离子注入工艺的工作原理

文章来源：半导体与物理

原文作者：易哲铠

本文详细介绍离子注入工艺

单晶硅是一种绝缘体，因此它本身并不具备导电性。那么，我们该如何使它能够导电呢？让我们来看一下硅的微观结构。

硅是一种外层电子数为4的元素，硅原子之间形成了稳定的结构，外层电子数达到8个。由于稳定的电子无法自由移动形成电流，人们想出了一个聪明的办法——向稳定的硅中掺入一些杂质。

我们可以加入最外层电子数为5的磷元素。与硅原子配对后，磷会多出一个电子，形成多余电子。另外，还可以加入最外层电子数为3的硼元素，与硅原子配对后会形成缺电子的空位，称为空穴。

由于多余电子形成的区域被称为n型，而缺电子形成的区域被称为p型。将n型和p型区域结合在一起，就形成了半导体的基本结构，即PN结。

当我们将p型区域连接到正极电源上，n型区域连接到负极电源上时，电子就会从n区域流向p区域。刚开始，电子会与空穴结合，但随着电子的不断运动，电流也开始产生。硅由绝缘体转变为具有导电性的半导体。这种方法在半导体物理里被称为掺杂。

实现这一过程的方法就是离子注入，这与之前所说的气相沉积类似。不同之处在于，离子注入直接将离子打入晶体内部，与晶体发生负距离接触。过去，也有一种方法是利用高温促使杂质穿过晶圆的晶体结构，实现掺杂。然而，由于该方法受到温度影响，且掺杂精度不高且无法精确控制，已被离子注入所取代。

离子注入不仅能确切地控制掺杂的数量，而且掺杂的均匀性也很高，还可以控制注入的深度，而且不需要高温条件。它具有许多优点。

虽然离子注入的名字中带有"离子"，听起来像是要进行化学反应，但实际上，离子注入只是将离子射入目标材料中，是一种纯粹的物理方法。

与之前提到的物理气相沉积类似，离子注入的过程中，离子会与目标材料的原子发生碰撞，穿越材料的表面层，并在其中停下来完成掺杂。在离子注入过程中，可以使用基础的硼离子和磷离子，也可以注入碳、硅、氮等离子。

离子注入机通过发射离子束的技术，将离子均匀地注入晶体中，使其实现掺杂。这种方法在现代芯片制造过程中起着至关重要的作用。