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SProcess Ch2：Ion Implantation ​

> 来源：sprocess_ug.pdf，W-2024.09，第 2 章（约 p.94-p.219）。 > 说明：本页按原章主小节顺序进行中文技术翻译；命令关键字、文件名、参数名保持英文。

<details> <summary>本章目录</summary>

</details>

2.1 概述 ​

离子注入是将杂质原子引入半导体材料的常用工艺。
在 Sentaurus Process 中，可以使用解析模型（analytic functions）或 Monte Carlo（MC）方法，计算注入离子分布与注入损伤。
解析注入支持 Gaussian、Pearson 以及 dual-Pearson 等分布函数；解析注入损伤采用 Hobler 模型。
MC 注入采用统计方法，在 binary collision approximation（BCA）框架下计算离子穿透和晶格损伤累积，计算引擎为 Sentaurus MC。
1D/2D/3D 结构均支持 analytic 与 MC 两条路径。
analytic 路径通过 moments 描述 primary/lateral 分布，moments 与 species、energy、dose、tilt、rotation 等参数相关，通常由 lookup tables 提供。
analytic 与 MC 均通过 implant 命令调用：先确定模型/参数，再执行仿真。

2.2 离子注入 ​

2.2.1 指定解析或Monte Carlo注入 ​

最简 analytic 注入：

tcl
implant &lt;species&gt; energy=&lt;n&gt; dose=&lt;n&gt; tilt=&lt;n&gt; rotation=&lt;n&gt;

切换到 MC 注入：

tcl
implant &lt;species&gt; energy=&lt;n&gt; dose=&lt;n&gt; tilt=&lt;n&gt; rotation=&lt;n&gt; sentaurus.mc

使用 full-cascade：

tcl
implant &lt;species&gt; energy=&lt;n&gt; dose=&lt;n&gt; tilt=&lt;n&gt; rotation=&lt;n&gt; sentaurus.mc cascades

加载既有 MC 结果（TDR）：

tcl
implant &lt;species&gt; energy=&lt;n&gt; dose=&lt;n&gt; tilt=&lt;n&gt; rotation=&lt;n&gt; load.mc file=&lt;c&gt;

手册说明：多数场景无需手工选模型，Sentaurus Process 会自动选择；仅高级用户才建议显式改模型。

2.2.2 指定注入参数 ​

  • energy 默认单位为 keV。
  • dose 支持两种模式：WaferDose 与 BeamDose。
  • 在 WaferDose 模式下，最终剂量不随 wafer 相对离子束方向变化。
  • 在 BeamDose 模式下，最终剂量会随 tilt/rotation 改变。

建议在命令文件开头固定剂量模式，避免隐式切换：

tcl
pdbSet ImplantData DoseControl WaferDose
# 或
pdbSet ImplantData DoseControl BeamDose

命令级覆盖可使用：

tcl
implant &lt;species&gt; dose=&lt;n&gt; beam.dose

主参数 energy、dose、rotation、tilt 应始终显式给出，避免默认值导致工艺条件偏离。

2.2.3 选择模型 ​

初始化/配置 species-材料对时，可使用：

tcl
implant species=&lt;c&gt; &lt;material&gt; [imp.table=&lt;c&gt;] [damage] \
  [dualpearson | gaussian | legendre | pearson | pearson.s | point.response]

注意：上面这条是“模型设置命令”，不执行注入。
如果需要切换表族：

tcl
implant species=&lt;c&gt; &lt;material&gt; tables= Default|Dios|Tasch|Taurus|TSuprem4
implant species=&lt;c&gt; tables= Default|Dios|Tasch|Taurus|TSuprem4

为未知 species 定义原子属性：

tcl
pdbSetDouble ImplantData &lt;species&gt; AtomicNumber &lt;n&gt;
pdbSetDouble ImplantData &lt;species&gt; AtomicMass &lt;n&gt;

