3、半导体工艺原理-离子注入
离子注入工艺原理
离子注入工艺原理离子注入（Ion Implantation）是一种常用的半导体加工技术，通过将选择性的离子注入到半导体材料中，来改变其电学性质，实现各种功能。
离子注入工艺原理可以分为三个主要步骤：离子产生，离子加速以及离子注入。
首先，离子产生是离子注入过程的第一步。
离子源是离子加速的关键，通常使用离子源来产生所需的离子种类。
离子源有许多类型，包括离子脱附（sputtering）源、电离源（ionization）或者离子化（ionized）源等。
其中较为常见的是离子脱附源，通过将砷、硼等半导体材料投放在高能量粒子（如氩离子）中，来脱离砷或硼原子产生相应离子。
这些离子会进一步被加速，并被注入到半导体材料中。
接下来，是离子加速的过程。
离子会通过一种电场来加速，通常是一个加速器。
这个电场可以是一个电势差，通过与离子之间形成的电场将离子加速到高能量。
在离子注入中，通常使用的是加速电势差。
离子源中的离子在电场的作用下，获得足够的能量，从而达到所需的注入深度。
最后，是离子注入的过程。
一旦离子获得足够的能量，它们会进入到半导体材料中，并通过对材料进行注入来改变其电学性质。
离子注入的深度可以通过加速电压和荷质比等参数来控制，通过调整参数可以实现不同深度的注入。
离子注入技术的原理在于将特定的离子种类注入到半导体材料中，从而改变其性质。
原子尺寸的改变可以影响材料的电学、磁学和光学性质。
例如，将掺杂硼离子注入到硅材料中可以将其掺杂变成P类型半导体，而将掺杂磷离子注入到硅材料中可以将其掺杂变成N类型半导体。
这种通过离子注入调整材料性质的能力，使得离子注入成为了半导体工业中不可或缺的一部分。
离子注入工艺有许多应用，包括集成电路制造和半导体器件制造。
通过离子注入，可以改变材料的导电性、控制晶体中的通道形成、增加或改变半导体材料中的杂质等。
这对于集成电路芯片和其他电子元件的设计和制造至关重要，使其具有所需的电学性质和性能。
总之，离子注入工艺通过离子源的产生、离子加速和离子注入等步骤，将特定的离子注入到半导体材料中，从而改变其性质。
半导体制造技术导论离子注入工艺
• 阈值电压控制：通过离子注入工艺调节PMOS和NMOS
区
的阈值电压
• NMOS器件：N型半导体作为沟道，P型半导体作为源漏
• 掺杂区形成：通过离子注入工艺形成PMOS和NMOS的
区
源漏区
离子注入工艺在光电二极管中的应用
光电二极管的结构特点
• P-N结：由P型半导体和N型半导体组成的结
• 光敏区：位于P-N结附近的区域，对光敏感
• 掺杂浓度均匀性：如何实现更均匀的掺杂，提高器件性能
• 注入损伤：离子注入过程中如何减少对半导体材料的损伤
• 工艺集成：如何将离子注入工艺与其他工艺集成，提高生产效率
解决方案
• 优化离子注入设备和工艺：提高掺杂浓度的均匀性和降低注入损伤
• 采用新型离子注入技术：如扫描离子注入、等离子体浸入离子注入等，提高工艺效
• 多离子注入技术的发展：实现多种元素的共注入，提高器件的性能和可靠性
离子注入工艺的发展方向
• 精确控制掺杂：实现更精确的浓度控制和更均匀的掺杂
• 降低能耗优化离子注入设备和工艺，降低能耗
• 环保减排：减少离子注入过程中的污染排放，提高环保水平
离子注入工艺面临的挑战及解决方案
离子注入工艺面临的挑战
果
• 加强工艺集成：与光刻、刻蚀等工艺进行集成，提高生产效率
离子注入工艺在未来半导体制造中的应用前景
离子注入工艺在集成电路制造中的应用
• 提高晶体管、二极管等器件的性能，提高集成电路的整体性能
• 实现新型器件的制作，如鳍式场效应晶体管（FinFET）等
离子注入工艺在光电二极管制造中的应用
• 提高光电二极管的光电转换效率，提高光电传感器的性能
• 大电流器件：需要承受大电流的器件
半导体制造工艺之离子注入原理课件
Z12
3
Z
2 2
3
m1 m2
摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295
例如：磷离子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅 Z2 = 14, m2 = 28, 计算可得：
Sn ~ 550 keV-mm2
电子阻止本领
局部电子阻止 非局部电子阻止
减少沟道效应的措施
❖ 对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离7－10o
❖用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶 化，形成非晶层（Pre-amorphization）
❖增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成， 沟道离子减少）
❖表面用SiO2层掩膜
典型离子注入参数
离子：P，As，Sb，B，In，O 剂量：1011~1018 cm-2 能量：1– 400 keV 可重复性和均匀性: ±1% 温度：室温 流量：1012-1014 cm-2s-1
1) 试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、 峰 值浓度、结深
2) 如注入时间为1分钟，估算所需束流。
【解】1) 从查图或查表 得
Rp=4289 Å=0.43 mm Rp855 Å0.086 mm 峰值浓度
Cp=0.4Q/Rp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019 cm-3
110
111
100
倾斜旋转硅片后的无序方向
沿<100>的沟道效应
产生非晶化的剂量
