沟道效应

离子注入固体中，它与固体的原子发生碰撞，如果固体是无定形的，那么，组成固体的原子在空间是无规则分布的，因而离子与靶原子的碰撞是随机的，碰撞参数P的大小是个随机参数。如果固体是晶体，则原子在空间规则地排列着，离子沿晶体的主晶轴方向注入时，它们可能与晶格原子发生相类似的碰撞（碰撞参数P近似相等），各个碰撞互相有关，每次碰撞时，离子运动偏转很小，离子经过晶格同一排原子附近，可以穿透入固体中较深的距离，这种现象称为沟道现象

沟道效应含义及证明实验

如图1中的A所示。如果注入离子的半径较小，它沿着敞开的晶体方向注入时，沟道效应更加显著。硅的<100> 和<111> 晶向，沟道敞开约，容易接受半径较小的离子（N、B、Al、Ga， P、As、Sb），硅的<110> 晶向，沟道敞开约，接受面积较大，它几乎可以接受所有的离子，离子沿<110> 晶向注入，受到电子的作用较弱。

如果注入的离子沿沟道方向运动，必须具有三个基本的条件：

第一，离子可以透过原子排之间敞开的沟道；

第二，必须有一个力作用在离子上，控制它朝沟道的中央运动;

第三，沟道离子必须是稳定的。

有两类实验可以证实存在沟道效应，第一类是，然后进入探测器进行计数，或者测量透射单晶片的电流。这类实验的装置示意图如图2所示。50keV的质子通过金的单晶薄片，进入测量电流的电极。围绕着垂直单晶薄片表面的轴旋转晶体，可以改变晶格的方向而不影响质子穿透单晶薄片的厚度，因而，测得的电流变化便反映出晶体结构的影响。

图3示出了透射的离子电流随晶体围绕轴旋转角度θ的变化。

如果入射离子（质子）的能量较高，则可用硅面垒探测器直接测量透射质子的数目。在透射中，每个质子失去的能量，可以直接从计数的脉冲高度来测量，测量结果如图4表示，A是入射质子束的谱，C是入射质子束未对准单晶硅晶轴的谱，B是入射质子束对准硅面的谱，B谱分成两个区域，即能量损失较小的尖峰（反常峰）和非对准情形中的正常峰，反常峰和沟道现象有关。正常峰是进入沟道的粒子，在单晶硅内运动到适当的位置变成退道引起的。另一类实验是测量离子注入晶体后的射程分布，沿晶向注入，离子穿透较深，如图5所示。

沟道效应用于确定杂质原子在晶格中的位置

杂质原子在晶格中的位置，对晶体的电学和光学等特性都有明显的影响，因而可用电学和光学等方法对杂质原子定位。但是，这种测量通常是间接的，不能提供在晶体格位上杂质原子所占的比例。而利用沟道效应则可提供一种直接的测量方法，可确定上述比例。若再结合电学和光学性质的研究，则有可能最终解决各种类型的缺陷对离子注入层导电率的贡献。这种方法已广泛用于硅和锗的研究。下面我们介绍背散射的沟道效应。核反应与感生X射线的沟道效应原理与之相同，此处不再赘述。

由于沟道粒子不能与晶体格位上的原子作用而产生近距事件，故定向谱的背散射产额比随机谱显著减小（可减小20~100倍）。让我们来考虑金刚石型晶格的情况，大多数半导体晶体都是这种结构，图6描绘了它的原子构型在面上的投影。图6中阴影部分为“禁区”，在此区域内沟道粒子不能贯穿，非阴影部分为可通行区，即所谓“沟道”，此区域内沟道粒子可以通过。杂质原子可能有三种位置：

●为替代位置，位于<111> 、<110> 及<100>的原子列上；

▲为四面体间隙位置，位于<100>及<111>的原子列上，而不在<110>的原子列上；

X为任意间隙位置，不位于任何原子列。

当我们分别测量沿<111>、<110>及<100>晶向的定向谱时，由于X位置都在三个轴沟道内，对上述三种晶向的背散射产额都有贡献，因而三个定向谱的产额都与随机谱相同、都没有方向效应；▲位置在<111>和<100>的原子列上而不在<110>的原子列上，故<111>和<100>定向谱与随机谱相比其产额大大衰减而呈现方向效应，但<110>定向谱无衰减，即无方向效应；●位置的三个定向谱产额均显著衰减，即都有方向效应。因此，如比较两个以上不同晶向测量的定向谱和随机谱，结合晶体结构的知识，即可判断杂质原子在晶格中的位置。

沟道效应用于测量晶体的辐照损伤

如前所述，沟道粒子不能与晶格列上的原子作用而产生近距事件，但能与辐照损伤产生的偏离格位的位移原子作用，因此测量未注入和注入晶体的定向谱并与随机谱比较，即可确定在离子注入的晶体中辐照损伤产生的无序量及其深度分布。

在考虑定向谱时，为方便起见，通常将束流分为“沟道束”和“随机束”两部分。前者由沟道粒子组成，后者由非沟道粒子组成，它们在晶体中运动的轨迹分别如图7中A、B所示。事实上，即使一个完全对准的入射束（ψ=0），其中也只有95~99%的粒子为沟道束，另外还有可能与晶格原子作用的1~5%的粒子为随机束。当沟道束进一步穿透晶体时，由于晶体的不完整性、晶格原子的热振动以及原子核和核外电子引起的多次散射等原因，在散射角积累到大于临界角后，即部分地转变为随机束，致使随机束成分增加而沟道束成分减少。这个过程叫做“退沟道”或“消沟道”。为了确定辐照损伤的数量及其深度分布，必须测量三种背散射谱，即ψ=0时未注入的完美晶体和注入后的损伤晶体的定向谱，以及当时的随机谱。典型的背散射谱如图8所示。

沟道效应测量仅能给出辐照损伤产生的晶格缺陷的平均浓度，而不能肯定缺陷的类型，因此需要结合其他技术，如电子显微镜、电子共振等来研究。沟道效应测量计及所有位于晶轴屏蔽距（Thomas-Fermi屏蔽半径）以外的所有原子，它不仅包括注入过程中产生的位移原子，而且还包括晶格中的任何局部畸变（注入时产生的晶格缺陷如双空位的周围可能产生这种畸变）产生的位移原子，因此测得的晶格无序量要比实际的位移原子数大些。应用背散射沟道效应测量晶格损伤不够灵敏，它要求被测晶体中至少有1%的位移原子。若采用双定向法，可将灵敏度提高一个数量级，即0.1%，相应于总的位移原子数从约2×1015原子/cm3（单定向）提高到约2×1014原子/cm3（双定向）。此外，分析束采用质子和氦离子均可测量损伤。氦离子束的深度分辨率较好，但退沟道量比质子大，故对薄的重损伤层倾向于使用氦离子束，而厚层样品倾向于使用质子束。通常分析束采用较高的能量有利，这样可减少退沟道量从而提高测量的灵敏度。

沟道效应测量晶格损伤已广泛应用于离子注入半导体。近来离子注入工艺在国内外得到了很大的发展。在注入杂质的同时必然要产生大量的晶格损伤，人们用沟道效应来研究这些问题，例如晶格损伤的数量与离子注入剂量的关系、残余晶格损伤的数量与退火条件（退火时间、退火温度及退火方式）的关系等。此外，沟道效应也可用来研究金属、离子晶体等的晶格损伤，以及晶体无定形层的外延再生长等问题。

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