2.2.4 模拟多旋转注入 ​

使用 mult.rot=&lt;i&gt; 可模拟旋转载束。
当 i&gt;1 时，系统在一次 implant 内执行多次旋转注入，旋转步长 360°/mult.rot，每步剂量为总剂量 1/mult.rot。

2.2.5 模拟能量污染注入 ​

contamination 可建模能量污染（部分剂量使用不同能量）：

tcl
implant dose=&lt;n&gt; energy=&lt;n&gt; contamination={energy=&lt;n1&gt; dose.fraction=&lt;n2&gt;}

其等价于两次注入：dose=n*n2, energy=n1 与 dose=n*(1-n2), energy=n。

2.2.6 指定注入期间的自适应网格 ​

开启自适应网格后，MC 注入会先执行一次 analytic 以细化网格，再在新网格上运行 MC。
若 analytic 细化失败（例如缺表），系统会告警并在原网格继续 MC。
多旋转场景可用 mult.rot.adaptive 控制每个 rotation 是否 remesh。

2.2.7 定义新物种 ​

可基于已有 species 派生新 species：

tcl
pdbLike &lt;material&gt; &lt;new_species&gt; &lt;existing_species&gt;
implant species=&lt;c&gt; new.like=&lt;c&gt; &lt;material&gt;

并可为其指定注入/损伤表：

tcl
implant &lt;material&gt; species=&lt;c&gt; imp.table=&lt;c&gt; dam.table=&lt;c&gt;

2.3 注入坐标系：倾斜角和旋转角 ​

tilt 与 rotation 始终相对 wafer 坐标系定义。
tilt 为离子束与 wafer z 轴夹角，范围 0°-90°；负 tilt 会自动折算为正 tilt 并调整 rotation。
rotation 按手册约定定义为绕 wafer z 轴旋转。
默认参数：tilt=7°、rotation=-90°。在默认 slice.angle=-90° 的 2D 仿真中，等效为离子束从左侧入射。

2D 仿真需定义切片方向：

tcl
init slice.angle=&lt;n&gt;
# 或
init slice.angle=[CutLine2D &lt;x1&gt; &lt;y1&gt; &lt;x2&gt; &lt;y2&gt;]

图示（本章关键示意）：

图 2-1：tilt 与 rotation 定义

图 2-1：tilt 与 rotation 在 wafer/simulation 坐标系中的关系（源页：p101）。

图 2-2：rotation 方向约定

图 2-2：正 tilt 下不同 rotation 的平面投影方向（源页：p102）。

2.4 解析注入 ​

2.4.1 基本思想 ​

analytic 注入使用点响应分布（point-response distribution）描述离子注入。
在 2D 中，目标点浓度由表面所有可能入射点的分布叠加（卷积积分）得到；在 3D 中采用轴对称扩展并在垂直离子束平面做 lateral integration。
moments 来自注入表，并随工艺条件插值。

图 2-3：point-response 与 lateral integration

图 2-3：二维点响应与横向积分区间示意（源页：p104）。

2.4.2 主分布函数 ​

可选主分布模型：

  • dualpearson
  • gaussian
  • legendre
  • pearson
  • pearson.s
  • point.response

可直接在命令行覆盖 moments（会覆盖表值）：

tcl
implant species=&lt;c&gt; &lt;material&gt; rp=&lt;n&gt; stdev=&lt;n&gt; gamma=&lt;n&gt; beta=&lt;n&gt; \
  rp2=&lt;n&gt; stdev2=&lt;n&gt; gamma2=&lt;n&gt; beta2=&lt;n&gt; ratio=&lt;n&gt; \
  lat.stdev=&lt;n&gt; lat.stdev2=&lt;n&gt;

2.4.3 筛选（帽）层相关矩 ​

对于有盖层（cap/screen oxide）结构，moments 与上方总等效厚度相关。
手册通过 cap layer–dependent tables 建模离子束屏蔽效应，保证不同覆盖层下的射程/展宽行为一致。

2.4.4 横向离散 ​

支持多种深度相关横向展宽模型：

  • Sentaurus Process 公式
  • Dios 公式
  • Taurus 公式
  • Legendre polynomial 公式
  • 分段线性函数

