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离子注入工艺在半导体制造和材料科学领域扮演着至关重要的角色。然而，为了充分理解和优化该工艺，我们需要深入研究离子在材料中的输运过程。其中，离子射程和通道效应是两个关键概念。本文将着重探讨离子射程和通道效应之间的相互关系以及其对离子注入工艺的影响。 离子注入过程的离子能量范围从极浅结（Ultra-ShallowJunction，USJ)的0．1kev低能量到阱区注入的1Mev高能量，这个能量范围下图中的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。 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。下图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（见下图）。 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。下图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。下图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。 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（见下图）。这个效应称为通道效应。 通道效应将使离子穿透到单品硅衬底深处，并在常态掺杂物分布曲线上出现“尾状”。如下图所示，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？ 答：如果所有的离子束都能垂直注入进入衬底，通道效应也许能够真正以非常低的能量应用于形成深结。然而离子却因为相同电荷的库仑力而相互排斥，所以离子束无法完美平行地停留在同一位置。这表示很多的离子会以一个很小的倾斜角与晶圆表面碰撞，进入衬底后立刻与晶格原子开始产生原子核碰撞。这将会导致一些离子沿着通道深入衬底，而其他很多离子则被阻滞后形成高斯分布。 通过对离子射程和通道效应的深入研究，我们可以更好地理解离子注入工艺的机制，并为其优化提供指导。未来，我们可以进一步探索更精确的离子注入技术，以实现更高的控制精度和材料性能。离子注入工艺的发展将在半导体产业、材料科学以及其他相关领域中发挥重要作用，推动技术的不断进步和创新。
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发表于 2023-11-30 11:14:18
