文章來源：半導體與物理

原文作者：易哲鎧

本文詳細介紹離子注入工藝

單晶硅是一種絕緣體，因此它本身并不具備導電性。那么，我們該如何使它能夠導電呢？讓我們來看一下硅的微觀結構。

硅是一種外層電子數為4的元素，硅原子之間形成了穩定的結構，外層電子數達到8個。由于穩定的電子無法自由移動形成電流，人們想出了一個聰明的辦法——向穩定的硅中摻入一些雜質。

我們可以加入最外層電子數為5的磷元素。與硅原子配對后，磷會多出一個電子，形成多余電子。另外，還可以加入最外層電子數為3的硼元素，與硅原子配對后會形成缺電子的空位，稱為空穴。

由于多余電子形成的區域被稱為n型，而缺電子形成的區域被稱為p型。將n型和p型區域結合在一起，就形成了半導體的基本結構，即PN結。

當我們將p型區域連接到正極電源上，n型區域連接到負極電源上時，電子就會從n區域流向p區域。剛開始，電子會與空穴結合，但隨著電子的不斷運動，電流也開始產生。硅由絕緣體轉變為具有導電性的半導體。這種方法在半導體物理里被稱為摻雜。

實現這一過程的方法就是離子注入，這與之前所說的氣相沉積類似。不同之處在于，離子注入直接將離子打入晶體內部，與晶體發生負距離接觸。過去，也有一種方法是利用高溫促使雜質穿過晶圓的晶體結構，實現摻雜。然而，由于該方法受到溫度影響，且摻雜精度不高且無法精確控制，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。它具有許多優點。

雖然離子注入的名字中帶有"離子"，聽起來像是要進行化學反應，但實際上，離子注入只是將離子射入目標材料中，是一種純粹的物理方法。

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

離子注入機通過發射離子束的技術，將離子均勻地注入晶體中，使其實現摻雜。這種方法在現代芯片制造過程中起著至關重要的作用。