选择策略：优先使用与当前 imp.table 一致的展宽模型，避免跨模型拼接导致 profile 失真。

2.4.5 解析损伤与点缺陷 ​

analytic 损伤基于 Hobler 模型。
可按 species/material 开关 damage，并在后处理中生成损伤与点缺陷相关数据集。
不同材料（Silicon、Oxide、Nitride）参数与阈值不同，应避免直接复用。

2.4.6 数据集 ​

常见后缀规则：

  • *_LastImp：当前注入步结果。
  • *_Implant：累计注入结果。
  • Damage_LastImp / Damage_Implant：损伤场。

这些数据通常在后续 diffuse 或统计平滑流程中继续使用。

2.4.7 注入表与格式 ​

手册给出多类表族：Default、Dios、Tasch、Taurus、TSUPREM-4、L-PIM。
常见格式包括：

  • &lt;file&gt;.sp（single-Pearson）
  • &lt;file&gt;.s3（SUPREM-III）
  • &lt;file&gt;.tab（Dios）
  • &lt;file&gt;.dam（damage）
  • &lt;file&gt;（Taurus）
  • &lt;file&gt;.pim（Legendre）

工程建议：固定同一章节中的表族与 DoseControl，避免“表族+剂量解释”交叉切换造成剂量不一致。

2.4.8 多层/横向积分/点响应接口 ​

多层结构场景中，analytic 会先构造局部层结构，再做 lateral integration。
point.response 接口允许加载外部点响应分布，用外部 profile 替代默认 moments 生成流程。
该路径适合与实验 profile 或高精度 MC profile 对齐。

2.4.9 多步注入与扩展模型 ​

第 2 章还覆盖：

  • PAI 与改进均匀损伤模型
  • CoImplant 模型
  • profile reshaping
  • Ge 相关 analytic 注入
  • analytic molecular implantation（含 BF2）
  • 3D 模式下 1D/2D analytic 注入
  • (110)/(111) 晶向使用 (100) 表的修正
  • 3D analytic 多线程并行

这些特性用于提高跨工艺窗口（高剂量、分子注入、非常规晶向）的可用性与稳定性。

2.5 Monte Carlo注入 ​

2.5.1 运行Sentaurus MC ​

sentaurus.mc 启用 MC 注入，cascades 启用全级联。
MC 注入在 BCA 框架下追踪离子-靶原子碰撞、能量损失、位移损伤与统计涨落。

2.5.2 靶材结构 ​

MC 模型支持：

  • 单晶材料
  • 非晶材料
  • 多晶材料
  • 合金材料（含摩尔分数插值）

材料组成和晶体参数通过 PDB 定义，决定散射截面、阻止本领和损伤生成行为。

2.5.3 Sentaurus MC物理模型 ​

核心物理模块包括：

  • Binary collision theory
  • 非晶注入模型
  • 高能 long flight 模型
  • 晶体注入与 channeling
  • 电子阻止（electronic stopping）
  • 动态退火与损伤累积
  • iBCA 增强损伤模型

2.5.4 分子/多晶/合金/SiC ​

MC 章节覆盖：

  • molecular implantation（如 BF2）
  • polysilicon 注入
  • alloy 材料注入与参数插值
  • SiliconCarbide 注入（含晶向与 flat 方向敏感性）

SiC 场景下，wafer orientation/flat/miscut 设置对 channeling 结果非常敏感，需与晶圆规格一致。

2.5.5 反冲/等离子体注入 ​

支持 recoil、plasma source、knock-on/knock-off、conformal doping 等。
复杂 plasma source 可同时定义多个离子组分与能量分布；必要时可叠加 deposited overlayer 与 recoil 机制。

2.5.6 损伤、点缺陷、统计增强 ​

MC 可输出 dopant、damage、point defects（如 Int_Implant、Vac_Implant）等数据。
统计增强机制包含：

  • trajectory splitting
  • surface splitting
  • dose split
  • trajectory replication

