離子注入原理
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離子注入原理
離子注入是一種向襯底中引入可控制數量的雜質，以改變其電學性能的方法；是一個物理過程，不發生化學反應。離子注入在現代硅片制造過程中有廣泛應用，其中主要的用途是摻雜半導體，離子注入能夠重復控制雜質的濃度和深度。以下為離子注入的原理和優缺點：
1、阻滯機制
當離子轟擊進入硅襯底后，與晶格原子碰撞將逐漸失去能量，然后停留在硅襯底內。有兩種阻滯機制，一種是注入的離子與晶格原子的原子核發生碰撞，經過這種碰撞將引起明顯的散射并將能量轉移給晶格原子，這種過程稱為原子核阻滯，在這種“硬”碰撞過程中，晶格原子可以獲得足夠的能量而從晶格束縛能中脫離出來，這將引起晶體結構的混亂和損傷。另一種阻滯過程為入射離子與晶格電子產生碰撞，在電子碰撞過程中，入射離子的路徑幾乎不變，能量轉換非常小，而且晶體結構的損傷也可以忽略。這種“軟”碰撞稱為電子阻滯?？傋铚?，即離子在襯底內移動單位距離時的能量損失，可以表示為：Stotal=Sn+Se其中，Sn為原子核阻滯力；Se為電子阻滯力。
圖1 不同的阻滯示意圖
圖2 阻滯機理與離子速率的關系
離子注入過程的離子能量范圍從極淺結（Ultra-Shallow Junction，USJ）的0.1keV低能量到阱區注入的1MeV高能量，這個能量范圍如圖2中的I區域所示。從圖的左邊可以看出對于低能量與高原子序數的離子注入過程，主要的阻滯機制為原子核阻滯。對于高能量、低原子序數的離子注入，電子阻滯機制比較重要。
2、離子射程
帶能量的離子穿過標靶后逐漸通過與襯底原子碰撞失去能量，并停留在襯底中。一般情況下，離子的能量越高，就越能深入襯底。然而，即使具有相同的注入能量，所有離子也無法在襯底內剛好停留在相同的深度，因為每個離子與不同的原子產生撞擊。投影離子射程通常都有一個分布區域（見圖4）。具有較高能量的離子束可以穿透到襯底較深的位置，所以有較長的投影離子射程。因為較小的離子有較小的碰撞截面，所以較小的離子可以進入襯底和遮蔽層材料較深的位置。
圖3 離子的軌跡和投影射程
圖4 投影離子的分布區域
投影離子射程是離子注入技術的一個重要參數，因為它可以表明某一種摻雜物結深所需的離子能量，也能決定離子注入過程中所需的注入阻擋層厚度?？梢钥闯?，當離子能量為200keV時，硼離子需要較厚的遮蔽層。這是因為硼具有較低的原子序數、較小的原子尺寸和較大的投影離子射程，所以具有比任何其他摻雜離子更深的注入停留位置。對于低原子序數的原子，例如硼，高能量時的主要阻滯機制是電子阻滯，原子核阻滯是高原子序數摻雜物原子的主要阻滯機制。同樣，有較高原子序數的摻雜離子銻，具有較高的阻滯力和短的投影射程，因此需要較薄的遮蔽層材料。
圖5 硅中摻雜離子的投影射程
圖6 200keV摻雜離子所需的阻擋層厚度
3、通道效應
離子在非晶態材料內的投影射程通常遵循高斯分布，即所謂的常態分布。單晶硅中的晶格原子整齊排列，而且在特定的角度具有很多通道。如果一個離子以正確的注入角度進入通道，它只要具有很少的能量就可以行進很長的距離（見圖7）。這個效應稱為通道效應。通道效應將使離子穿透到單晶硅襯底深處，并在常態摻雜物分布曲線上出現“尾狀”。
圖7 通道效應
4、離子注入的優點
1）精確控制雜質含量：能在很大范圍內控制注入雜質濃度，從1010到 1017 ions/cm2，誤差在±2%之間。擴散在高濃度控制雜質含量誤差在5%到10%以內，但濃度越小誤差越大。
2）很好的雜質均勻性：用掃描的方法控制雜質的均勻性。
3）對雜質穿透深度有很好的控制：通過控制注入過程離子能量，控制雜質的 穿透深度，增大了設計的靈活性，如埋層，較大雜質濃度在埋層里，較小 濃度在硅片表面。
4）產生單一離子束：質量分離技術產生沒有沾污的純離子束，不同的雜質能夠被選出進行注入，高真空保證較少沾污。
5）低溫工藝：注入在中等溫度（小于125℃）下進行，可以使用不同的光刻掩膜，包括光刻膠。
6）注入的離子能穿過薄膜：雜質可以通過薄膜注入，如氧化物或氮化物，這就允許MOS晶體管閾值電壓調整在生長柵氧化層之后進行，增大了注入的靈活性。
7）無固溶度極限： 注入雜質含量不受硅片固溶度限制。
5、離子注入的缺點
一是高能雜質離子轟擊硅原子將對晶體結構產生損傷，二是離子注入設備的復雜性。