专利名称：多能离子注入实现阶梯状掺杂浓度分布的方法
技术领域：
本发明涉及离子注入设计领域，特别涉及一种多能离子注入实现阶梯状掺杂浓度分布的方法。
背景技术：
离子注入是半导体器件制备的关键工艺，尤其是针对SiC材料，离子注入是形成 SiC器件掺杂的核心工艺技术。碳化硅(SiC)作为新一代宽禁带半导体材料，具有热导率高、电子的饱和速度大、击穿电压高等优点，是高温、大功率、高频等半导体器件的理想材料。但由于杂质在SiC中的扩散系小，离子注入掺杂是除了外延掺杂以外的唯一可行的方法，离子注入工艺的良好解决有助于SiC材料的进一步推广应用，使SiC器件的制备更加灵活。通过离子注入对器件进行掺杂，不同器件对掺入杂质的浓度和深度都有特定的要求，许多电子器件在制作过程中都要求掺入杂质的分布在不同区域、不同深度为一特定的形状，才有利于提高器件性能。如渡越时间雪崩二极管(IMPATT)，要求载流子分布为一平坦分布，以达到频率高、效率高的目的，这种IMPATT理想分布曲线需要四次能量叠加组成； 又如双极型npn晶体管，要求基区载流子分布窄而平坦，才能提高器件截止频率，并且提高管芯成本率；特别是在SiC电力电子器件领域，大多器件都需要采用多次不同能量的离子注入形成结终端(JTE)结构或各种保护环结构的均勻掺杂来提高器件击穿电压，其中SiC JBS/MPS 二极管要求P+保护环和结终端(JTE)区域的P型掺杂浓度为阶梯状均勻分布，以确保电荷、电场分布均勻，以提高反向击穿电压和器件性能。为获得较均勻的掺杂浓度分布，目前一般采用多次不同能量的离子注入方法实现。相对于一次注入，采用多次注入时对注入深度、注入能量、注入剂量的精确计算更为困难，这对均勻性要求比较高的所需深度、特定区域、特定形状掺杂浓度的设计，提出了更高的要求。目前，对于单能离子注入的模拟设计方法的专利很多，如申请号为“98100467. 9” 的中国专利申请中提供一种离子注入过程模拟方法，利用由两个代表不同剖面成分的 Pearson标准函数线性组合而成的双皮尔森(dual Pearson)函数描述离子注入剖面，线性组合系数为与两个Pearson标准函数对应的不同剖面成分的剂量值，再利用内插法和外推法获得剂量值系数系列，进而形成两个Pearson标准函数的不同线性组合，以模拟离子注入过程。申请号为“200610(^6759. 2”的中国专利在此基础上，也提出了一种涉及半导体制程中离子注入工艺的模拟方法，采用实际分布设定模拟函数，提取模拟参数，形成参数矩阵的方法，研究了离子注入剂量和能量对注入离子在半导体材料内分布的影响规律。以上这些方法基本上都是基于LSS理论预言，入射离子在非晶靶中的射程分布是高斯分布，基本上都是单能离子注入规律，只适合单次注入的能量和剂量的变化对离子分布的影响，而多次注入能量和剂量的组合形成特定形状的掺杂浓度分布与LSS理论预言不同，这些专利中都没有给出多次能量叠加的具体参数设计方案。
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根据国内外的文献来看，有报道过通过离子注入形成箱型均勻掺杂浓度分布，一般直接给出能量和剂量组合值，没有给出明确的设计方法。对于均勻掺杂，一般是利用单能注入的设计方法，根据深度要求，把所有所需深度范围内的能量通过查表或者采用Trim 软件计算出相应的入射粒子注入进靶材的平均投影射程(Rp)值和投影射程的标准偏差 (Δ Rp)值，然后根据经验大致选择2-6个能量组合，分别计算出杂质的浓度随深度的分布曲线，最后把几个计算得出杂质的浓度随深度的分布曲线进行叠加而成。但是，这些设计方法存在以下缺陷第一，多次注入的能量和剂量组合的确定存在很大的随意性，特别是能量组合的确定，没有一个确定的参数设计方法，都是靠经验进行， 这样不仅重复性差，而且浪费精力，不能快速、有效的得到精确控制的、任意掺杂浓度分布； 第二，离子注入是影响器件性能的关键工艺，有些器件对注入离子的掺杂浓度分布要求很高，如果工艺设计不精确，将导致工艺复杂，返工，或可能导致器件性能的下降；第三，对于类似阶梯状掺杂浓度分布，拐点处陡直性的设计非常关键，如SiC器件的结终端(JTE)对浓度非常敏感，如果设计区域浓度分布出现长拖尾现象，将直接影响到器件击穿特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能快速、精确控制任意掺杂浓度分布的多能离子注入实现阶梯状掺杂浓度分布的方法。