浓度分布 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏
离LSS理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现 一个相当长的“尾巴”
表面非晶层对于沟道效应的作用
半导体制造工艺离子注入下
半导体制造工艺离子注入下的特点和优缺点概述离子注入是半导体制造过程中常用的一种工艺，其基本原理是将离子以特定的能量和浓度注入到半导体晶片表层，以改变材料的导电性或其他性质。
本文将探讨半导体制造工艺离子注入下的特点和优缺点。
特点离子注入是一种高精度的工艺，能够精确地控制注入深度和剂量，从而调节半导体材料的导电性或其他性质。
其特点主要包括以下几个方面：高进度性离子注入过程可以充分利用诸如惰性气体和离子阱等技术，保证高纯度和准确度的离子束，从而实现高精度的注入过程。
利用这种方法可以制备出高质量的半导体材料，提高制造的成功率。
高灵活性离子注入工艺具有很强的灵活性，可以应用于各种半导体材料和制造工艺。
例如，通过改变注入剂、注入能量和浓度，可以调节半导体材料的导电性、光学性质和晶体结构等性能，从而扩展半导体材料的应用范围。
高生产效率离子注入工艺与传统的光刻、蒸发等工艺相比，具有更高的生产效率。
运用基于离子束的系统，可以在几个小时内注入完整个晶片表面，其生产效率是传统工艺的几十倍。
低污染性离子注入工艺排放的废气和废水等污染物较少，因此对环境污染较小。
同时，由于它是一个干工艺，因此也不会产生一些需要消耗大量的化学品和精密仪器的急需。
优缺点离子注入工艺虽然具有一定的特点和优点，但同时也存在一些不足之处。
优点1.该工艺可以大大降低电子元件中缺陷的数量，因为它可以更精确地注入所需的阻抗材料。
2.离子注入技术可以在按照如果更有创新性和精雕细琢地制造半导体设备和电子设备，能够加快成本效益的提高。
3.该工艺可以提高半导体的可靠性和稳定性，使电子元件精度更高，导致更小的误差和更强的稳定性。
缺点1.离子注入工艺的过程复杂，需要大量的设备和材料，劳动力成本也很高，因此成本也很高。
2.由于注册过程涉及精确的器件结构，所以还需要很高的制造技术水平，否则可能出现制造问题，导致获得不优质的产品。
3.温度也必须表现出较高的精度，否则难以控制受影响的组件表面及器件的结构。
离子注入技术在半导体加工中的应用
离子注入技术在半导体加工中的应用随着科技的快速发展，人们对半导体加工技术的需求越来越高。
而作为半导体加工中的一种关键技术，离子注入技术在半导体加工中的应用也越来越广泛。
本文旨在介绍离子注入技术在半导体加工中的应用，从基本原理、设备和应用实例等方面进行讲解。
一、基本原理离子注入技术是一种将高能量离子注入到物质中的技术。
基本原理是，利用带电的离子束对半导体材料进行加工处理。
离子束会产生较大的电子和电洞密度，从而改变半导体晶格中的原子结构，实现对物质特性的控制。
离子注入技术可以改变半导体的电学、光学和磁学性质，进而实现材料的性能优化。
离子注入技术中使用的离子种类多种多样，如重离子、轻离子、氢离子等。
离子注入技术的选择会受到许多因素的影响，包括材料的特点、工艺要求和设备条件等。
离子注入技术的优点是材料处理非常均匀，且具有较强的可控性和可重复性。
二、设备离子注入技术需要特定的设备来完成。
设备主要由离子源、加速器、准直器和注入室组成。
离子源是产生离子束的能源，加速器是用来将离子加速到高能的设备。
准直器是用来调整离子束的方向和形状，使它能够在注入室内精确地照射样品表面。
注入室是离子注入技术中最关键的组成部分之一。
它必须采用紫外线、热电子发射或电子轰击等方式来电离气体，以产生离子束。
这些离子束经过准直器之后，会被注入到待处理的半导体材料表面中。
设备制造的精度和控制技术的发展，让离子注入技术在半导体生产中成为了不可缺少的一环。
三、应用实例离子注入技术在半导体加工中有非常广泛的应用。
其中最常见的应用是在芯片制造过程中使用，通过注入不同材料的离子，可以调整半导体材料的电学特性，使其更加适合具体的芯片功能。
例如，常用的PN结调节器件，就是利用离子注入技术实现的。
PN结调节器件具有开关功能，可将电压从正向变为反向。
此外，利用离子注入技术还可以改变材料的光学性质，例如调节太阳能电池板的吸光度和光通量损失等。
此外，在集成电路制造过程中，离子注入也是非常关键的一步。
半导体工艺之离子注入
半导体离子注入工艺09电科A柯鹏程 0915221019离子注入法掺杂和扩散法掺杂对比来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。
当前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。
离子注入是一种将带点的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程。
注入能量介于1eV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm~10um。
相对扩散工艺，粒子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质参杂、可重复性和较低的工艺温度。
1.离子注入原理:离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。
可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。
离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量，能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。
