1.引言 — 什么是离子注入及其为什么重要 [P2]?
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 。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——可以通过对梁电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 。硅离子注入的原始专利于1954年颁发给威廉·肖克利，但直到1970年代后期，制造业才广泛采用，因为半导体工业开发了修复离子注入不可避免地产生的晶格损伤所需的退火策略 。今天，离子注入——在制造行业通常简称为"离子注"——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 。理解其物理机制、其参数的方向性效应以及它引入的失效模式对任何半导体工程师来说因此是基础知识 。
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 （工程实践）。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 （工程实践）。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 （工程实践）。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对于较重的离子物种最显著 （工程实践）。
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 （工程实践）。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，射程纷乱(ΔR)为该分布的标准差 。横向纷乱——在垂直于梁的平面中离子的扩散——也是有限的，并且随着设备几何尺寸缩小变得重要 （工程实践）。
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 （工程实践）。
2.3 沟道
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它传播的路径，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 。沟道通过相对于梁倾斜晶圆——引入刻意的倾斜角——或通过在掺杂剂植入之前用重性质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电活跃；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 （工程实践）。
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 （工程实践）。
3.3 倾斜和扭转角
梁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 。增加倾斜通过使梁与主要晶体学轴不对齐来减少沟道，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 （工程实践）。在三维(3D)设备架构中，如鳍式场效应晶体管(FinFET)，倾斜角具有额外的几何后果，因为离子梁以取决于它们相对于梁的方向的变化的入射角击中鳍 [如技术节点演进部分所述] 。
3.4 梁电流
更高的梁电流增加吞吐量，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 。
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)——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，实现无需梁扫描的非视线注入 。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 。这种架构对于非平面工件特别强大：如用2×2球形靶阵列进行的实验所证明的那样，可以在没有机械靶操纵的情况下同时在所有表面上实现可接受的剂量均匀性 。对于半导体浅结应用，等离子体掺杂(PLAD)——PSII/PIII族的一个变体——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 。在梁线系统中，非均匀性源于梁电流不稳定、扫描波形不精确或晶圆处理机制中的机械摆动 （工程实践）。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 。在常规梁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 沟道引发的分布尾
残留沟道，即使在倾斜的梁入射下，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由简单高斯模型捕捉的方式移动结深，降低设备之间的均匀性 （工程实践）。
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的协调优化——一个突出了离子植入步骤与随后快速热退火(RTA)或激光退火步骤的深层耦合的要点 。
4.4 晶圆充电
因为离子梁在晶圆上沉积电荷，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
离子植入系统是高真空环境，但残留气体、梁线组件溅射和离子物种之间的交叉污染