離子注入工藝的工作原理

文章來(lái)源：半導(dǎo)體與物理

原文作者：易哲鎧

本文詳細(xì)介紹離子注入工藝

單晶硅是一種絕緣體，因此它本身并不具備導(dǎo)電性。那么，我們?cè)撊绾问顾軌驅(qū)щ娔?？讓我們?lái)看一下硅的微觀結(jié)構(gòu)。

硅是一種外層電子數(shù)為4的元素，硅原子之間形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，外層電子數(shù)達(dá)到8個(gè)。由于穩(wěn)定的電子無(wú)法自由移動(dòng)形成電流，人們想出了一個(gè)聰明的辦法——向穩(wěn)定的硅中摻入一些雜質(zhì)。

我們可以加入最外層電子數(shù)為5的磷元素。與硅原子配對(duì)后，磷會(huì)多出一個(gè)電子，形成多余電子。另外，還可以加入最外層電子數(shù)為3的硼元素，與硅原子配對(duì)后會(huì)形成缺電子的空位，稱為空穴。

由于多余電子形成的區(qū)域被稱為n型，而缺電子形成的區(qū)域被稱為p型。將n型和p型區(qū)域結(jié)合在一起，就形成了半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)，即PN結(jié)。

當(dāng)我們將p型區(qū)域連接到正極電源上，n型區(qū)域連接到負(fù)極電源上時(shí)，電子就會(huì)從n區(qū)域流向p區(qū)域。剛開始，電子會(huì)與空穴結(jié)合，但隨著電子的不斷運(yùn)動(dòng)，電流也開始產(chǎn)生。硅由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袑?dǎo)電性的半導(dǎo)體。這種方法在半導(dǎo)體物理里被稱為摻雜。

實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的方法就是離子注入，這與之前所說(shuō)的氣相沉積類似。不同之處在于，離子注入直接將離子打入晶體內(nèi)部，與晶體發(fā)生負(fù)距離接觸。過(guò)去，也有一種方法是利用高溫促使雜質(zhì)穿過(guò)晶圓的晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)摻雜。然而，由于該方法受到溫度影響，且摻雜精度不高且無(wú)法精確控制，已被離子注入所取代。

離子注入不僅能確切地控制摻雜的數(shù)量，而且摻雜的均勻性也很高，還可以控制注入的深度，而且不需要高溫條件。它具有許多優(yōu)點(diǎn)。

雖然離子注入的名字中帶有"離子"，聽起來(lái)像是要進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，但實(shí)際上，離子注入只是將離子射入目標(biāo)材料中，是一種純粹的物理方法。

與之前提到的物理氣相沉積類似，離子注入的過(guò)程中，離子會(huì)與目標(biāo)材料的原子發(fā)生碰撞，穿越材料的表面層，并在其中停下來(lái)完成摻雜。在離子注入過(guò)程中，可以使用基礎(chǔ)的硼離子和磷離子，也可以注入碳、硅、氮等離子。

離子注入機(jī)通過(guò)發(fā)射離子束的技術(shù)，將離子均勻地注入晶體中，使其實(shí)現(xiàn)摻雜。這種方法在現(xiàn)代芯片制造過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。