離子注入是一種向襯底中引入可控制數(shù)量的雜質(zhì)，以改變其電學(xué)性能的方法。它是一個物理過程，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。離子注入在現(xiàn)代硅片制造過程中有廣泛應(yīng)用，其中最主要的用途是摻雜半導(dǎo)體，離子注入能夠重復(fù)控制雜質(zhì)的濃度和深度。下面簡要描述離子注入的原理和優(yōu)缺點：

1、阻滯機(jī)制

當(dāng)離子轟擊進(jìn)入硅襯底后，與晶格原子碰撞將逐漸失去能量，最后停留在硅襯底內(nèi)。有兩種阻滯機(jī)制，一種是注入的離子與晶格原子的原子核發(fā)生碰撞，經(jīng)過這種碰撞將引起明顯的散射并將能量轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的混亂和損傷。另一種阻滯過程為入射離子與晶格電子產(chǎn)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(zhuǎn)換非常小，而且晶體結(jié)構(gòu)的損傷也可以忽略。這種“軟”碰撞稱為電子阻滯。總阻滯力，即離子在襯底內(nèi)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說明了阻滯機(jī)制，圖2則顯示了阻滯力與離子速率的關(guān)系。

離子注入過程的離子能量范圍從極淺結(jié)（Ultra-Shallow Junction，USJ）的0.1keV低能量到阱區(qū)注入的1MeV高能量，這個能量范圍如圖2中的I區(qū)域所示。從圖的最左邊可以看出對于低能量與高原子序數(shù)的離子注入過程，主要的阻滯機(jī)制為原子核阻滯。對于高能量、低原子序數(shù)的離子注入，電子阻滯機(jī)制比較重要。

2、離子射程

帶能量的離子穿過標(biāo)靶后逐漸通過與襯底原子碰撞失去能量，并最后停留在襯底中。圖3顯示了離子在襯底內(nèi)的軌跡和離子的投影射程。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(nèi)剛好停留在相同的深度，因為每個離子與不同的原子產(chǎn)生撞擊。投影離子射程通常都有一個分布區(qū)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(jìn)入襯底和遮蔽層材料較深的位置。圖5說明了硅襯底內(nèi)的硼、磷、砷和銻離子在不同離子能量等級時的投影射程。

投影離子射程是離子注入技術(shù)的一個重要參數(shù)，因為它可以表明某一種摻雜物結(jié)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。圖6顯示了不同的阻擋層材料對200keV摻雜離子所需的厚度。可以看出，當(dāng)離子能量為200keV時，硼離子需要最厚的遮蔽層。這是因為硼具有最低的原子序數(shù)、最小的原子尺寸和最大的投影離子射程，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(shù)的原子，例如硼，高能量時的主要阻滯機(jī)制是電子阻滯，原子核阻滯是高原子序數(shù)摻雜物原子的主要阻滯機(jī)制。同樣，有最高原子序數(shù)的摻雜離子銻，具有最高的阻滯力和最短的投影射程，因此需要最薄的遮蔽層材料。

3、通道效應(yīng)

離子在非晶態(tài)材料內(nèi)的投影射程通常遵循高斯分布，即所謂的常態(tài)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(jìn)入通道，它只要具有很少的能量就可以行進(jìn)很長的距離（見圖7）。這個效應(yīng)稱為通道效應(yīng)。通道效應(yīng)將使離子穿透到單晶硅襯底深處，并在常態(tài)摻雜物分布曲線上出現(xiàn)“尾狀”。如圖8所示，這部分并不是想要的摻雜物分布輪廓，因為它將影響元器件的性能。有幾種方法可以減小通道效應(yīng)。

通道效應(yīng)可以使一個非常低能量的離子穿透到單晶硅的深處。為什么不可以應(yīng)用這個效應(yīng)使用不太高的離子能量形成很深的摻雜結(jié)？具體原理大家可以思考一下！

4、離子注入的優(yōu)點

1）精確控制雜質(zhì)含量：能在很大范圍內(nèi)控制注入雜質(zhì)濃度，從1010到1017ions/cm2，誤差在±2%之間。擴(kuò)散在高濃度控制雜質(zhì)含量誤差在5%到 10%以內(nèi)，但濃度越小誤差越大。

2）很好的雜質(zhì)均勻性：用掃描的方法控制雜質(zhì)的均勻性。

3）對雜質(zhì)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(zhì)的穿透深度，增大了設(shè)計的靈活性，如埋層，最大雜質(zhì)濃度在埋層里，最小濃度在硅片表面。

4）產(chǎn)生單一離子束：質(zhì)量分離技術(shù)產(chǎn)生沒有沾污的純離子束，不同的雜質(zhì)能夠被選出進(jìn)行注入，高真空保證最少沾污。

5）低溫工藝：注入在中等溫度（小于125℃）下進(jìn)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(zhì)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(diào)整在生長柵氧化層之后進(jìn)行，增大了注入的靈活性。

7）無固溶度極限：注入雜質(zhì)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(zhì)離子轟擊硅原子將對晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，二是離子注入設(shè)備的復(fù)雜性。

審核編輯：劉清