离子注入：物理原理、工艺集成和跨技术节点的演变

1. 引言 — 什么是离子注入及其为什么重要？

离子注入是将受控数量的掺杂原子导入半导体衬底的主要技术。离子注入结合了离子分离、加速和剂量测量，从而将精确数量的掺杂原子引入半导体衬底中 [T1]。在这个过程中，所需杂质物种的离子在离子源中产生，被提取、进行质量分析以分离出单一离子物种、加速到目标动能、并指向晶圆表面，在晶圆表面它们以统计定义的深度停留在晶格内。由于每个离子携带的电荷可以被电学测量，植入的总剂量——表示为单位面积内的离子数——可以通过对束流随时间的积分以非凡的精度确定。

在离子注入变得普遍之前，从表面源进行的热扩散是标准的掺杂方法。然而，热扩散对表面浓度和结深的独立控制有限，并且它需要可能重新分布先前形成的结的高温。离子注入解耦了这些约束：能量控制深度，而剂量控制引入的原子总数，并且该工艺可以在或接近室温下进行，保留热预算。今天，离子注入在互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺集成的几乎每个阶段都是必需的：源/漏掺杂、阱形成、阈值电压调整、晕轮和口袋注入，以及沟道工程都依赖于它。

2. 物理和机制 — 离子如何在固体中停止

2.1 停止机制

当高能离子进入晶体固体时，它通过两个物理上不同的相互作用通道失去动能：核停止和电子停止。核停止源于入射离子与靶原子核之间的屏蔽库仑碰撞。每次这样的碰撞转移动量，可能将靶原子从其晶格位置移位，并启动碰撞级联。如果传递给反冲靶原子的能量超过晶格位移阈值，该原子被喷出，本身成为能够位移其他原子的二次弹体。单个植入的离子可以位移大约一千个硅原子，沿其轨迹产生高度无序的区域。核停止在较低离子速度和较重离子物种下最为显著。

电子停止源于移动离子与靶材料电子云之间的非弹性相互作用。能量通过激发和电离转移到电子，最终作为热而不是原子位移而耗散。电子停止在高离子速度下占主导地位，因此对于典型的植入能量，在离子轨迹的早期更突出。两种停止机制的综合效应决定了投影射程(R_p)，定义为植入离子停止处的平均深度，相对于晶圆表面垂直测量。深度中最终离子位置的统计分布大约是高斯分布的，以R_p为特征峰值位置，射程涨落(ΔR)为该分布的标准差。横向涨落——在垂直于束流的平面中离子的扩散——也是有限的，并且随着器件几何尺寸缩小变得重要。

2.2 晶格损伤和非晶化

由核停止产生的碰撞级联创建了称为弗伦克尔对的点缺陷群体——空位和间隙原子。在低剂量下，这些缺陷是分散的，可以通过随后的退火来修复。随着剂量增加，损伤密度增长；超过临界阈值，损伤区域重叠，植入层变得完全非晶态，失去长程晶体有序性。非晶化阈值取决于离子物种、其质量和植入期间的靶温度。较重的离子(例如砷、铟)产生更密集的碰撞级联，与相当剂量下的较轻离子(例如硼)相比，更容易使硅非晶化。

2.3 沟道效应

晶体硅晶格中开放的轴向和平面沟道提供了离子可以沿着传播的路径，具有大大减少的核停止，因为离子避免了与原子核的近距离接触，而是被沟道壁的静电势温和地转向。沟道离子穿透远超过非晶靶模型的射程，在掺杂分布中产生深的低浓度尾巴，这很难准确建模。沟道效应可以通过相对于束流倾斜晶圆——引入刻意的倾斜角——或通过在掺杂剂植入之前用重惰性离子进行表面预非晶化来抑制。

2.4 掺杂剂激活和瞬态增强扩散

植入的掺杂原子不会自动变得具有电活性；原子必须占据替代晶格位置才能提供或接受载流子。植入后退火在热上驱动替代位置放置，同时修复位移损伤。然而，在损伤恢复期间释放的过量间隙原子注入到大体中，并暂时增强掺杂剂的扩散系数——一种称为瞬态增强扩散(TED)的现象。TED可能导致超过平衡扩散模型预测的显著结深化，并且它是在先进CMOS工艺中实现超浅结的主要约束之一。

3. 工艺原理 — 关键参数的方向性效应

3.1 植入能量

植入能量是控制掺杂剂放置深度的主要杠杆。增加能量升高R_p和ΔR，将整个掺杂分布向更深处移动并拓宽它。相反，减少能量将分布带到离表面更近的地方，这对于在现代晶体管中形成超浅源/漏扩展是必需的。然而，在非常低的能量下，离子在表面附近的减速变得显著，准确的分布控制需要仔细管理低能态。

