半導(dǎo)體器件的摻雜其實就像做飯一樣，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，是將一定數(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(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，并且兩者可以說是互補的，比如說，擴(kuò)散可應(yīng)用于形成深結(jié)，離子注入可形成淺結(jié)。


晶圓擴(kuò)散的定義

擴(kuò)散指的是材料通過另一種材料的運動而發(fā)生的一種自然的化學(xué)反應(yīng)，這在日常生活中也有很多例子。

例如，我們熟知的充氣噴霧罐就是一個擴(kuò)散過程的例子。當(dāng)噴霧罐中的物質(zhì)，受到壓力噴出時，這種擴(kuò)散運動就開始了。只要噴霧罐內(nèi)部的濃度，高于外部空氣的濃度，這種擴(kuò)散過程就會一直繼續(xù)。

晶圓要經(jīng)過高溫過程，這使得雜質(zhì)運動，例如在離子注入后的退火工藝過程?；蛘弋?dāng)雜質(zhì)進(jìn)入晶圓后，就必須保持它們的運動。因此，我們必須研究這些運動，還有制造技術(shù)的設(shè)計原則，滿足我們的工藝制作需求。

擴(kuò)散源能夠是淀積過程中不期望的雜質(zhì)，也能夠是沾污帶來的雜質(zhì)。此外，擴(kuò)散源也能夠是多種元素的化合物。

例如氧化銳、三氧化二碑、三氧化神、三氯氧磷、五氧化二磷、磷化氫、三氧化二硼、六氫化二硼、三氯化硼、氮化硼等。其中，金是固態(tài)（蒸發(fā)）元素。而其他元素的形態(tài)隨擴(kuò)散源的不同而有所區(qū)別。

一些擴(kuò)散步驟之后，就會在專用的電路芯片上，來進(jìn)行測試，先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行電子測試，獲得結(jié)的數(shù)據(jù)。如果硼的雜質(zhì)為P型，則會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。

為了實現(xiàn)更小的特征圖形尺寸和更近的電路器件間距，需要離子注入技術(shù)。

另外一個高溫問題，就是晶體容易出現(xiàn)損傷，每次對晶圓進(jìn)行升溫、降溫的操作，都會發(fā)生位錯導(dǎo)致的晶體出現(xiàn)損傷。MOS晶體管的發(fā)展，也帶來了兩個新的問題：那就是如何才能做到低摻雜濃度控制，還有如何才能實現(xiàn)超淺結(jié)。如果廠家想要生產(chǎn)出高效的MOS晶體管，那么在柵區(qū)的摻雜濃度，就必須小于1這個數(shù)值。

然而，由于擴(kuò)散工藝難以達(dá)到這一水平的一致性，即便對晶體管按比例縮小，也需要具有更淺的源漏區(qū)結(jié)深度。


離子注入技術(shù)

離子注入與擴(kuò)散是兩個不同的過程，離子注入有很多優(yōu)勢，其中一個是可選的材料范圍更廣，能夠注入硅、鍺等元素。使用質(zhì)量流量計來控制氣體流量，能夠提供比正常流量更準(zhǔn)確的氣體流量控制。設(shè)計生產(chǎn)級的離子注入機需要滿足多品種摻雜劑、注入的均勻性、污染小、可生產(chǎn)性等級等要求。

離子注入技術(shù)的過程，發(fā)生在一個含有活性蒸汽的離化反應(yīng)室中，反應(yīng)室保持著大約10托的低壓狀態(tài)（真空條件）。在反應(yīng)室內(nèi)，一個帶負(fù)電的電子從燈絲發(fā)射出并被陽極吸引，電子經(jīng)過磁場的作用會繞成一個弧形運動。

在某些情況下，分析過程不能完全消除一些質(zhì)量干擾和原子的能量差異，這些離子可能會進(jìn)入晶圓并產(chǎn)生不良影響。

我們利用負(fù)電荷之間，有互相吸引這個特性，就能夠?qū)崿F(xiàn)速度加速管直線型的設(shè)計方案，沿軸安裝有環(huán)形電極。讓每個電極上，都攜帶負(fù)電荷，電荷量就會沿加速管的方向，不地升高。由此可見電荷量的數(shù)值越高，它們移動的速度就會越快，離子入射的位置就越深。

低能離子規(guī)定的電壓范圍：在5~10keV之間，高能離子的電壓范圍：在0.2~2.5MeV之間。（單位：統(tǒng)一為百萬電子伏特）。

離子束流直徑比晶圓小得多（約為1cm）。掃描束流時可采用3種方法：束流掃描、機械掃描和快門，可采用任意一種或多種組合。

束流掃描的系統(tǒng)使束流通過多個靜電場電極板。電極板的正負(fù)電性如何調(diào)整，能夠通過控制、吸引、或者是排斥粒子束流來實現(xiàn)。

我們采用控制兩個方向上的電性，輕松就可達(dá)到束流以光欄掃描方式，掃過目標(biāo)晶圓的目的。

機械掃描這種方法，主要適合使用高束流的機器。最大的優(yōu)點就是無需耗費過多的是時間，來扭轉(zhuǎn)束流，同時束流速度也能保持恒定數(shù)值。

首先，晶圓必須被放置于靶室并進(jìn)行真空抽取；其次，晶圓必須一個接一個地放入固定器中進(jìn)行注入；注入完成后，晶圓需要被取出并放入片架盒中，隨后從靶室中移出。

