2.3.4　半导体中的掺杂

半导体材料的独特性质之一是它们的导电性和导电类型（N型或P型）都能被控制，结（Junction）是富含电子的区域（N型区）与富含空穴的区域（P型区）的分界处，结的具体位置是电子浓度和空穴浓度相同的地方。在半导体晶圆表面形成结的方法通常是热扩散（Diffusion）或离子注入（Ion Implantation）。通过热扩散，掺杂材料被引入晶圆顶层暴露的表面，并散布在晶圆内；在离子注入中，掺杂材料被射入晶圆表面，其中大部分掺杂原子静止于表面层下。

扩散工艺：扩散是一种材料通过另一种材料的运动，是自然的化学过程。扩散的发生需要两个条件，一是一种材料的浓度必须高于另一种材料的浓度；二是系统内部必须有足够的能量使高浓度材料进入或通过其他材料。在半导体晶圆中应用固态热扩散工艺（Solid-State Thermal Diffusion）形成结需要两步，第一步为淀积（Deposition），第二步为推进氧化（Drive-in-Oxidation），两步都在卧式或立式炉管中进行。

由于一般施主或受主杂质原子的半径都比较大，它们要直接进入半导体晶格的间隙中较为困难，只有当晶圆中出现晶格空位时，杂质原子才有可能占据这些空位，并进入晶圆。为了使晶圆中产生大量晶格空位，必须对其进行加热，令原子的热运动加剧，使某些原子获得足够高的能量而离开并留下空位（同时产生等量的间隙原子，将空位和间隙原子统称为热缺陷）。因此，原子的扩散系数随温度的升高而增加。对于硅来说，在其中形成大量空位所需要的温度为1000℃左右，该温度为热扩散温度。MEMS生产中的扩散指所需要的杂质在一定条件下对硅（或其他衬底）的掺杂，如在硅中掺磷、硼等。从广义上讲，氧化与退火也属于扩散，前者指氧气在二氧化硅中的扩散，后者指杂质在硅（或其他衬底）中的扩散，其目的是改变原材料的电学特性或化学特性。

离子注入工艺：离子注入消除了扩散的限制，也提供了额外优势。在离子注入过程中没有侧向扩散，在室温下进行，杂质原子被置于晶圆下表面，使大范围的掺杂成为可能，可以加强对掺杂的位置和数量的控制。

离子注入是物理过程，其采用与扩散相同的杂质，在扩散中，杂质为液态、气态或固态材料；在离子注入中，只采用气态或固态材料。为了方便使用和控制，离子注入倾向于使用气态材料，包括砷烷（AsH3）、磷烷（PH3）和三氟硼烷（BF3）。离子注入机如图2-11所示。离子源发射离子后，根据离子的电荷—质量比，将磁场调节到适当值，使离子偏转，形成准直射束。这些离子在加速管中被电场加速至具有所需能量，利用X扫描板和Y扫描板对其进行扫描后，撞击放置在法拉第杯中的晶圆。

离子注入的几个关键概念如下。

（1）离子种类：指注入晶圆的离子类别，如1B+、11B++、14N+、31P+、31P++、121Sb+、115In+、75As+、28Si+等，这些离子不是原来就以这种形式存在并直接注入晶圆的，而是将不同的化学物质（如BF3、N2、PH3、Sb2O3、InF3、AsH3、SiF4等）电离后通过质量分析磁场及能量分析磁场筛选得到的。

（2）能量：指离子注入晶圆时的能量，该能量通过萃取电场将离子加速获得。常用单位是keV和MeV。对于一种确定的离子来说，能量决定了杂质注入的位置，能量越髙，注入越深。但是对于不同的离子来说，原子质量不同、注入能量相同时会得到不同的杂质分布。有时为了获得更高的能量，会采用双价或更高价态的离子；但在能量较低的情况下，只能用单价离子或离子团，以减小注入深度。

（3）注入剂量：离子注入机在整个注入过程中会一直测算注入剂量，一旦注入剂量达到预设值，离子注入机就会自动终止注入。需要注意，注入剂量和最终晶圆中离子的浓度不同，注入计量是晶圆中离子浓度沿晶圆深度的无限积分。

（4）注入角度：指经过加速的离子注入晶圆的角度，常用的有倾斜角和扭转角。倾斜角是电流束与晶圆表面法线的夹角，扭转角是电流束在晶圆表面的投影与晶圆表面参考线的夹角。

（5）电流束：指在单位时间和单位面积内通过的离子数量，该值直接决定了离子注入的时间。当注入剂量恒定时，电流束越大，离子注入越快，但对机台状态和性能的要求越高。

MEMS中涉及的离子注入工艺是在高真空的复杂系统中，将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程，注入能量为1keV～1MeV，注入深度平均可达10nm～10μm，粒子在硅片中的浓度即为杂质离子浓度，符合高斯分布，则有

式中：φ为注入剂量，x为注入深度，Rp为平均投影射程，∆Rp为投影射程的平均标准偏差。离子注入浓度分布的最大浓度Nmax为

为了使施主或受主杂质原子进入晶圆，需要将杂质原子电离成离子，并通过强电场加速使其获得较大动能，然后直接轰击晶圆并注入。采用离子注入工艺进行掺杂时，必然会产生许多晶格缺陷，也会有一些原子处在间隙中。因此，还需要对半导体进行退火处理，以消除晶格缺陷并“激活”杂质。

离子注入工艺可以精确控制杂质的剂量、深度和均匀程度，由于采用低温工艺（可防止杂质再扩散），还可以实现自对准（减弱电容效应）。

与传统的扩散工艺相比，离子注入工艺有以下特点。

（1）杂质浓度分布不同，离子注入工艺的杂质浓度峰值出现在晶圆内部，扩散工艺的杂质浓度峰值出现在晶圆表面。

（2）离子注入工艺在常温甚至低温下进行，时间较短，而扩散工艺需要进行较长时间的高温处理。

（3）离子注入工艺能更灵活地选择注入元素。

（4）由于杂质会被热扩散影响，离子注入工艺形成的波形比扩散工艺的波形好。

（5）离子注入工艺通常只采用光刻胶作为掩膜，而扩散工艺需要淀积一定厚度的薄膜作为掩膜。

（6）离子注入工艺在集成电路制造和MEMS工艺中已经基本取代了扩散工艺，成为最主要的掺杂工艺。