前面我們聊了半導(dǎo)體的光刻工藝，今天我們來(lái)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(huì)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(guò)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(huì)聽到通過(guò)改善哪兒哪兒的摻雜濃度來(lái)優(yōu)化某些性能的說(shuō)法。

　　摻雜的方法主要有擴(kuò)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(shuō)是互補(bǔ)的，比如說(shuō)，擴(kuò)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(kuò)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(lái)聊聊擴(kuò)散和離子注入這兩種摻雜方式。

　　一、擴(kuò)散

　　雜質(zhì)擴(kuò)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(guò)帶有需擴(kuò)散雜質(zhì)的混合氣體而完成，擴(kuò)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(duì)于硅的擴(kuò)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：

　　通過(guò)氧化反應(yīng)將磷還原出來(lái)并擴(kuò)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(kuò)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(dòng)。下面我們介紹兩種擴(kuò)散機(jī)制：替代式擴(kuò)散機(jī)制和填隙式擴(kuò)散機(jī)制。

　　■替代式擴(kuò)散機(jī)制

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

　　■填隙式擴(kuò)散機(jī)制

　　如圖，如果間隙雜質(zhì)原子從一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位置而且還不占據(jù)格點(diǎn)，我們叫這種為填隙式擴(kuò)散，一般在雜質(zhì)原子相對(duì)于基質(zhì)原子較小時(shí)采用這種運(yùn)動(dòng)。

　　雜質(zhì)原子的擴(kuò)散分布和它初始的條件及邊界有關(guān)。這里簡(jiǎn)單介紹兩種擴(kuò)散方法，一種是恒定源擴(kuò)散，從名字我們就知道整個(gè)擴(kuò)散過(guò)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(kuò)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(kuò)散，過(guò)程中不再施加任何雜質(zhì)源。

　　一般我們?cè)诩呻娐饭に囍胁捎脙刹綌U(kuò)散方法：首先在恒定源擴(kuò)散條件下形成預(yù)淀積擴(kuò)散層，然后再在有限源擴(kuò)散的條件下進(jìn)行主擴(kuò)散，能夠更好更精確地得到擴(kuò)散分布。

　　擴(kuò)散工藝結(jié)果我們一般會(huì)通過(guò)特殊的測(cè)試方法來(lái)評(píng)估，有下面三種：結(jié)深法、薄層電阻法(四探針?lè)椒y(cè))和擴(kuò)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(jiǎn)單地聊了下擴(kuò)散的概念以及幾種擴(kuò)散機(jī)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?cè)賮?lái)聊聊離子注入~

　　二、離子注入

　　開篇我們給出了擴(kuò)散和離子注入的兩張圖，如果說(shuō)擴(kuò)散比較溫柔的話，那么離子注入則有點(diǎn)暴力了。從下圖(C代表?yè)诫s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(shí)離子所帶有的能量。

　　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(duì)應(yīng)的平均離子分布深度范圍是10nm到10um之間。相對(duì)于擴(kuò)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(shí)離子注入的加工工藝溫度比擴(kuò)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(diǎn)用途作用：

　　①多次注入來(lái)形成特殊分布；

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

　?、蹆A斜角度注入，來(lái)形成超淺結(jié)；

　　④高能注入以形成埋層；

　?、荽箅娏髯⑷胗糜跀U(kuò)散技術(shù)中的預(yù)淀積、閾值電壓調(diào)整以及對(duì)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(gè)中等能量離子注入系統(tǒng)的框架圖：

　　離子源通過(guò)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(guò)設(shè)定磁分析器的磁場(chǎng)強(qiáng)弱來(lái)使得符合要求的離子通過(guò)。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(shí)所需的能量。狹縫則是用來(lái)確保離子束不會(huì)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(gè)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(huì)停在晶格內(nèi)的**深度。離子注入帶來(lái)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(lái)消除這種損傷。

　　由于高能離子注入之后帶來(lái)的晶格損傷，會(huì)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(shí)，在注入時(shí)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(shí)間和溫度下將半導(dǎo)體退火。

　　來(lái)源：功率半導(dǎo)體那些事兒

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