Ion Implant

离子注入是一种掺杂技术，其基本原理是利用高能离子束轰击硅晶圆，将掺杂剂（如硼、磷等）引入硅晶体中。这些掺杂剂原子取代硅晶格中的硅原子，从而改变硅的导电性。根据掺杂剂的不同，离子注入可以制造出n型（电子导电）或p型（空穴导电）半导体区域。

离子注入后退火对晶体结构影响

为什么离子注入需要一定的角度

掺杂元素通过高能离子束引入硅中，离子束直接照射在晶圆表面。如下图所示，左图为离子注入机器剖面图，右图为Ion implant 注入效果图。

通过“掺杂”引入选定的杂质来改变硅片的电学性质。

最常见的掺杂剂是硼、磷和砷。

在大多数情况下，使用厚光刻胶的光刻图案来防止掺杂剂进入硅的不希望区域。

 

Si原子

Si原子的电子排布为1s²2s²2p⁶3s²3p²。其中，最外层的3s²3p²轨道上的四个电子是其价电子。这些价电子在化学反应和电子行为中起着关键作用。由于硅的价电子数为4，它既可以作为电子的供体（施主），也可以作为电子的受体（受主），这使得硅在掺杂后能够表现出n型或p型半导体特性。

 

Si的晶体结构

在固态下，硅通常以晶体形式存在。最常见的硅晶体结构是金刚石型结构。在这种结构中，每个硅原子与四个相邻的硅原子通过共价键连接，形成一个三维的四面体网络。这种结构赋予了硅晶体极高的稳定性和良好的机械性能。

 

离子注入对于平面MOFET真的太重要了！

 

离子注入的过程

离子注入的过程通常包括以下几个步骤：

选择掺杂剂：根据所需的电学性质，选择合适的掺杂剂。例如，硼和铝用于制造p型半导体，磷和砷用于制造n型半导体。

离子加速：在离子注入机中，掺杂剂原子被电离成离子，并在高电压下加速，形成高能离子束。

离子轰击：高能离子束轰击硅晶圆表面，离子穿透晶圆并在晶格中沉积。

晶格损伤：离子注入过程中，高能离子与晶格原子发生碰撞，导致晶格损伤，产生点缺陷和线缺陷。

退火处理：离子注入后，通常需要进行高温退火处理，以修复晶格损伤，激活掺杂剂，并使掺杂剂原子在晶格中稳定下来。

 

为什么要退火：

离子注入后退火对晶体结构影响

Silicon wafer 被注入高速、高能量的杂质时，硅晶体结构将会遭受破坏，形成非晶质化。非晶质化会降低电子和空穴的移动度，导致器件性能下降。此外，注入的杂质原子会跑到晶格的间隙里，无法正常发挥作用去改变硅的导电性（无法成为掺杂剂）。

为了修复这种损坏，我们可以通过加热wafer 来提高硅的结晶性，这个过程就叫做“热处理（退火）工程”。

退火的好处：

晶格缺陷修复：通过加热使原子重新排列，消除晶格中的缺陷，提高材料的结晶质量。 

杂质扩散：在高温下，掺杂剂能够更好地扩散到半导体材料中，增强其电导性。 

应力消除：退火可以消除、减小材料内部的应力，提高器件的稳定性和可靠性。

Reference:

1.https://www.micron.com/content/dam/micron/educatorhub/fabrication/micron-intro-to-fabrication-presentation.pdf

2.Semiconductor Devices: Physics and Technology.

 

来源：十二芯座

关键词： 芯片 制造 离子注入