简要描述离子注入的原理和优缺点-德赢Vwin官网网

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。