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什么是离子注入?离子注入相对于扩散的优点?

中科院半导体所 来源:Tom聊芯片智造 2023-12-11 18:20 次阅读

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。

wKgaomV24tKAC-xAAAB_6o2FyAM177.jpg

离子注入剂量的公式为:

wKgZomV24tKAVYWGAAATKHSEVoE348.jpg

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

wKgaomV24tKAIBV1AACRVck_cMs082.jpg

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。

wKgaomV24tKAJtv3AABG9th7xBE941.jpg

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。

wKgZomV24tKAMfyYAAD5GqtNbfA050.jpg

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

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原文标题:什么是离子注入?

文章出处:【微信号:bdtdsj,微信公众号:中科院半导体所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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