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离子注入到底是什么？为什么需要离子注入？原理是什么？本文作为一片基础科普性文章，希望能帮你找到答案。

提到离子注入，很有必要先提一下扩散工艺。扩散是高浓度的材料通过另一种低浓度材料的运动，比如我们夏天喷的灭蚊剂很快能充满整个房间，再比如把墨水滴到水里颜色很快会发生变化直到均匀……同样的道理，这样的原理也完全可以应用于半导体加工制造行业，用来改变材料的微观结构和导电性，这个原理在半导体行业就叫做扩散。

原理听起来很简单，但是对无比精密的半导体加工行业来说，传统的扩散工艺越来越像个糙汉子，存在无法控制扩散方向、控制精度低、生产考虑低等问题。

而离子注入，就是为了解决这样的问题而生。

离子注入是将杂质离子在电场中加速并注入到固体材料中，从而改变材料的物理、化学和电气性质，与扩散工艺不同的是，它能够非常精确地控制掺杂深度、浓度和分布。举个例子，功率器件如MOSFET、IGBT等对阈值电压、导通电阻和开关速度要求很高，而能从材料上提升上述性能的，离子注入几乎是唯一的选择。

简单版：我们的目标是把一颗颗子弹嵌入墙里，而离子注入像将机关枪把子弹打入墙里的过程，这里的离子就像子弹。离子注入应常涉及到能量的概念，这就好比子弹从枪膛里出来前进的能量是火药爆炸提供的，而离子注入的能量是电力提供的。

学术版：待注入原子被离化、分离、加速(获取动能），形成离子束流，扫过晶圆。原子对晶圆进行物理轰击，进人表面并在表面以下停止。

与传统的扩散技术相比，离子注入技术具有以下优势：

1. 精确控制：离子注入可以非常精确地控制掺杂深度和浓度，这对于实现特定器件特性至关重要，尤其是对于特征尺寸较小的技术 。

2. 低温工艺：扩散需要高温，而离子注入可以低温进行，减少了热预算，避免了高温可能导致的材料氧化、脱碳和晶格损伤，特别适合对温度敏感的材料 。

3. 自对准技术：离子注入可以实现自对准技术，减小了电容效应，有助于实现更小的特征尺寸 。

4. 杂质浓度分布的高斯分布特性：注入的离子数决定于积累的束流，深度分布则由加速电压控制，这两个参量可以由外界系统精确测量、严格控制。

5. 大面积均匀注入：离子注入系统中的束流扫描装置可以保证在很大的面积上具有很高的掺杂均匀性。

6. 不受固溶度限制：离子注入技术不受固溶度的限制，可以实现比传统扩散技术更高浓度的掺杂。

1. 深埋层（Deep Trench Isolation）：离子注入用于形成深埋层，以实现器件的隔离 。

2. 阈值电压调节：通过离子注入调整晶体管的阈值电压，优化器件性能 。

3. 源漏扩展注入：在源极和漏极区域进行轻掺杂，形成源漏扩展区，以改善器件性能 。

4. 源漏注入：在集成电路制造过程中，离子注入用于形成重掺杂的源极和漏极 。

5. 多晶硅栅极注入：离子注入技术用于多晶硅栅极的掺杂，以降低电阻系数，并形成P型或N型晶体管的栅极 。

6. 超浅结（Ultra-Shallow Junctions, USJ）：离子注入用于制造超浅结，这对先进的CMOS器件工艺至关重要 。

7. 扩散阻挡层：在多晶硅栅极与N型多晶硅栅之间形成扩散阻挡层，防止硼原子扩散 。

8. 低掺杂漏极（Lightly Doped Drain, LDD）：亚微米场效晶体管中，需要用LDD抑制热电子效应 。

9. 源极/漏极延伸离子注入（Source/Drain Extension, SDE）：为高浓度的源极/漏极掺杂提供扩散缓冲层。

1. 剂量（Dose）：剂量是指单位面积硅片表面注入的离子数，其单位是原子每平方厘米（或离子每平方厘米）。剂量决定了最终的杂质浓度，是离子注入工艺中的一个关键变量。剂量可以通过注入时间、束流以及离子所带的电荷量来计算得出 。

2. 能量（Energy）：离子注入的能量决定了离子的射程，即离子在硅片中达到的深度。能量水平可以根据所需的掺杂深度来调整，从低能量用于形成超浅结到高能量用于形成深埋层等不同的应用 。

3. 束流（Beam Current）：离子束电流的量级是定义剂量的另一个关键变量。电流越大，单位时间内注入的杂质原子数量也越多，有利于提高硅片产量，但也可能带来均匀性问题 。

4. 温度（Temperature）：离子注入工艺本身是在中等温度下进行的，允许使用不同的光刻掩模，包括光刻胶。注入后的高温退火过程用于修复晶格损伤并激活杂质离子 。

5. 杂质类型（Impurity Type）：离子注入可以选择不同的杂质元素进行注入，如硼、磷、砷等，以形成n型或p型掺杂区域 。

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