離子注入相對于擴(kuò)散的優(yōu)點？

1，離子注入能夠非常準(zhǔn)確地控制注入離子的深度和濃度。通過調(diào)整注入的能量，可以控制離子的滲透深度，而通過調(diào)整注入時間或束流，可以控制注入劑量。

2，離子注入可以使用幾乎任何類型的摻雜雜質(zhì)，而有些雜質(zhì)的摻雜無法通過擴(kuò)散的方式來實現(xiàn)。

3，離子束可以聚焦到非常細(xì)小的區(qū)域上，它可以按照預(yù)先設(shè)定的路徑在硅片上移動。在某些產(chǎn)品中，有時不需要在整個硅片上均勻地注入離子，而是只需要在特定的圖案注入，這樣一來，離子注入引入雜質(zhì)的方法就很精準(zhǔn)和方便。

4，與擴(kuò)散摻雜等需要高溫的方法相比，離子注入可以在相對低的溫度下進(jìn)行（125℃以下）。這樣就避免了高溫對于器件影響。


離子注入用什么做掩膜？

光刻膠：在低能離子注入中表現(xiàn)良好，因為低能離子不容易穿透光刻膠。但在高能離子注入中，可能需要更厚的光刻膠或其他類型掩膜材料來確保有效的阻擋。

SiO?，Si?N?：常用的掩膜材料，具有良好的離子阻擋特性。

金屬：薄的鋁或鈦可以作掩膜。


雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響

雜質(zhì)在未電離時，均為電中性。電離后，施主失去電子帶正電，受主得到電子帶負(fù)電。摻入施主后，半導(dǎo)體內(nèi)電子載流子數(shù)目大于空穴載流子，摻入受主的影響則與之相反。

不過，根據(jù)電離程度的高低，以N型半導(dǎo)體為例，可大致將電離情況分為以下幾類：


（1）低溫電離區(qū)

當(dāng)溫度很低時，只發(fā)生少量的雜質(zhì)電離，只有少量施主雜質(zhì)電子進(jìn)入導(dǎo)帶，這種情況稱為弱電離。此種情形下，從價帶依靠本征激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶的電子數(shù)更少，可忽略不計。也就是說，導(dǎo)帶中的電子可近似認(rèn)為全部由電離施主雜質(zhì)提供。

相關(guān)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)表明，低溫弱電離區(qū)費米能級與溫度、雜質(zhì)濃度級雜質(zhì)種類有關(guān)，其隨溫度的升高線增加后降低。載流子濃度隨溫度的升高而指數(shù)增加。

（2）中間電離區(qū)

隨著溫度的繼續(xù)升高，費米能級下降，當(dāng)溫度升高使得費米能級與雜質(zhì)能級相等時， ）exp((ED?EF)/k0T）=1exp((E_{D}-E_{F})/k_{0}T）=1 ，施主雜質(zhì)有三分之一電離。


（3）強電離區(qū)

當(dāng)溫度升高至大部分雜質(zhì)都電離的時稱為強電離，此時 nD+≈NDn_{D}^{+}\approx N_{D} ，費米能級低于雜質(zhì)能級。當(dāng)施主雜質(zhì)全部電離，電子濃度 n0=NDn_{0}= N_{D} ，此時，載流子濃度與溫度無關(guān)。載流子濃度保持等于雜質(zhì)濃度的這一溫度范圍稱為飽和載流子。


（4）過渡區(qū)

當(dāng)半導(dǎo)體處于飽和區(qū)和完全本征激發(fā)之間時稱為過渡區(qū)。此時，導(dǎo)帶電子一部分來源于全部電離的雜質(zhì)，另一部分由本征激發(fā)提供。


（5）高溫本征激發(fā)區(qū)

溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)所產(chǎn)生的本征載流子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于雜質(zhì)電離產(chǎn)生的載流子數(shù)。這種情況于未摻雜的本征半導(dǎo)體類似，稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體進(jìn)入本征激發(fā)區(qū)。

當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度發(fā)生變化，其導(dǎo)電性質(zhì)也會發(fā)生改變。而為了保證半導(dǎo)體器件在一定溫度范圍內(nèi)的性能穩(wěn)定性，一般希望在該溫度范圍內(nèi)半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度不隨溫度變化。而能滿足這一要求的只有當(dāng)雜質(zhì)電離位于強電離區(qū)，即載流子濃度等于電離雜質(zhì)濃度，且維持飽和不變的情形。這也是摻雜半導(dǎo)體能得以廣泛應(yīng)用的另一重要原因。