用于在可控误差下提升统计效率。

2.5.7 并行化 ​

支持并行方式：

  • 多线程（multithreaded）
  • GPU 并行（需对应许可）
  • MPI 分布式并行

并行可显著降低大粒子数 MC 仿真耗时，但应同步验证随机种子、批次合并与统计收敛。

图 2-4：analytic 注入束投影模式示意

图 2-4：beam projection 与 wafer normal 模式示意（源页：p131）。

图 2-5：分子注入示意（BF2）

图 2-5：分子注入中不同原子组分轨迹与权重示意（源页：p179）。

2.6 边界条件与域扩展 ​

边界条件用于处理几何遮挡、侧向散射和边界外信息缺失。
MC 与 analytic 章节都提供统一边界语义：

  • Extend：人工扩展域（默认）
  • Reflect/TrueReflect
  • Periodic/TruePeriodic

典型设置：

tcl
# MC 边界
pdbSet MCImplant LeftBoundary Reflect
pdbSet MCImplant RightBoundary Reflect
pdbSet MCImplant FrontBoundary Periodic
pdbSet MCImplant BackBoundary Periodic

# Analytic 边界
pdbSet ImplantData LeftBoundary Extend
pdbSet ImplantData RightBoundary Extend
pdbSet ImplantData FrontBoundary Extend
pdbSet ImplantData BackBoundary Extend

域扩展尺度可用 MaxLateralExtension 控制。

2.7 平滑注入剖面 ​

MC 在低浓度区常有统计噪声，可能导致 diffuse 收敛变差或时间步受限。
手册提供基于扩散方程的平滑机制。

2.7.1 平滑所有场 ​

tcl
pdbSet MCImplant Smoothing 1
# 或
implant ... smooth

会平滑 as-implanted 字段（dopant/damage/point defects）。

2.7.2 平滑所选场 ​

tcl
implant ... smooth.field={Boron Damage} smooth.distance={2&lt;nm&gt; 3&lt;nm&gt;}

若未提供 smooth.distance，系统从 PDB 读取；无 species 专属值时默认 2 nm。

2.7.3 仅平滑点缺陷 ​

tcl
smooth smooth.field={Int_Implant Vac_Implant} smooth.distance={1&lt;nm&gt; 5&lt;nm&gt;}

仅平滑点缺陷时建议使用独立 smooth 命令，而不是 implant ... smooth.field。

2.8 自动提取注入矩 ​

当内置表不覆盖新 species/材料/工艺窗口时，可从实验或 MC profile 自动抽取 moments。
拟合算法采用 Levenberg-Marquardt（局部最小），因此初值会影响收敛。

2.8.1 必选参数 ​

tcl
implant extract.moments data.file=&lt;ascii_profile&gt;

2.8.2 可选参数 ​

  • 模型：dualpearson（默认）/gaussian/pearson
  • 初值：rp stdev gamma beta rp2 stdev2 gamma2 beta2 ratio
  • 数据读取：data.units data.xcol data.col data.xlo data.xhi data.min data.max
  • 优化控制：max.iter（默认 500）、tolerance（默认 0.1）

2.8.3 输出形式 ​

  • 命令行格式：rp=&lt;n&gt; stdev=&lt;n&gt; ...
  • Tcl list：{model dualpearson rp &lt;n&gt; ... rms &lt;n&gt;}

rms&lt;1 通常意味着可视拟合质量较好。

2.8.4 ImplantTableMaker / DamageTableMaker ​

这两个 Tcl 工具支持 interactive/batch 两种模式，用于批量生成 Taurus 格式注入表和损伤表。
关键控制项包括 particles、particles.multiplier、max.rms、max.dynamic.range、smooth 等。

2.9 加载外部剖面 ​

load.mc 用于把外部 TDR 数据集恢复到当前结构：

tcl
implant &lt;species&gt; energy=&lt;n&gt; dose=&lt;n&gt; tilt=&lt;n&gt; rotation=&lt;n&gt; load.mc file=&lt;c&gt;

