[拼音]：lizi zhuru chanza gongyi

[外文]：ion implantation technique

将加速到一定高能量的离子束注入固体材料表面层内，以改变表面层物理和化学性质的工艺。在半导体中注入相应的杂质原子(如在硅中注入硼、磷或砷等)，可改变其表面电导率或形成PN结。

离子注入需要有适用的离子注入设备。半导体掺杂用离子注入机的能量范围为20～400千电子伏。硼离子注入硅的注入深度一般在1微米以下，束流强度为几十至几百微安。离子注入机有先分析后加速和先加速后分析两种型式。在先分析后加速的结构中，离子源和磁分析器（分析磁铁）处于高电位，靶室处于地电位（图1）。离子源是离子注入机最重要的部件之一。微电子技术中常用的离子源电离物质为三氟化硼、磷烷和砷烷等。一般情况下，离子源提供的是单电荷离子。磁分析器起着提纯的作用，能将不需要的离子偏离掉，而只让所需的离子通过，经加速扫描后达到注入靶上。为了减小束流的传输损失，离子注入机通常采用单透镜和四极透镜进行离子束聚焦。此外，离子注入机尚需清洁的真空条件（无油污，整机真空度为1×10^-4帕，靶室真空度为10^-5帕）以及可靠而稳定的电源和控制系统等。

与热扩散掺杂相比，离子注入掺杂的优点是：

（1）离子注入可通过调节注入离子的能量和数量，精确控制掺杂的深度和浓度。特别是，当需要浅PN结和特殊形状的杂质浓度分布时，离子注入掺杂可保证其精确度和重复性。

（2）离子注入的杂质分布准直性好(即横向扩展小)，有利于获得精确的浅条掺杂，可提高电路的集成度和成品率。

（3）离子注入可实现大面积均匀掺杂并有高的浓度。

（4）离子注入不受化学结合力、扩散系数和固溶度等的限制，能在任意所需的温度下进行掺杂。

（5）离子注入可达到高纯度掺杂的要求，避免有害物质进入半导体材料，因而可以提高半导体器件的性能。离子注入掺杂正在替代热扩散掺杂，成为大规模和超大规模集成电路中的一项重要掺杂技术。

为了获得特定的注入浓度和杂质分布，需要正确选择注入剂量和能量，为此需要具备注入离子的射程分布知识。在注入靶上放置晶体样品时，以注入束为基准，必须偏离任何特征晶向5°～7°，以避免沟道效应（在沟道方向离子有很大的射程），即让离子沿着随机方向注入固体表层。这样，晶体靶(如硅单晶)可近似作为非晶靶处理。注入离子在样品表层中极为接近高斯分布。注入后离子的分布为

式中峰值浓度;X＝(x－R_p)/墹R_p；N_s为单位表面面积内注入的总离子数（总额即剂量）;x为离子注入表层的距离;R_p为离子投影射程;墹R_p为投影射程的标准偏差。图2为注入离子在非晶靶中的杂质浓度分布。

例如，将能量为140千电子伏的硼离子（B⁺）注入到硅靶中，剂量为5×10³/厘米²，则R_p＝4289埃，墹R_p＝855埃，N_p＝2.34×10¹⁸／厘米³，若衬底浓度N＝2×10¹⁶／厘米³，N/N_p=10^-2，则结深x_j=R_p+3墹R_p≈0.688微米。

离子注入导致晶体的晶格破坏，造成损伤，必须经过加温退火才能恢复晶格的完整性。同时，为了使注入杂质起到所需的施主或受主作用，也必须有一个加温的激活过程。这两种作用结合在一起，称为离子注入退火。这种退火有两种方式。

（1）高温（约 900℃）热退火为常用的方式。在集成电路工艺中，这种退火往往与注入后的其他高温工艺一并完成。这些高温工艺会引起杂质的再一次扩散，从而改变原有的杂质分布，在一定程度上破坏离子注入的理想分布，例如使浅PN结展宽和分布发生侧向扩展等。高温过程也可使过饱和的注入杂质失活。

（2）瞬态高温退火是正在研究和推广的退火方式，能满足超大规模集成电路对高浓度、浅PN结和很少侧向扩散的要求。这种方式包括激光、电子束或红外辐照等瞬态退火。这种方法虽属高温，但在极短时间内(小于几秒)加热晶体，既能使晶体恢复完整性，又可避免发生明显的杂质扩散。

参考书目

1. G.Carter and W.A. Grant，Ion Implantation of Semiconductors，Edward Anord，London，1976.