3.2 植入剂量

剂量决定单位面积引入的掺杂原子总数，并与分布中的峰值掺杂浓度直接相关。更高的剂量增加峰值浓度，这降低了源/漏接触的薄层电阻。然而，更高的剂量也增加晶格损伤；超过非晶化阈值，损伤特性从质量上改变，影响退火响应和TED行为。

3.3 倾斜角与扭转角

束流方向与晶圆表面法线之间的角度(倾斜)和晶圆在其平面中的旋转(扭转)一起决定了离子轨迹与晶格之间的晶体学关系。增加倾斜通过使束流与主要晶体学轴不对齐来减少沟道效应，产生更可预测、更浅的分布。非零倾斜也用于晕轮和口袋植入，以在栅极边缘下引入掺杂剂并控制短沟道效应。在三维(3D)器件架构中，如鳍式场效应晶体管(FinFET)，倾斜角具有额外的几何后果，因为离子束以取决于它们相对于束流方向的变化的入射角击中鳍。

3.4 束流电流

更高的束流电流增加吞吐量，但它也增加了沉积在晶圆中的瞬时功率，在植入期间升高晶圆温度。升高的晶圆温度修改损伤累积动力学——缺陷在较高温度下原位退火，减少净损伤但也影响TED行为。对于剂量敏感的应用，晶圆温度管理在植入期间是关键的工艺考虑因素。

3.5 基于等离子体的离子注入

在等离子体源离子注入(PSII)——也称等离子体浸没离子注入(PIII)或基于等离子体的离子植入和沉积(PBII/PBIID)中，靶直接浸入等离子体中，高幅值负脉冲偏压应用于它，使得靶本身成为离子加速系统的一部分。保形等离子体鞘在偏压表面周围形成，等离子体中的正离子由局部鞘电场沿表面法线加速，实现无需束流扫描的非视线注入。脉冲幅值管理离子的最大动能，而脉冲宽度和重复频率控制鞘膨胀动力学和总植入剂量。对于半导体浅结应用，等离子体掺杂(PLAD)已被开发用于应对非常低能量掺杂的挑战。

4. 挑战和失效模式 — 什么可能出错

4.1 剂量非均匀性

在整个晶圆上实现空间均匀的剂量是离子注入最基本的要求之一。在束线系统中，非均匀性源于束流电流不稳定、扫描波形不精确或晶圆处理机制中的机械摆动。在基于等离子体的系统中，剂量非均匀性与等离子体密度梯度和复杂地形上的鞘非均匀性相关。在常规束线植入中保留在任何表面元素处的剂量遵循与离子入射角的余弦关系；在非正入射下，意图剂量的一部分丢失，先前植入原子的溅射变成角度相关的。

4.2 沟道效应引发的分布尾巴

残留沟道效应，即使在倾斜的束流入射下，也会在掺杂分布中产生深指数尾巴，远延伸到分布高斯本体之外。这个尾巴可以形成寄生漏泄路径或以不能由简单高斯模型捕捉的方式移动结深，降低器件之间的均匀性。

4.3 瞬态增强扩散

如物理部分所述，由碰撞级联中的过量间隙原子驱动的TED可能在植入后退火期间导致显著且通常不可预测的结深化。管理TED需要对植入条件和退火策略进行协调优化——这突出了离子植入步骤与随后快速热退火(RTA)或激光退火步骤之间的深层耦合。

4.4 晶圆充电

因为离子束在晶圆上沉积电荷，绝缘层(例如栅极氧化物)可以累积静电势足以引起介电击穿或晶体管阈值电压移位——一种称为充电损伤的现象。使用电子泛滥枪进行电荷中和是标准实践，但不足的中和仍然是良率风险，特别是当栅极介电层变得极薄时。

4.5 污染

离子注入系统是高真空环境，但残留气体、束线组件溅射以及离子物种之间的交叉污染是实际存在的问题，特别是在n型和p型掺杂物种之间切换时。在基于等离子体的注入中，如果源气体或电极材料将污染物引入等离子体，等离子体源可能会引入不需要的物种。

4.6 先进结构中的注入损伤

在3D器件结构中，沉积在鳍侧壁或栅极垫片界面中的注入损伤如果未得到适当退火，可能会降低载流子迁移率并增加结泄漏。鳍的几何形状还限制了哪些倾斜/扭转组合可以将束流输送到预期的掺杂位置，而不会被相邻的鳍遮挡。

4.7 层转移应用

当离子注入不用于掺杂而是用于层转移时——例如，植入氢和氦以创建地下损伤带，捐赠晶圆沿着该损伤带裂开——必须高精度地控制注入深度和剂量以定义裂解平面。由不精确的深度定位引起的不可控分裂位置会导致转移层厚度不均匀，并可能损坏高质量器件层。

