什么是离子注入？离子注入相对于扩散的优点？

想要使半导体导电，必须向纯净半导体中引入杂质，而离子注入是一种常用的方法，下面来具体介绍离子注入的概念。

杂质的掺杂是芯片制造中十分重要的一步，几乎所有的集成电路，LED，功率器件等都需要用到掺杂。本征硅的导电性能很差，需要在本征硅中引入少量杂质，增加可移动的电子或空穴的数量，以改善其电性质，使硅能够满足半导体制作的标准。

其中，扩散与离子注入是常见的两种掺杂方式。但是和扩散相比，离子注入具有很多优势，是现代集成电路制造的主流工艺，因此要着重讲一讲。

 

离子注入原理

离子注入（Ion Implantation），是一种精确地向半导体中引入杂质的方法。首先将所需的杂质电离，然后在电场中加速形成一个集中的离子束。这束离子随后打在硅片表面，这些高能粒子进入晶格并与一些硅原子碰撞而失去能量，最终在某个深度停止，使得离子穿透并嵌入到硅片中。

离子注入剂量的公式为：

ϕ 代表注入的剂量，单位面积注入的离子总数。

I代表束流,即离子束电流。

t代表注入时间。

q代表单个离子的电荷量，1.6x10^(-19)C。

n代表每个离子的电荷数。

A代表被注入表面的面积。

注入能量（E）的公式：

E = nqV

n代表每个离子的电荷数。

q代表单个离子的电荷量，1.6x10^(-19)C。

V表示电势差。

离子注入的目的

主要是改变硅片的导电类型 和导电能力。

通过向硅中注入五价元素，得到N型硅；向硅中注入三价元素，得到P型硅。

导电能力与载流子的浓度有关，载流子浓度可以通过控制注入的杂质浓度来调整。增加注入的杂质浓度会增加载流子的数量，从而增加硅的导电能力。

离子注入相对于扩散的优点？

1，离子注入能够非常准确地控制注入离子的深度和浓度。通过调整注入的能量，可以控制离子的渗透深度，而通过调整注入时间或束流，可以控制注入剂量。

2，离子注入可以使用几乎任何类型的掺杂杂质，而有些杂质的掺杂无法通过扩散的方式来实现。

3，离子束可以聚焦到非常细小的区域上，它可以按照预先设定的路径在硅片上移动。在某些产品中，有时不需要在整个硅片上均匀地注入离子，而是只需要在特定的图案注入，这样一来，离子注入引入杂质的方法就很精准和方便。

4，与扩散掺杂等需要高温的方法相比，离子注入可以在相对低的温度下进行（125℃以下）。这样就避免了高温对于器件影响。

离子注入用什么做掩膜？

光刻胶：在低能离子注入中表现良好，因为低能离子不容易穿透光刻胶。但在高能离子注入中，可能需要更厚的光刻胶或其他类型掩膜材料来确保有效的阻挡。

SiO₂，Si₃N₄：常用的掩膜材料，具有良好的离子阻挡特性。

金属：薄的铝或钛可以作掩膜。

离子注入机的种类？

高束流注入机（High Current Implanter）

离子束电流>10 mA，离子束能量小于 <120 kev。

用于大面积和高掺杂浓度的注入，通常用于制造传统的CMOS器件。

中束流注入机（Medium Current Implanter）

离子束电流 <10 mA，用于中等掺杂浓度和面积的注入。

高能注入机（High Energy Implanter）

束流能量超过 200 kev ，能够使离子束穿透更深的硅层。






审核编辑：刘清