简要描述离子注入的原理和优缺点

离子注入是一种向衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学性能的方法。它是一个物理过程，不发生化学反应。离子注入在现代硅片制造过程中有广泛应用，其中最主要的用途是掺杂半导体，离子注入能够重复控制杂质的浓度和深度。下面简要描述离子注入的原理和优缺点：

1、阻滞机制

当离子轰击进入硅衬底后，与晶格原子碰撞将逐渐失去能量，最后停留在硅衬底内。有两种阻滞机制，一种是注入的离子与晶格原子的原子核发生碰撞，经过这种碰撞将引起明显的散射并将能量转移给晶格原子，这种过程称为原子核阻滞，在这种“硬”碰撞过程中，晶格原子可以获得足够的能量而从晶格束缚能中脱离出来，这将引起晶体结构的混乱和损伤。另一种阻滞过程为入射离子与晶格电子产生碰撞，在电子碰撞过程中，入射离子的路径几乎不变，能量转换非常小，而且晶体结构的损伤也可以忽略。这种“软”碰撞称为电子阻滞。总阻滞力，即离子在衬底内移动单位距离时的能量损失，可以表示为：

Stotal=Sn+Se

其中，Sn为原子核阻滞力；Se为电子阻滞力。图1说明了阻滞机制，图2则显示了阻滞力与离子速率的关系。




 

离子注入过程的离子能量范围从极浅结（Ultra-Shallow Junction，USJ）的0.1keV低能量到阱区注入的1MeV高能量，这个能量范围如图2中的I区域所示。从图的最左边可以看出对于低能量与高原子序数的离子注入过程，主要的阻滞机制为原子核阻滞。对于高能量、低原子序数的离子注入，电子阻滞机制比较重要。

2、离子射程

带能量的离子穿过标靶后逐渐通过与衬底原子碰撞失去能量，并最后停留在衬底中。图3显示了离子在衬底内的轨迹和离子的投影射程。一般情况下，离子的能量越高，就越能深入衬底。然而，即使具有相同的注入能量，所有离子也无法在衬底内刚好停留在相同的深度，因为每个离子与不同的原子产生撞击。投影离子射程通常都有一个分布区域（见图4）。具有较高能量的离子束可以穿透到衬底较深的位置，所以有较长的投影离子射程。因为较小的离子有较小的碰撞截面，所以较小的离子可以进入衬底和遮蔽层材料较深的位置。图5说明了硅衬底内的硼、磷、砷和锑离子在不同离子能量等级时的投影射程。

投影离子射程是离子注入技术的一个重要参数，因为它可以表明某一种掺杂物结深所需的离子能量，也能决定离子注入过程中所需的注入阻挡层厚度。图6显示了不同的阻挡层材料对200keV掺杂离子所需的厚度。可以看出，当离子能量为200keV时，硼离子需要最厚的遮蔽层。这是因为硼具有最低的原子序数、最小的原子尺寸和最大的投影离子射程，所以具有比任何其他掺杂离子更深的注入停留位置。对于低原子序数的原子，例如硼，高能量时的主要阻滞机制是电子阻滞，原子核阻滞是高原子序数掺杂物原子的主要阻滞机制。同样，有最高原子序数的掺杂离子锑，具有最高的阻滞力和最短的投影射程，因此需要最薄的遮蔽层材料。

3、通道效应

离子在非晶态材料内的投影射程通常遵循高斯分布，即所谓的常态分布。单晶硅中的晶格原子整齐排列，而且在特定的角度具有很多通道。如果一个离子以正确的注入角度进入通道，它只要具有很少的能量就可以行进很长的距离（见图7）。这个效应称为通道效应。通道效应将使离子穿透到单晶硅衬底深处，并在常态掺杂物分布曲线上出现“尾状”。如图8所示，这部分并不是想要的掺杂物分布轮廓，因为它将影响元器件的性能。有几种方法可以减小通道效应。

通道效应可以使一个非常低能量的离子穿透到单晶硅的深处。为什么不可以应用这个效应使用不太高的离子能量形成很深的掺杂结？具体原理大家可以思考一下！

4、离子注入的优点

1）精确控制杂质含量：能在很大范围内控制注入杂质浓度，从1010到1017ions/cm2，误差在±2%之间。扩散在高浓度控制杂质含量误差在5%到 10%以内，但浓度越小误差越大。

2）很好的杂质均匀性：用扫描的方法控制杂质的均匀性。

3）对杂质穿透深度有很好的控制：通过控制注入过程离子能量，控制杂质的穿透深度，增大了设计的灵活性，如埋层，最大杂质浓度在埋层里，最小浓度在硅片表面。

4）产生单一离子束：质量分离技术产生没有沾污的纯离子束，不同的杂质能够被选出进行注入，高真空保证最少沾污。

5）低温工艺：注入在中等温度（小于125℃）下进行，可以使用不同的光刻掩膜，包括光刻胶。

6）注入的离子能穿过薄膜：杂质可以通过薄膜注入，如氧化物或氮化物，这就允许MOS晶体管阈值电压调整在生长栅氧化层之后进行，增大了注入的灵活性。

7）无固溶度极限： 注入杂质含量不受硅片固溶度限制。

5、离子注入的缺点

一是高能杂质离子轰击硅原子将对晶体结构产生损伤，二是离子注入设备的复杂性。



 

审核编辑：刘清