5. 技术节点演进 — 从 28nm 到 7nm 及更远

5.1 28nm 平面时代

在28nm平面工艺节点，离子注入已经是一项成熟且高度优化的工艺。该节点的主要挑战包括实现对浅源/漏扩展结的严格控制，同时最大程度地减少TED，以及在精心选择的倾斜角下进行晕轮/口袋注入，以抑制平面体CMOS晶体管中的短沟道效应。在掺杂剂植入之前，通常采用使用锗或硅离子的预非晶化注入来抑制沟道效应，从而提供更好的分布控制。

5.2 14nm FinFET 转型

向14nm FinFET架构的转型从根本上改变了离子注入运行的几何环境。鳍——一种高而窄的硅柱——同时向离子束展示多个晶面，这意味着单一的倾斜和扭转组合无法以相同的剂量和深度有效地掺杂所有鳍表面。采用了多角度注入序列（有时包含四个或更多旋转）来实现鳍体的更对称掺杂。鳍的长宽比还会引入遮挡效应：相邻的鳍会阻挡部分束流到达鳍侧壁的底部，从而在鳍脚处造成剂量不足，这可能会降低结均匀性并增加接触电阻。等离子体掺杂在该节点成为越来越有吸引力的选择，因为其非视线特性自然解决了鳍遮挡问题。

5.3 7nm 节点与环绕栅极前体

在7nm FinFET节点，鳍相对于其宽度变得更高，加剧了遮挡效应，需要对注入角度和能量进行更严格的控制。由于需要保持极薄介电层和金属栅极堆栈的完整性，植入后退火可用的热预算受到严格限制，这使得毫秒级激光峰值退火对于以最小的TED激活掺杂剂至关重要。随着源/漏区域的横向尺寸接近涨落数量级，植入离子的横向涨落变得更加关键，这需要在一些关键层中更依赖外延生长、原位掺杂的源/漏区域来补充或替代植入结。

5.4 7nm 以外 — 环绕栅极与 2D 挑战

随着行业向具有水平堆叠纳米片或纳米线的环绕栅极(GAA)晶体管迈进，离子注入的几何挑战进一步加剧：通过束线注入掺杂纳米片堆叠的内沟道在几何上是不切实际的。这一现实正在加速向保形掺杂技术（包括基于等离子体的离子注入和单层掺杂方法）的转变，这些技术可以将掺杂剂输送到高长宽比和完全封闭的表面，而不依赖视线离子传输。

6. 相关工艺 — 集成上下文

离子注入并非孤立运行；它与制造流程中紧接其之前和之后的工艺步骤深度耦合。

• 光刻与掩模：由光刻制备的光刻胶模式定义了晶圆的哪些区域接收掺杂剂。掩模材料——光刻胶、二氧化硅或氮化硅——必须足够厚，以便在所选能量下阻挡植入的离子物种，同时提供足够的图案保真度。
• 预非晶化：在掺杂剂注入之前，通常使用较重且电惰性的物种进行预非晶化注入 (PAI)，以抑制沟道效应并限制损伤分布，从而实现更好的TED控制。
• 快速热退火与激光退火：植入后退火是激活掺杂剂和修复晶格损伤所必需的。RTA使用基于灯管加热进行亚秒到数秒的热循环，而激光峰值退火可以在足以激活的温度下实现毫秒级 dwell 时间，且扩散极小。
• 外延源/漏生长：在先进CMOS工艺中，源/漏区域的离子注入之前通常会进行凹槽刻蚀以去除硅，随后在生长过程中原位掺杂生长硅锗（对于p沟道）或硅磷（对于n沟道）的外延层。
• 材料改性与平坦化：除了传统的电学掺杂之外，通过离子注入进行材料改性还可以改变二氧化硅和氮化硅等介电薄膜的湿法和干法刻蚀速率 。这一特性在专门的模块中被利用，用于定制复杂拓扑结构上的CMP去除速率或刻蚀选择性。

7. 未来展望 — 离子注入的新兴方向

多种研究与开发方向正在重塑离子注入在下一代半导体制造中的角色：

• 用于 3D 架构的保形和基于等离子体的掺杂：随着器件几何形状向完全3D架构演进——GAA纳米片、垂直纳米线晶体管和3D NAND存储器——等离子体浸没离子注入和等离子体掺杂的非视线特性变成了结构优势而不仅仅是便利。
• 量子器件的确定性单离子注入：新兴的量子计算平台要求将单个掺杂原子放置在宿主晶格内精确定义的横向和深度位置。离子注入结合聚焦离子束和单离子检测方案，正在被研究作为确定性量子比特制造的途径。
• 单层掺杂与分子注入：另一种替代方法通过自组装单层将含掺杂剂的分子锚定到半导体表面，然后使用推进退火从表面引入掺杂剂，而不会产生离子轰击损伤。
• 机器学习辅助的工艺控制：离子注入的多维参数空间——能量、剂量、倾斜角、扭转角、束流电流、晶圆温度、退火条件——创建了一个复杂的优化问题。利用在线计量数据训练的机器学习模型正在被探索，以预测注入后和退火后的电学结果。