为什么在某些离子注入工艺中晶圆需要倾斜一定角度呢？

在半导体制造过程中，离子注入时将晶圆倾斜一定角度（通常为 5°~7°）是一项关键工艺调整，主要目的是解决沟道效应（Channeling Effect）带来的不利影响，确保离子注入的精度和均匀性。以下是具体原因和原理：

一、沟道效应的危害

1. 什么是沟道效应？

半导体材料（如单晶硅）具有周期性原子排列的晶体结构，形成规则的原子 “通道”。

当离子以平行于晶向的方向（如 <100>、<111 > 晶向）注入时，离子可能沿原子通道快速深入晶圆内部，导致：

注入深度远大于预期（比正常射程深数倍至数十倍）。

浓度分布不均匀（局部区域剂量过高或过低）。

2. 对器件性能的影响

沟道效应会导致晶体管的阈值电压漂移、漏电流增大或器件参数不一致，严重影响芯片良率和性能。

1. 破坏离子与晶向的平行性

通过将晶圆倾斜 5°~7°（同时通常伴随旋转，如绕法线旋转 30°），使离子注入方向偏离晶体主晶向。

离子不再沿原子通道直线前进，而是与原子发生多次碰撞散射，能量逐渐衰减，最终停留在预期深度范围内。

2. 等效增加散射概率

倾斜角度使离子路径与晶体原子列的夹角增大，碰撞概率显著提高，从而：

缩短有效射程，使注入浓度峰值符合设计要求。

均匀化深度分布，避免局部过深或过浅的异常情况。

除了倾斜角度，半导体工艺中还常结合以下方法进一步抑制沟道效应：

1. 预非晶化注入（Pre-amorphization Implant, PAI）

先注入低能量的惰性离子（如 Ge），在晶圆表面形成非晶层，破坏晶体结构，阻断后续离子的沟道路径。

2. 使用掩蔽氧化层

在注入区域生长一层二氧化硅（SiO₂）或氮化硅（Si₃N₄），利用掩膜材料与硅的原子序数差异，增加离子散射，间接抑制沟道效应。

1. 角度过大的风险

若倾斜角度过大（如超过 10°），可能导致：

边缘注入剂量偏差：晶圆边缘区域的离子入射角变化更大，剂量均匀性恶化。如果存在PR注入时，存在较大角度时，PR边缘区域将会出现低浓度的阴影情况，导致性能出现差异。

设备兼容性问题：部分注入机台对大角度倾斜的机械稳定性要求更高，增加工艺复杂度。

2. 晶向与材料的适配

不同晶向的硅片（如 <100>、<111>）对沟道效应的敏感度不同，需通过实验优化倾斜角度，确保抑制效果与工艺稳定性的平衡。

总结

离子注入时的倾斜角度是半导体工艺中对抗沟道效应的核心手段，通过物理上破坏离子与晶体的平行性，实现注入深度和浓度的精确控制。这一微小调整（仅几度）体现了半导体制造中 “原子级精度” 的工艺要求，是保证先进制程器件性能的关键技术之一。

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