可选操作：

  • shift={y z}
  • flip + left|right|front|back
  • multiply=&lt;n&gt;（仅缩放 dopant，不改 damage）

如果 file 不存在，Sentaurus Process 会自动回退为 sentaurus.mc 运行并生成对应 TDR；后续同命令可直接复用。
即使 load.mc 不强制要求 energy/dose，手册仍建议显式给出，尤其在 CoImplant 参与时。

2.10 最小可执行示例 ​

以下示例可直接用于流程验证（Silicon 中 Boron 注入 + 快速退火）：

tcl
# ch2_min_implant.cmd
go sprocess

# 建议显式固定剂量解释模式
pdbSet ImplantData DoseControl WaferDose

# 基础初始化（示例）
init silicon c.boron=1e15 field=boron
line x location=0.0 spacing=0.01&lt;um&gt;
line x location=1.0&lt;um&gt; spacing=0.05&lt;um&gt;

# 解析注入（默认即可）
implant Boron energy=10 dose=1e14 tilt=7 rotation=-90

# MC 注入（可选，二选一）
# implant Boron energy=10 dose=1e14 tilt=7 rotation=-90 sentaurus.mc particles=2000

# 退火
diffuse temperature=1000&lt;C&gt; time=10&lt;s&gt;

# 输出
struct tdr=ch2_min_implant

2.11 关键参数速查表 ​

参数/开关作用常见取值/备注
energy注入能量默认 keV
dose注入剂量通常 cm^-2 量级
tilt倾角度；默认 7°
rotation旋转角度；默认 -90°
DoseControl剂量解释模式WaferDose / BeamDose
sentaurus.mc启用 MC 注入与 analytic 路径互斥
cascadesfull-cascade MC损伤更完整，耗时更高
mult.rot多旋转载束&gt;1 时分步旋转注入
contamination能量污染注入双能量分量
imp.table指定注入表文件覆盖 species-material 默认表
tables=切换表族Default/Dios/Tasch/Taurus/TSuprem4
damage启用解析损伤模型Hobler 模型
smooth平滑 as-implanted 数据对 MC 噪声有效
smooth.field选择平滑字段如 Boron Damage
smooth.distance平滑扩散距离默认 2 nm
load.mc file=加载外部 profileTDR 数据复用
extract.moments自动抽取 moments配合 data.file

2.12 常见问题与诊断步骤 ​

问题 1：剂量结果与预期不一致 ​

诊断步骤：

  1. 检查 DoseControl 是否固定为 WaferDose 或 BeamDose。
  2. 检查 tilt/rotation 是否被脚本参数覆盖。
  3. 检查当前 tables 家族是否隐式改变了剂量解释模式。
  4. 对比 *_LastImp 与 *_Implant，确认是单步偏差还是累计偏差。

问题 2：MC 结果噪声大，diffuse 不收敛 ​

诊断步骤：

  1. 增大 particles，确认是否统计噪声主导。
  2. 开启 smooth 或设置 smooth.field/smooth.distance。
  3. 对点缺陷单独使用 smooth 命令。
  4. 复查网格质量与边界条件（Extend/Reflect/Periodic）。

问题 3：load.mc 后结果异常 ​

诊断步骤：

  1. 检查 file=&lt;c&gt; 对应 TDR 是否存在。
  2. 检查所需数据集（如 Boron_LastImp、Damage_LastImp）是否在 TDR 内。
  3. 若结构不同，确认插值后 profile 是否被裁剪或偏移。
  4. 使用 shift/flip/multiply 前后对比剖面，排除方向/缩放错误。

问题 4：表插值后 profile 不平滑或不物理 ​

诊断步骤：

  1. 检查是否混用不同来源表（Default/Dios/Taurus/TSUPREM-4）。
  2. 对关键点位做 extract.moments，检查 rms。
  3. 降低工艺窗口跨度，增加中间 energy/tilt/rotation 样点。
  4. 必要时回退到 MC 标定再重建表。

相关链接 ​

基于 Sentaurus TCAD 官方文档构建

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