离子通过与硅原子的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。
杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。
2.离子射程离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。
入射离子能量越高，射程就会越长。
投影射程是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。
有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。
3.离子注入剂量注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过下面的公式计算得出 Q=It/enA ，式中，Q是剂量；I是束流，单位是安培；t是注入时间，单位是秒；e是电子电荷，1.6×10-19C；n是电荷数量；A是注入面积，单位是。
4.离子注入工艺（1）沟道效应入射离子与wafer之间有不同的相互作用方式，若离子能量够高，则多数被注入到wafer内部；反之，则大部分离子被反射而远离wafer。
半导体制造工艺之离子注入原理
半导体制造工艺之离子注入原理引言离子注入是半导体制造工艺中的一种重要方法，广泛应用于半导体器件的加工和制造过程中。
离子注入工艺通过将高能离子注入到半导体晶体中，改变材料的物理和化学性质，实现半导体器件的特定功能和性能。
本文将详细介绍离子注入的原理以及其在半导体制造中的应用。
离子注入原理离子注入是利用离子束对半导体材料进行信息改变的过程，其原理基于以下几个关键步骤：1.离子源生成：离子注入过程首先需要一个稳定的离子源。
常见的离子源包括离子源装置和离子源材料。
离子源装置通过电离气体产生离子束，而离子源材料通常是一种固体材料，通过加热或溶解的方式释放离子。
2.离子加速：生成的离子束经过电场加速，增加其能量和速度。
加速电场的大小决定了离子注入的能量和深度。
3.汇聚和对准：离子束通过极板或磁场对准系统，确保离子束准确地注入到半导体材料的目标区域。
4.离子注入：离子束与半导体材料进行相互作用，离子穿过材料表面，在材料内部形成注入层。
离子注入的能量和剂量可以控制和调节，影响着半导体的特性和性能。
5.后续处理：注入完成后，需要进行一系列的后续处理步骤，如退火、清洗等，以恢复和优化器件的电学性能。
离子注入的应用离子注入在半导体制造中有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面：1.掺杂：离子注入可在半导体材料中引入杂质原子，从而改变材料的电学性质。
通过控制离子注入的能量和剂量，可以实现器件中的PN结、N型、P型等区域。
2.改变表面特性：离子注入还可用于改变半导体材料表面的化学和物理特性。
例如，在CMOS制造中，通过离子注入改变材料表面的电导率，形成NMOS、PMOS等区域。
3.改善电子迁移率：离子注入还可用于改善半导体器件中电子的迁移率，提高器件的性能。
通过注入低能量离子，形成浅表层，可以减少晶格缺陷，提高电子的迁移率。
4.修复损伤：半导体材料在制造过程中往往会受到损伤，如晶格位错、空位等。
离子注入可用于修复这些损伤，提高材料的完整性和性能。
离子注入原理
离子注入原理离子注入是一种常用的半导体加工技术，它通过将离子注入半导体材料中，改变其电学性质和化学性质，从而实现对半导体材料的加工和改性。
离子注入技术在集成电路制造、光电子器件制造、材料改性等领域都有着广泛的应用。
本文将介绍离子注入的原理及其在半导体加工中的应用。
离子注入的原理主要包括离子源、加速器、束流控制系统和靶材等部分。
首先，离子源会产生所需的离子种类，比如常见的硼、砷、磷等离子。
然后，这些离子会被加速器加速，形成高能离子束。
束流控制系统会控制离子束的方向和强度，使其准确地注入到靶材中。
最后，靶材会接受离子的注入，从而改变其物理和化学性质。
离子注入技术的应用非常广泛。
在集成电路制造中，离子注入常用于形成P型和N型掺杂区，从而实现晶体管的制造。
在光电子器件制造中，离子注入可以用于改变半导体材料的光学性质，提高器件的性能。
此外，离子注入还可以用于材料的表面改性，提高材料的硬度、耐腐蚀性等。
离子注入技术具有许多优点。
首先，它可以实现对半导体材料的局部改性，精度高，控制方便。
其次，离子注入可以实现对半导体材料的多种性质改变，包括电学性质、光学性质、力学性质等。
最后，离子注入可以在常温下进行，不需要高温处理，从而避免了材料的退火和晶格损伤。
然而，离子注入技术也存在一些局限性。
首先，离子注入会在材料中引入大量的杂质，从而影响材料的电学性能。
其次，离子注入过程中会产生能量损失，导致材料局部加热，从而影响材料的结构和性能。
最后，离子注入需要复杂的设备和控制系统，成本较高。
总的来说，离子注入技术是一种重要的半导体加工技术，具有广泛的应用前景。
随着半导体工艺的不断发展，离子注入技术也将不断得到改进和完善，为半导体材料的加工和改性提供更加可靠的技术支持。
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四、离子束电流的测量
Sampling slit in disk
Ion beam
Scanning disk with wafers
Suppressor aperture
Faraday cup
Current integrator
2
二、结深的测量
