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

　　摻雜，是将一定數量的雜質摻入到半導體材料的工藝，是為了改變半導體材料的電學特性，從而得到所需的電學參數。我們也經常會聽到通過改善哪兒哪兒的摻雜濃度來優化某些性能的說法。

　　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，擴散可應用于形成深結，離子注入可形成淺結。

　　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：

　　下面我們就分别來聊聊擴散和離子注入這兩種摻雜方式。

　　一、擴散

　　雜質擴散一般是将半導體晶片放入精确控制的高溫石英管爐中，通過帶有需擴散雜質的混合氣體而完成，擴散進入半導體的雜質原子數目和混合氣體的雜質分壓有關。對于矽的擴散而言，常用的溫度範圍一般在800℃~1200℃，硼是最常用的p型雜質，砷和磷是最常用的n型雜質。這三種元素在矽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構圖：

　　通過氧化反應将磷還原出來并擴散到矽中，而生成的Cl2則被排出。涉及到的反應方程式如下：

　　4POCl3 3O2→2P2O3 6Cl2

　　2P2O5 5Si→4P 5SiO3

　　雜質在半導體中擴散我們可以看成是雜質原子在晶格中以空位或間隙原子形式進行移動。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

　　空心圓表示在晶格平衡位置的基質原子，紅色實心圓表示雜質原子。在高溫下，晶格原子在格點平衡位置附近震動，基質原子有一定的幾率獲得足夠的能量從而脫離格點成為間隙原子，産生一個空位，此時鄰近的雜質原子就可以占據這個空位，這就是替代式擴散，也叫空位擴散。

　　■填隙式擴散機制

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

　　雜質原子的擴散分布和它初始的條件及邊界有關。這裡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源的表面濃度都是保持恒定的；另一種叫有限源擴散，即将一定量的雜質澱積在半導體的表面，接着向半導體内擴散，過程中不再施加任何雜質源。

　　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澱積擴散層，然後再在有限源擴散的條件下進行主擴散，能夠更好更精确地得到擴散分布。

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

　　以上隻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，那麼離子注入則有點暴力了。從下圖(C代表摻雜濃度，x是半導體距離表面的深度)中我們可以看到，摻雜分布再半導體内呈現峰值分布，分布的形狀主要取決于摻雜離子的質量以及注入時離子所帶有的能量。

　　離子注入是将具有一定能量的帶電離子摻入到矽中，注入能量再1keV到1MeV之間，對應的平均離子分布深度範圍是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摻入量得到較為精準的控制，保持好的重複性，同時離子注入的加工工藝溫度比擴散低。

　　注入相關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：

　　①多次注入來形成特殊分布；

　　②選擇适當掩蔽材料和厚度，來阻擋一定比例的入射離子進入襯底；

　　③傾斜角度注入，來形成超淺結；

　　④高能注入以形成埋層；

　　⑤大電流注入用于擴散技術中的預澱積、阈值電壓調整以及對SOI應用而言形成的絕緣層(SOI：Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的矽，該技術是在頂層矽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的框架圖：

　　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，引導這些帶電離子移出離子源腔體并進入磁分析器。我們可以通過設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。狹縫則是用來确保離子束不會走偏。注入系統内的氣壓維持在低于十的負四次方帕以下，使得由氣體分子引起的離子散射降至最低，再利用靜電偏轉闆使這些離子束掃描整個晶片表面并注入半導體襯底。

　　高能離子在進入半導體之後，最後會停在晶格内的一定深度。離子注入帶來的負面影響主要是由于離子碰撞而導緻的半導體晶格斷裂或者損傷，所以必須在後續的流程中進行退火處理，來消除這種損傷。

　　由于高能離子注入之後帶來的晶格損傷，會使得半導體的遷移率和壽命等參數受到較為嚴重的影響，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複遷移率等相關參數，必須在适當的時間和溫度下将半導體退火。

　　來源：功率半導體那些事兒

　　*免責聲明：本文由作者原創。文章内容系作者個人觀點，泰科天潤半導體轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表泰科天潤半導體對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系泰科天潤半導體。

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