2.6 注入

离子或快原子以几百电子伏特或更高的能量撞击表面，产生碰撞级联和原子位移，如第2.5节所述。高能粒子还将通过在特征深度附近停止和积累来改变材料的组成。在RIE中，活性粒子的吸附和注入同时发生。离子注入会在RIE刻蚀期间造成器件损伤。第7.3.2节将讨论注入对RIE结果的影响。

注入也可以在金属的热ALE的改性步骤中进行（Chen等人，2017b）。注入的原子可以与周围的基体形成化学键，形成新的化合物材料。通过适当选择注入元素，可以削弱注入区域中的键，并且可以实现刻蚀。第6.1.1节将介绍这种影响。

要了解注入对刻蚀的影响，重要的是要了解注入离子的深度分布与其能量和质量以及固体的原子质量的函数关系。类似“在栅极刻蚀过程中，氢将进入栅极氧化物下方的硅中有多深？”或者“在ALE改性步骤中，我应该使用什么离子能量来氧化1nm的铁？”之类的问题，需要离子注入基础知识。

在大多数情况下，注入离子的分布可以近似为高斯分布。注入浓度峰值的深度称为投影射程 R _p ，分布的宽度称为纵向投影偏差Δ R _p 。投影射程是粒子在固体中行进时减速速度的函数。有两种阻止机制：核阻止和电子阻止。较重和较慢的原子通过二元弹性碰撞与基底原子碰撞。这种效应被称为核阻止。它导致原子位移和晶体损伤。能量高于2keV的更轻和更快的原子与基底原子的电子壳层相互作用，导致非弹性能量损失。通过电子阻止而损失的动能被转换成热量。

Lindhard、Scharff和Schiott首先确立了阻止和注入距离理论，通常称为Lindhard、Scharff和Schiott（LSS）理论（Lindhard等人，1963）。自那时以来，已经开发了包括核阻止和电子阻止在内的几种半经验阻止能量公式，其中包括Ziegler、Biersack和Littmark的阻止模型（ZBL模型）（Ziegler等人，1985）。广泛使用的“物质中的离子传输”（TRIM）和“物质中离子的阻止和范围”（SRIM）程序利用了ZBL模型。表2.2显示了与刻蚀能量相关的离子/固体组合的投影射程和偏差。

表2.2给出了H ⁺ 和Br ⁺ 离子注入非晶碳、硅和钨的投影射程和偏差。这些值是使用TRIM（Berry，2020）计算得出。有几个趋势是显而易见的。氢离子比溴离子渗透得更深。投影射程按硅>碳>钨的顺序增加。通常，离子更深地渗透到原子质量较小的材料中。然而，碳的投影射程小于硅，因为碳的原子密度远大于硅的原子密度。计算中使用了碳密度1.3×10 ²³ 原子/cm ³ 和硅密度5×10 ²² 原子/cm ³ 。

为了改性约1nm的厚度，需要100eV的离子能量。这远远高于大多数材料的溅射阈值（见表2.1）。这意味着有意义射程的注入伴随着溅射。如果使用注入来改性表面以实现刻蚀，则必须考虑材料损失（Chen等人，2017a）。溅射还限制了注入物种的最大浓度。Liau和Mayer（1978）提出了keV能量范围内最大浓度的模型。Liau发现，作为经验法则，可以估计最大浓度将与优先溅射因子除以总溅射产率成比例。由于较低质量元素倾向于优先溅射，因此可以在衬底中获得比较轻元素浓度更高的重元素浓度。 OmjNezvWiY3eDEmzBw3h1RYe/TvR6Y/Y3+o0oA/h8yP53k8LoFlhH7it9WZUSF07