在半导体制造业中，离子注入是一种关键的技术，用于精确控制材料中的杂质分布。通过将特定类型的原子（通常是掺杂剂）引入硅晶圆或其他半导体材料中，可以改变材料的导电性，从而实现集成电路的功能。本文将详细介绍离子注入的过程、使用的原料气体、以及如何实现电离、加速、筛选和测量。
单晶硅本身不导电，因为它的外层电子数为4，形成了稳定的共价键结构。为了使其导电，可以通过掺杂的方式引入杂质。掺入最外层有5个电子的磷元素会产生多余的自由电子，使材料成为n型导体；而掺入最外层有3个电子的硼元素会形成空穴，使材料成为p型导体。
原料气体
离子注入就是掺杂一些元素，所以会使用的原料，通常是一些气体，它们能够被电离并转化为带电粒子。常用的原料包括：1.磷化氢 (PH₃)：用于n型掺杂，即引入额外的自由电子以提高材料的导电性。2.硼烷 (B₂H₆)：用于p型掺杂，即引入空穴以促进电流流动。3.砷化氢 (AsH₃)：另一种n型掺杂剂，用于制造高性能的半导体器件。4.锑化氢 (SbH₃)：用于更高端的应用，也是n型掺杂剂。这些气体通过特殊装置引入离子源，在那里它们被电离。
电离过程
1.等离子体生成：原料气体进入一个高压真空室中，通过射频（RF）场或其他方法产生等离子体。在这个过程中，电子从气体分子中被剥离出来，形成自由电子和正离子。射频场的频率通常在13.56 MHz左右，以保证高效的等离子体生成。2.离子提取：通过应用静电场，将所需的正离子从等离子体中提取出来。这一步骤通常使用多电极结构来实现，以确保离子的有效提取。
加速与筛选
1.加速：提取出的离子经过加速器，在加速器中施加电场以增加其速度，从而获得足够的动能去穿透目标材料。离子的能量可以通过调整加速电压来控制，以达到所需的注入深度。2.筛选：为了确保只有特定质量的离子被注入，通常会使用质量分析器（如回旋共振或磁偏转系统）。这一步骤保证了掺杂元素的纯度，并且控制了掺杂浓度。(1)回旋共振质量分析器利用了不同质量的离子在磁场中的旋转频率差异来筛选离子。(2)磁偏转系统则是通过磁场偏转路径的不同来区分不同质量的离子。
注入过程
1.注入：经过筛选和加速后的离子束被导向到半导体基底上。根据能量的不同，离子可以被注入到不同的深度。离子的注入深度直接影响着芯片的性能和可靠性。2.退火：注入后，通常需要进行热处理（退火），以修复因注入过程造成的晶格损伤，并激活掺杂剂。退火温度和时间的选择至关重要，以确保掺杂剂的有效激活而不破坏材料的结构。
注入离子量检测
1.法拉第杯：法拉第杯通常由一个金属杯状容器构成，该容器内部接地，外部连接到一个电流表或电流积分器。当离子注入到晶圆中时，将电荷转移到杯体上。由于法拉第杯内部接地，因此所有进入杯内的电荷都会被中和，这样流入法拉第杯的电流就可以直接测量出来。2.四探针法：通过测量电阻率的变化来间接估计掺杂水平。这种方法简单快速，但精度较低。
离子注入设备
离子注入机是专门设计用于执行上述过程的精密设备。它们通常包括以下几个主要部分：6.真空系统：维持高真空环境，减少离子与其他分子的碰撞。
离子注入是现代半导体制造不可或缺的一部分，它允许工程师们以极高的精度控制半导体材料的性能。通过选择合适的原料气体、精确控制电离、加速、筛选过程，并使用先进的测量技术，可以实现高度定制化的半导体器件制造，为电子产品的发展提供了强大的支持。随着技术的进步，离子注入将继续成为推动微电子行业创新的重要工具。