测量结深的方法主要有 磨角法、
磨槽法（滚槽法） 和 光干涉法。
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费克第一定律 费克第二定律。 再分布后的表面杂质浓度为
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根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点 会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低 合金中金属处于液态时的蒸汽压。
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例如，金和硅的熔点分别为 1063 oC 和 1404 oC，它们在此 温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和 10-1 Torr。当以适当组分组 成合金时，其熔点降为 370 oC ，在此温度下，金和硅的蒸汽压 分别仅为 10-19 Torr 和 10-22 Torr。这就满足了 LMIS 的要求。
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1、等离子体型源 这里的 等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的 电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍 与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但 其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。
a) 低掺杂浓度与浅结
Ion implanter
Dopant ions Beam scan
High energy High dose Slow scan speed
Mask xj
Mask
Silicon substrate
b) 高掺杂浓度与深结
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轰击硅片表面，形成注入层
• 装置：离子源、聚焦、分析器、加速管、扫描、偏转、靶
室、真空系统
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离子束的性质
离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或 磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能。
离子束的用途
• 注入一般在50-500kev能量下进行 • 掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定 • 掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定
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与热扩散工艺相比有如下优点：
（Ⅰ）可在较低的温度（低于750℃）下，将各种杂质掺入到不同半 导体中，避免了由于高温处理而产生的不利影响。 （Ⅱ）可精确控制能量和剂量，从而精确控制掺入基片内杂质的浓度、 分布和注入深度。对浅结器件的研制更为有利。 （Ⅲ）所掺杂质是通过质量分析器单一地分选出来后注入到半导体基 片中去的，可避免混入其他杂质。
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3.1 离子注入系统
离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。
质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在 质量分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质 离子，且离子束很纯。
加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量 是决定离子注入深度的一个重要参量。
中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。 聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。 偏转扫描系统：使离子束沿 x、y 方向扫描。 工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。
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Ion source
Scanning direction
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当 E2 增大到使电场超过液态 金属的场蒸发值（ Ga 的场蒸发值
E3
为 15.2V/nm）时，液态金属在圆
锥顶处产生场蒸发与场电离，发射
金属离子与电子。其中电子被引出
极排斥，而金属离子则被引出极拉
引 出
点是 需要制作掩蔽膜。
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离子注入
Ion implanter
