离子注入中的剂量和浓度之间有何关系呢?

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对器件设计工程师来讲,离子注入的浓度往往是需要关心的参数,什么样的浓度对应什么样的方阻,器件仿真参数输入的是浓度,通过DSIMS测出来的也是浓度和深度的关系。所以,常常会出现这样的情况:做设计的告诉做工艺的,我要某个浓度的注入,做工艺的反问做设计的要剂量,因此双方经常不能谈论到一起。

之所以谈不到一起,是因为双方没有真正弄清剂量和浓度之间的关系。

剂量是单位衬底表面积获得的离子数量,单位是ion·cm-2,实际工程表达中ion常常省略,表示为cm-2。浓度是单位衬底体积分布的离子数量,单位是cm-3。

我们简单举个例子,现在有100个离子,注入到1cm2的区域,那么剂量就是100cm-2。那么浓度呢?如果结深是1cm,那么浓度就是100cm-3;如果结深是2cm,那么浓度就是cm-3。所以,你看到结深越深,意味着注入浓度就会较小,浓度=剂量/结深。

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离子注入浓度和剂量的示意图

在实际的注入过程中,所有的离子不可能停在一个深度,我们所说浓度-深度高斯分布曲线中,某个深度下的浓度是这个深度下单位体积的离子数。

那么结深又是对应哪个深度?它对应的不是高斯分布的最高值,也不是离子注入的总射程。它是形成PN结的位置,有一个较为复杂的计算公式,有兴趣的可以自行查找,反映到高斯分布图大致的位置是最高浓度的100-1000分之一浓度对应的位置。如下图,最高浓度为2.5E21cm-3,结深的浓度为5E18cm-3,对应的位置是结深10nm。

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注入浓度和深度的高斯分布曲线

那么,又是什么影响结深呢?结深取决于离子的质量、能量,衬底原子的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。离子注入能量越高,离子注入的深度越深,离子注入能量的大小可以通过调节加速电压和离子种类来实现。注入能量介于1eV到1MeV之间,注入结深平均可达10nm~10um。

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能量对离子注入结深的影响

目前离子注入分布计算软件有TCAD,SRIM等,设计人员可根据软件先对注入分布进行仿真,再确定实际注入剂量、能量和角度等工艺参数。




审核编辑:刘清

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