格原子的碰撞截面小，能量損失慢，能穿透更深。它們?cè)斐傻膿p傷相對(duì)分散，主要是一些孤立的點(diǎn)缺陷，不容易形成連續(xù)的缺陷層。這種損傷在退火時(shí)比較容易恢復(fù)，需要的溫度和時(shí)間也相對(duì)溫和。

重離子（比如砷、銻、以及磷也算中等偏重）就完全不同了。它們質(zhì)量大，一頭撞進(jìn)去就跟保齡球砸進(jìn)瓶子堆一樣，會(huì)在路徑上產(chǎn)生一連串的晶格位移，形成密集的缺陷區(qū)域。當(dāng)劑量足夠高時(shí)，甚至?xí)诒砻嫘纬梢粚舆B續(xù)的非晶層。要把這層徹底“重結(jié)晶”，需要更高的溫度，而且結(jié)晶過(guò)程是從底部的單晶襯底往上“長(zhǎng)”回去的，速度和質(zhì)量受溫度控制。有研究對(duì)比過(guò)Si和Be注入InGaAs材料，發(fā)現(xiàn)Si（中等質(zhì)量）在850°C/5秒條件下能接近100%激活，而B(niǎo)e（輕離子）最大激活率只有56%左右。

另外，重離子在退火過(guò)程中更容易發(fā)生擴(kuò)散再分布，尤其是長(zhǎng)時(shí)間高溫退火時(shí)，它們會(huì)到處亂跑，導(dǎo)致?lián)诫s輪廓變形，影響器件性能。這也是為什么現(xiàn)代工藝更青睞快速熱退火——溫度高但時(shí)間極短（幾秒到幾十秒），在激活雜質(zhì)的同時(shí)盡量限制擴(kuò)散。

激活退火看似就是把晶圓放進(jìn)爐管里烤一烤，但背后的物理機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜。不同的襯底材料、不同的摻雜離子、不同的注入條件，都需要量身定制的退火配方。輕離子溫和，重離子暴烈；硅比較“好說(shuō)話”，碳化硅和氮化鎵則是出了名的“難搞”。工程師們通過(guò)調(diào)節(jié)溫度、時(shí)間、升溫速率，甚至用上碳膜覆蓋、氮?dú)獗Ｗo(hù)等各種技巧，目的只有一個(gè)：讓那些被強(qiáng)行塞進(jìn)去的原子，最終乖乖坐進(jìn)它們?cè)撟奈恢?，為芯片貢獻(xiàn)出穩(wěn)定的電性能。