为解决上述技术问题，本发明提供了一种多能离子注入实现阶梯状掺杂浓度分布的方法包括采用归一法计算出单能离子注入浓度下降速率与离开平均投影射程的关系因子， 根据所需掺杂浓度分布及采用的能量组合个数，确定选用单能离子注入的关系因子，从而确定能量组合；利用经验因子和经验公式的反推方法确定所述能量组合中单个能量的剂量值，并通过剂量微调形成各高、低浓度掺杂段的箱型掺杂浓度分布；将所述箱型掺杂浓度分布通过引入掩蔽牺牲层设计实现阶梯状掺杂浓度分布拐点处的陡直变化，从而消除箱型注入分布前拖尾，形成拐点处陡直的箱型掺杂浓度分布；及将各掺杂段箱型掺杂浓度分布，去除掩蔽牺牲层，通过线性叠加成阶梯状掺杂浓度分布，再通过微调各掺杂段台阶处的剂量完成阶梯状掺杂浓度分布的陡直性设计。本发明提供的多能离子注入实现阶梯状掺杂浓度分布的方法，主要采用归一法计算出关系因子，利用经验因子和经验公式的反推方法来设置参数，可快速确定能量和剂量等组合参数，精确实现任何掺杂浓度分布；此外，通过引入掩蔽牺牲层设计，不仅可实现阶梯状掺杂浓度分布拐点处的陡直变化，还能减小离子注入造成的表面损伤，避免器件表面沾污，简化表面清洗工艺，从而降低工艺复杂度和不可控性。
图1为本发明实施例提供的多能离子注入实现半导体器件中阶梯状掺杂浓度分布的方法的流程图。图2为本发明提供的浓度下降速率与离开平均投影射程关系图。其中，Υ为浓度的归一化值，即较高能量下注入离子浓度与其次高能量下离子注
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入峰值浓度的比值；β为浓度下降速率与离开平均投影射程的关系因子；x(x = X-Rp)为离开投影射程距离；图3为本发明实施例提供的特定浓度下的能量和剂量组合关系图。图4为本发明实施例提供的带有掩膜牺牲层的高浓度掺杂段的箱型掺杂浓度分布图；其中，1-注入能量为136Kev下的掺杂分布剖面图；2-注入能量为l(^Kev下的掺杂分布剖面图；3-注入能量为SOKev下的掺杂分布剖面图；4-注入能量为50Kev下的掺杂分布剖面图；5-带有掩膜牺牲层的高浓度掺杂段的箱型掺杂浓度分布图；图5为本发明提供的带有掩膜牺牲层的低浓度掺杂段的箱型掺杂浓度分布图；其中，6-注入能量为550Kev下的掺杂分布剖面图；7-注入能量为41Iev下的掺杂分布剖面图；8-注入能量为307Kev下的掺杂分布剖面图；9-注入能量为2MKev下的掺杂分布剖面图；10-注入能量为150Kev下的掺杂分布剖面图；11-带有掩膜牺牲层的低浓度掺杂段的箱型掺杂浓度分布图；图6为本发明提供的注入离子在带有掩膜牺牲层衬底中的剖面分布示意图。其中，艮为平均投影射程；ΔΙ ρ为投影射程的标准偏差；面积A表示注入到掩蔽牺牲层中的离子总数；面积B表示穿过掩蔽牺牲层到达衬底的离子数；Tm表示掩蔽牺牲层厚度；Nmax表示注入离子峰值浓度；图7为本发明提供的去除掩膜牺牲层的高浓度掺杂段的箱型掺杂浓度分布图；其中，12为去除掩膜牺牲层的高浓度掺杂段的箱型掺杂浓度分布；图8为本发明提供的去除掩膜牺牲层的低浓度掺杂段的箱型掺杂浓度分布图；其中，13为去除掩膜牺牲层的低浓度掺杂段的箱型掺杂浓度分布；图9为本发明提供的采用多能离子注入实现的阶梯状掺杂分布图；其中，14为阶梯状掺杂分布。
具体实施例方式为实现从衬底表面到衬底0. 2um内，掺杂浓度为6. 8e19cm_3，从衬底0. 25um到衬底0. Sum内掺杂浓度为6. 5el8cm-3的阶梯状掺杂浓度分布。在本实施例中，根据离子注入原理和工艺模拟基础来看，我们采用多能离子注入来实现，所述注入离子为SiC器件的P型掺杂浓度常用离子Al，所述要求有两个掺杂段，可采用两个箱型掺杂浓度分布形成，具体实现流程见图1，其详细步骤如下步骤1 根据注入离子在衬底中的浓度分布，采用归一法计算得出浓度下降速率与离开平均投影射程的关系因子β，得出浓度下降速率与离开平均投影射程的关系，可适用于任何离子注入过程，如图2所示。步骤2 利用Trim-2008软件，采用Kinchin-Pease模型，计算出一定能量粒子打进衬底材料中的深度分布，采用线性拟合的方法拟合出注入能量与注入深度的关系式L = 121. 