Dopant ions Beam scan
Low energy Low dose Fast scan speed
Mask xj
Mask
Silicon substrate
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聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。缺点是 生产 效率低，设备复杂，控制复杂。聚焦方式的关键技术是
1、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源； 2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的 离子光学系统。
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注入的离子在基底中的分布
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一、离子源 作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。 分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。
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2、液态金属离子源（LMIS） LMIS 是近几年发展起来的一种 高亮度小束斑 的离子源， 其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 纳米量级 的小束斑离 子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离 子注入、离子束曝光、离子束刻蚀等。
LMIS 的类型、结构和发射机理
V形
针形 螺旋形
类 型
同轴形
毛细管形
液态金属 钨针
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对液态金属的要求 (1) 与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润； (3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度 下既保持液态又不蒸发。 能满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少数几种， 其中 Ga 是最常用的一种。
掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体
型离子源，其典型的有效源尺寸为 100 m ，亮度为 10 ~ 100
A/cm2.sr。
聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源 （LMIS）出现后才得以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为
5 ~ 500 nm，亮度为 106 ~ 107 A/cm2.sr 。
产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。 大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加 速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。
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Plasma Extraction assembly Analyzing magnet Ion beam
Acceleratio n column
Process chamber
Scanning disk
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离子注入的步骤
掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切 割等。不同的用途需要不同的离子能量 E ，
E < 10 KeV ，刻蚀、镀膜
E = 10 ~ 50 KeV ，曝光
E > 50 KeV ，注入掺杂
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离子束加工方式
(2) 能散度
能散度是 离子束能量分布的半高宽度 。LMIS 的主要缺点 是能散度大，这将引起离子光学系统的色散，使分辨率下降。
(3) 离子束斑尺寸
通常为 5 ~ 500 nm。
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三、工作室（靶室） 放置样品的地方，其位置可调。
(Ⅳ）掺杂均匀性好，电阻率均匀性可达1%。 (Ⅴ）纯度高，不受所用化学品纯度影响。 （Ⅵ）有可能发展成为无掩模掺杂技术，即按照设计要求的图形用微 离子束进行扫描，有选择地进行注入。
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离子注入
• 特点：横向效应小，但结深浅；杂质量可控；晶格缺陷多 • 基本原理：杂质原子经高能粒子轰击离子化后经电场加速
1
扩散工艺主要参数
• 结深：当用与衬底导电类型相反的杂质进行扩散时，在硅
片内扩散杂质浓度与衬底原有杂质浓度相等的地方就形成 了pn结，结距扩散表面的距离叫结深。