前面我們聊了半導(dǎo)體的光刻工藝，今天我們來聊聊半導(dǎo)體器件的摻雜。就像做飯一樣，需要放入各種調(diào)料才能做出色香味俱全，放多了會咸，放少了不入味兒；摻雜就相當(dāng)于半導(dǎo)體中“添油加醋”的過程和目的。

　　摻雜，是將**數(shù)量的雜質(zhì)摻入到半導(dǎo)體材料的工藝，是為了改變半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性，從而得到所需的電學(xué)參數(shù)。我們也經(jīng)常會聽到通過改善哪兒哪兒的摻雜濃度來優(yōu)化某些性能的說法。

　　摻雜的方法主要有擴散和離子注入，兩種方法在分立器件或集成電路中都有用得到，并且兩者可以說是互補的，比如說，擴散可應(yīng)用于形成深結(jié)，離子注入可形成淺結(jié)。

　　下面的示意圖是擴散和離子注入，主要是摻雜濃度的分布有些不同：

　　下面我們就分別來聊聊擴散和離子注入這兩種摻雜方式。

　　一、擴散

　　雜質(zhì)擴散一般是將半導(dǎo)體晶片放入精確控制的高溫石英管爐中，通過帶有需擴散雜質(zhì)的混合氣體而完成，擴散進(jìn)入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子數(shù)目和混合氣體的雜質(zhì)分壓有關(guān)。對于硅的擴散而言，常用的溫度范圍一般在800℃~1200℃，硼是最常用的p型雜質(zhì)，砷和磷是最常用的n型雜質(zhì)。這三種元素在硅中的固溶度都比較高，采用的摻入形式有：固相源(如BN、As2O3、P2O5)、液相源(BBr3、AsAl和POCl3)以及汽相源(B2H6、AsH3和PH3)，這三種形式之中，液相源使用得最為廣泛，下圖是液相源石英管爐的結(jié)構(gòu)圖：

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　　通過氧化反應(yīng)將磷還原出來并擴散到硅中，而生成的Cl2則被排出。涉及到的反應(yīng)方程式如下：

　　4POCl3+3O2→2P2O3+6Cl2

　　2P2O5+5Si→4P+5SiO3

　　雜質(zhì)在半導(dǎo)體中擴散我們可以看成是雜質(zhì)原子在晶格中以空位或間隙原子形式進(jìn)行移動。下面我們介紹兩種擴散機制：替代式擴散機制和填隙式擴散機制。

　　■替代式擴散機制

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　　空心圓表示在晶格平衡位置的基質(zhì)原子，紅色實心圓表示雜質(zhì)原子。在高溫下，晶格原子在格點平衡位置附近震動，基質(zhì)原子有**的幾率獲得足夠的能量從而脫離格點成為間隙原子，產(chǎn)生一個空位，此時鄰近的雜質(zhì)原子就可以占據(jù)這個空位，這就是替代式擴散，也叫空位擴散。

　　■填隙式擴散機制

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　　如圖，如果間隙雜質(zhì)原子從一個位置運動到另一個位置而且還不占據(jù)格點，我們叫這種為填隙式擴散，一般在雜質(zhì)原子相對于基質(zhì)原子較小時采用這種運動。

　　雜質(zhì)原子的擴散分布和它初始的條件及邊界有關(guān)。這里簡單介紹兩種擴散方法，一種是恒定源擴散，從名字我們就知道整個擴散過程雜質(zhì)源的表面濃度都是保持恒定的；另一種叫有限源擴散，即將**量的雜質(zhì)淀積在半導(dǎo)體的表面，接著向半導(dǎo)體內(nèi)擴散，過程中不再施加任何雜質(zhì)源。

　　一般我們在集成電路工藝中采用兩步擴散方法：首先在恒定源擴散條件下形成預(yù)淀積擴散層，然后再在有限源擴散的條件下進(jìn)行主擴散，能夠更好更精確地得到擴散分布。

　　擴散工藝結(jié)果我們一般會通過特殊的測試方法來評估，有下面三種：結(jié)深法、薄層電阻法(四探針方法測)和擴散層的雜質(zhì)分布(電容電壓法，二次離子質(zhì)譜法SIMS)。

　　以上只是簡單地聊了下擴散的概念以及幾種擴散機制和方法，都是比較淺的，深入的那些大家有興趣可以區(qū)深挖一下。下面我們再來聊聊離子注入~

　　二、離子注入

　　開篇我們給出了擴散和離子注入的兩張圖，如果說擴散比較溫柔的話，那么離子注入則有點暴力了。從下圖(C代表摻雜濃度，x是半導(dǎo)體距離表面的深度)中我們可以看到，摻雜分布再半導(dǎo)體內(nèi)呈現(xiàn)峰值分布，分布的形狀主要取決于摻雜離子的質(zhì)量以及注入時離子所帶有的能量。

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　　離子注入是將具有**能量的帶電離子摻入到硅中，注入能量再1keV到1MeV之間，對應(yīng)的平均離子分布深度范圍是10nm到10um之間。相對于擴散工藝，離子注入的主要好處是能夠使得雜質(zhì)摻入量得到較為精準(zhǔn)的控制，保持好的重復(fù)性，同時離子注入的加工工藝溫度比擴散低。

　　注入相關(guān)的工藝一般有下面幾種：多次注入、掩蔽層、傾斜角注入、高能注入以及大電流注入等。

　　■離子注入的幾點用途作用：

　?、俣啻巫⑷雭硇纬商厥夥植?；

　?、谶x擇適當(dāng)掩蔽材料和厚度，來阻擋**比例的入射離子進(jìn)入襯底；

　?、蹆A斜角度注入，來形成超淺結(jié)；

　?、芨吣茏⑷胍孕纬陕駥樱?/span>

　?、荽箅娏髯⑷胗糜跀U散技術(shù)中的預(yù)淀積、閾值電壓調(diào)整以及對SOI應(yīng)用而言形成的絕緣層(SOI：Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅，該技術(shù)是在頂層硅和背襯底之間引入了一層埋氧化層)。

　　■下面是一個中等能量離子注入系統(tǒng)的框架圖：

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　　離子源通過加熱分解源氣體，使其成為帶電離子，加上約40KV的電壓，引導(dǎo)這些帶電離子移出離子源腔體并進(jìn)入磁分析器。我們可以通過設(shè)定磁分析器的磁場強弱來使得符合要求的離子通過。被選中的離子進(jìn)入加速管，離子在高壓下被加速，從而獲得注入時所需的能量。狹縫則是用來確保離子束不會走偏。注入系統(tǒng)內(nèi)的氣壓維持在低于十的負(fù)四次方帕以下，使得由氣體分子引起的離子散射降至**，再利用靜電偏轉(zhuǎn)板使這些離子束掃描整個晶片表面并注入半導(dǎo)體襯底。

　　高能離子在進(jìn)入半導(dǎo)體之后，**會停在晶格內(nèi)的**深度。離子注入帶來的負(fù)面影響主要是由于離子碰撞而導(dǎo)致的半導(dǎo)體晶格斷裂或者損傷，所以必須在后續(xù)的流程中進(jìn)行退火處理，來消除這種損傷。

　　由于高能離子注入之后帶來的晶格損傷，會使得半導(dǎo)體的遷移率和壽命等參數(shù)受到較為嚴(yán)重的影響，同時，在注入時大部分的離子并不是在替位的位置，為了激活注入離子并恢復(fù)遷移率等相關(guān)參數(shù)，必須在適當(dāng)?shù)臅r間和溫度下將半導(dǎo)體退火。

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