65+14. 132E (L为注入深度，单位为A ；E注入能量，单位为Kev)。步骤3 按照设计最大注入深度，根据所述线性拟合关系式，确定最高注入能量值，根据所需掺杂浓度分布及采用的能量组合个数n，选取浓度归一化γ值，确定选用对应的单能离子注入关系因子β值，离子注入能量选取遵循由最高能量向低能量递推的原则；采用蒙特卡罗模拟方法(M-C方法)，利用Trim-2008软件模拟仿真出最高能量下注入离子在衬底中的统计分布，根据关系因子和线性拟合关系式，推导出第二注入能量值，依次类推，直至设计最浅注入深度对应能量值为止，从而确定特定深度范围内的注入能量组合。 例如，按照注入深度从衬底0. 25um到衬底0. 8um要求，根据关系式L = 121. 65+14. 132E 反推，选择最高能量^OKev，采用蒙特卡罗模拟方法(M-C方法)，利用Trim-2008软件模拟仿真出550Kev能量下注入离子在衬底中的统计分布，得出民和ΔΙ ρ数据。结合模拟仿真数据，根据箱型掺杂浓度分布及550Kev能量下浓度下降速率与离开平均投影射程的关系，按照线性叠加原理，选择归一法值Y为0.5，对应的关系因子β为1.2，如图2所示。 根据关系因子β，确定第二个能量的注入深度为550Kev能量下对应的减去1. 2 Δ Rp, 再根据关系式L = 121. 65+14. 132Ε可计算出第二个能量为412Kev，依次推导出低浓度 (6. 5el8cm-3)掺杂段箱型掺杂浓度分布的所需注入能量值能量组合为550Kev、412Kev、 307Keν、215Keν、150Keν ；同理，按照注入深度从衬底表面到衬底0. 2um要求，依次推导出高浓度(6.8el9Cm_3)掺杂段箱型掺杂浓度分布的所需注入能量值能量组合为136Kev、 105Kev,80Kev,50Kevo在能量组合确定过程中，可根据组合能量数目，选择不同的Y值，获得与之对应的关系因子β值，计算出不同的X值，确定所需的能量组合。步骤4 确定形成各掺杂段箱型掺杂浓度分布的特定能量下的剂量值，首先计算
c AR (M1 +ΜΛ η
出经验因子d = -T^iu u v/2](其值取0. 41-0. 45)，根据所需掺杂浓度，利用峰值浓度 Kp 2KmIm2)
与剂量的经验公式Nmax = δ *D/Δ Rp，反推出单个能量值下获得相应浓度的理想剂量值， 其中Nmax是注入离子峰值浓度，D为注入剂量值，。步骤5 通过剂量微调形成高、低浓度两掺杂段的箱型掺杂浓度分布，本实施例中的能量剂量组合如图3所示。步骤6 引入掩蔽牺牲层设计来实现阶梯状掺杂浓度分布拐点处的陡直变化设计，采用穿过掩蔽牺牲层到达衬底的离子数来弥补注入分布前拖尾的方法，根据面积关系， 设计一定厚度掩蔽牺牲层，消除箱型注入分布前拖尾，形成拐点处陡直的箱型掺杂浓度分布。本实施例中掩蔽牺牲层的厚度设计需满足以下两点设计要求第一，本掩蔽牺牲层
不做注入掩膜，4 > 0.1% (面积A表示注入到掩蔽牺牲层中的离子总数，面积B表示穿过 A
掩蔽牺牲层到达衬底的离子数)，其关系如图6所示；第二，为确保拐点处的陡直性设计， 2 Δ Rp ^ Tm < Rp+4 Δ Rp (Tm为掩蔽牺牲层厚度，此处的艮、Δ Rp为最低能量下的平均投影射程和投影射程的标准偏差)。一般来说，在满足设计要求的同时，Tm值应当尽量小，综合考虑，本实施例中，Tm取600Α，带掩蔽牺牲层的箱型分布见图4和图5。步骤7 通过各掺杂段箱型掺杂浓度分布形成阶梯状掺杂分布的设计，根据
n^=理论(需先注高能离子，后注低能离子方式)，将上述两个掺杂段的箱型分
η
布去除掩蔽牺牲层(如图7和图8所示)，通过线性叠加成阶梯状掺杂分布，再通过台阶处剂量的微调工作来形成台阶处的陡直变化。步骤8 完成本实施例要求的从衬底表面到衬底0. 2um内，掺杂浓度为6. 8el9cm"3, 从衬底0. 25um到衬底0. Sum内掺杂浓度为6. MlScnT3的阶梯状掺杂浓度分布。如图9所
7J\ ο最后所应说明的是，以上具体实施方式
仅用以说明本发明的技术方案而非限制，
7尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种多能离子注入实现阶梯状掺杂浓度分布的方法，其特征在于，包括采用归一法计算出单能离子注入浓度下降速率与离开平均投影射程的关系因子，根据所需掺杂浓度分布及采用的能量组合个数，确定选用单能离子注入的关系因子，从而确定能量组合；利用经验因子和经验公式的反推方法确定所述能量组合中单个能量的剂量值，并通过剂量微调形成各高、低浓度掺杂段的箱型掺杂浓度分布；将所述箱型掺杂浓度分布通过引入掩蔽牺牲层设计实现阶梯状掺杂浓度分布拐点处的陡直变化，从而消除箱型注入分布前拖尾，形成拐点处陡直的箱型掺杂浓度分布；及将各掺杂段箱型掺杂浓度分布，去除掩蔽牺牲层，通过线性叠加成阶梯状掺杂浓度分布，再通过微调各掺杂段台阶处的剂量完成阶梯状掺杂浓度分布的陡直性设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用归一法计算出单能离子注入浓度下降速率与离开平均投影射程的关系因子，根据所需掺杂浓度分布及采用的能量组合个数，确定选用单能离子注入的关系因子，从而确定能量组合包括根据注入离子在衬底中的浓度分布，采用归一法计算得出浓度下降速率与离开平均投影射程的关系因子β，得出浓度下降速率与离开平均投影射程的关系；计算粒子打进衬底材料中的深度分布，并线性拟合出注入能量与注入深度的关系式；按照设计最大注入深度，根据所述线性拟合关系式，确定最高注入能量值，根据所需掺杂浓度分布及采用的能量组合个数η，选取浓度归一化γ值，确定选用对应的单能离子注入关系因子β值；模拟仿真出最高能量下注入离子在衬底中的统计分布，根据关系因子和线性拟合关系式，推导出第二注入能量值，依次类推，直至设计最浅注入深度对应能量值为止，从而确定注入能量组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于 所述经验因子δ是通过
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用经验因子和经验公式的反推方法确定所述能量组合中单个能量的剂量值是利用峰值浓度与剂量的经验公式Nmax = δ *D/Δ Rp，通过计算，反推出单个能量值下的剂量值，所述D为注入剂量值，所述Nmax是注入离子峰值浓度。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将所述箱型掺杂浓度分布通过引入掩蔽牺牲层设计实现阶梯状掺杂浓度分布拐点处的陡直变化是采用穿过掩蔽牺牲层到达衬底的离子数来弥补注入分布前拖尾的方法，根据面积关系设计掩蔽牺牲层，消除箱型注入分布前拖尾，形成前拖尾部分的陡直设计。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述掩蔽牺牲层选择绝缘层掩膜材料。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述掩蔽牺牲层的厚度设计需要符合以下两个条件 条件一需满足7>q+1%所述A表示注入到掩蔽牺牲层中的离子总数，B表示穿过掩蔽牺牲层到达衬底的离子数；条件二 需满足2 Δ Rp彡Tm < Rp+4 Δ Rp,所述Tm为掩蔽牺牲层厚度，所述Rp、Δ Rp为最低能量下的平均投影射程和投影射程的标准偏差。
全文摘要
本发明公开多能离子注入实现阶梯状掺杂浓度分布的方法包括用归一法计算出单能离子注入浓度下降速率与离开平均投影射程的关系因子，根据所需掺杂浓度分布及采用能量组合个数，确定选用单能离子注入的关系因子，确定能量组合；利用经验因子和经验公式的反推方法确定能量组合中单个能量的剂量值，并通过剂量微调形成各高、低浓度掺杂段的箱型掺杂浓度分布；将箱型掺杂浓度分布通过引入掩蔽牺牲层设计实现阶梯状掺杂浓度分布拐点处的陡直变化，消除箱型注入分布前拖尾，形成拐点处陡直的箱型掺杂浓度分布；将各掺杂段箱型掺杂浓度分布，去除掩蔽牺牲层，通过线性叠加成阶梯状掺杂浓度分布，通过微调各掺杂段台阶处剂量完成阶梯状掺杂浓度分布的陡直性设计。
文档编号H01L21/266GK102446721SQ20111041263
公开日2012年5月9日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者刘新宇, 刘焕明, 周静涛, 李博, 杨成樾, 汤益丹, 申华军, 白云 申请人:中国科学院微电子研究所