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Ion Implant

離子注入是一種摻雜技術，其基本原理是利用高能離子束轟擊硅晶圓，將摻雜劑（如硼、磷等）引入硅晶體中。這些摻雜劑原子取代硅晶格中的硅原子，從而改變硅的導電性。根據(jù)摻雜劑的不同，離子注入可以制造出n型（電子導電）或p型（空穴導電）半導體區(qū)域。

離子注入后退火對晶體結構影響

為什么離子注入需要一定的角度

摻雜元素通過高能離子束引入硅中，離子束直接照射在晶圓表面。如下圖所示，左圖為離子注入機器剖面圖，右圖為Ion implant 注入效果圖。

通過“摻雜”引入選定的雜質來改變硅片的電學性質。

最常見的摻雜劑是硼、磷和砷。

在大多數(shù)情況下，使用厚光刻膠的光刻圖案來防止摻雜劑進入硅的不希望區(qū)域。

Si原子

Si原子的電子排布為1s²2s²2p?3s²3p²。其中，最外層的3s²3p²軌道上的四個電子是其價電子。這些價電子在化學反應和電子行為中起著關鍵作用。由于硅的價電子數(shù)為4，它既可以作為電子的供體（施主），也可以作為電子的受體（受主），這使得硅在摻雜后能夠表現(xiàn)出n型或p型半導體特性。

Si的晶體結構

在固態(tài)下，硅通常以晶體形式存在。最常見的硅晶體結構是金剛石型結構。在這種結構中，每個硅原子與四個相鄰的硅原子通過共價鍵連接，形成一個三維的四面體網(wǎng)絡。這種結構賦予了硅晶體極高的穩(wěn)定性和良好的機械性能。

離子注入對于平面MOFET真的太重要了！

離子注入的過程

離子注入的過程通常包括以下幾個步驟：

選擇摻雜劑：根據(jù)所需的電學性質，選擇合適的摻雜劑。例如，硼和鋁用于制造p型半導體，磷和砷用于制造n型半導體。

離子加速：在離子注入機中，摻雜劑原子被電離成離子，并在高電壓下加速，形成高能離子束。

離子轟擊：高能離子束轟擊硅晶圓表面，離子穿透晶圓并在晶格中沉積。

晶格損傷：離子注入過程中，高能離子與晶格原子發(fā)生碰撞，導致晶格損傷，產(chǎn)生點缺陷和線缺陷。

退火處理：離子注入后，通常需要進行高溫退火處理，以修復晶格損傷，激活摻雜劑，并使摻雜劑原子在晶格中穩(wěn)定下來。

為什么要退火：

離子注入后退火對晶體結構影響

Silicon wafer 被注入高速、高能量的雜質時，硅晶體結構將會遭受破壞，形成非晶質化。非晶質化會降低電子和空穴的移動度，導致器件性能下降。此外，注入的雜質原子會跑到晶格的間隙里，無法正常發(fā)揮作用去改變硅的導電性（無法成為摻雜劑）。

為了修復這種損壞，我們可以通過加熱wafer 來提高硅的結晶性，這個過程就叫做“熱處理（退火）工程”。

退火的好處：

晶格缺陷修復：通過加熱使原子重新排列，消除晶格中的缺陷，提高材料的結晶質量。 

雜質擴散：在高溫下，摻雜劑能夠更好地擴散到半導體材料中，增強其電導性。 

應力消除：退火可以消除、減小材料內部的應力，提高器件的穩(wěn)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.