2.3.1 离子注入

离子注入（Ion Implantation）是半导体制造中常用的掺杂工艺。其基本原理是利用电场加速杂质离子，使其进入半导体材料内部，从而改变材料的掺杂分布。

注入离子在材料内部不断与原子和电子发生相互作用，逐渐损失能量并最终停止。因此，注入后的杂质并不是均匀分布的，而是形成具有一定深度和横向扩展的浓度分布。

ATHENA 使用 IMPLANT 命令模拟这一过程。

1. IMPLANT：离子注入的基本参数

例如：

implant boron dose=1e14 energy=100 tilt=7 rotation=0

其中：

• boron：注入杂质为硼（B）；
• dose：注入剂量，单位为 cm⁻²；
• energy：离子注入能量，单位为 keV；
• tilt：离子束与晶圆表面法线的夹角，单位为度；
• rotation：离子束相对于仿真剖面方向的旋转角度。

其中最重要的是注入能量和注入剂量。

通常情况下，注入能量越高，离子进入材料的平均深度越大；注入剂量越高，材料中的注入杂质总量越多。

需要注意，注入剂量并不直接等于最终的电活性掺杂浓度，因为后续还涉及晶格损伤修复和杂质激活等过程。

2. 离子注入的物理模型

ATHENA 提供多种注入模型，主要可以分为解析模型和蒙特卡洛模型。

解析模型

解析模型不逐个计算离子的运动轨迹，而是根据预先获得的注入分布参数，重建杂质浓度分布。

例如，高斯模型主要通过投影射程（Projected Range）和射程展宽（Straggle）描述注入深度及其分布宽度。

Pearson 模型还能够描述浓度分布的不对称性，因此通常比简单高斯模型更加灵活。

书中介绍的 SVDP（SIMS-Verified Dual Pearson）模型，则利用经过 SIMS 实验数据验证的双 Pearson 分布，提高特定注入条件下的拟合能力。

蒙特卡洛模型

蒙特卡洛（Monte Carlo）模型通过模拟大量离子进入材料后的运动与碰撞，统计得到最终的杂质分布。

例如：

implant boron dose=1e14 energy=100 bca tilt=7 rotation=0 n.ion=10000

其中：

• bca：采用二体碰撞近似（Binary Collision Approximation）；
• n.ion：设置模拟的离子轨迹数量。

与解析模型相比，蒙特卡洛模型能够更自然地考虑复杂结构中的散射、掩膜遮挡及晶体沟道效应，但计算量通常更大。

3. 注入角度与沟道效应

离子注入并不总是垂直于晶圆表面进行的。

在晶体材料中，如果离子沿特定晶向进入，可能在晶格原子之间的通道中运动较长距离，形成比通常情况更深的注入尾部。

这种现象称为沟道效应（Channeling Effect）。

因此，实际工艺中常采用一定的倾斜角度，以减弱沟道效应。

原书比较了 0°、1°、2°、7° 和 10° 等不同倾角下的硼注入结果。

其核心结论是：

即使注入能量和剂量相同，改变离子束方向也可能明显改变杂质的深度分布。

这也是为什么 tilt 和 rotation 是离子注入中不可忽略的参数。

4. 离子注入引起的晶格损伤

离子进入材料时，不仅会停留在晶格中，还可能通过碰撞使原有晶格原子离开正常位置。

由此产生的缺陷包括：

• 空位（Vacancy）；
• 自间隙原子（Self-interstitial）；
• 更复杂的缺陷团簇。

ATHENA 提供了 PLUS.ONE 等简化损伤模型，也可以通过蒙特卡洛方法计算与离子碰撞相关的损伤分布。

这些损伤会影响后续退火过程中杂质的扩散、激活以及晶体结构的恢复，因此离子注入通常需要与后续热处理结合考虑。

小结

离子注入仿真的核心，是预测给定杂质、能量、剂量和入射角度下的杂质空间分布及可能产生的晶格损伤。

最重要的三个认识是：

1. 能量和剂量主要决定注入深度尺度与杂质总量。
2. 注入角度和晶体结构会影响杂质分布，特别是沟道效应。
3. 物理模型的选择决定仿真如何描述离子运动，其中解析模型速度较快，蒙特卡洛模型更适合处理复杂的碰撞和几何效应。

离子注入不只是向材料中添加杂质，更是一个涉及离子输运、能量损失与晶格损伤的物理过程。

参考资料

1. 唐龙谷：《半导体工艺和器件仿真软件 Silvaco TCAD 实用教程》，第 2.3.1 节。
2. Silvaco，ATHENA User's Manual，Section 3.5 Ion Implantation Models、Section 6.28 IMPLANT。
3. Silvaco，Victory Process User's Manual，Chapter 14 Implantation。