原位摻雜、擴散和離子注入的相關原理及其區別介紹

半導體改變電阻率的方式有三種，原位摻雜、擴散和離子注入，這三種方式分別過程如何，有何區別呢？

原位摻雜

原位摻雜是半導體材料摻雜的最有效方法是在材料生長過程中進行。在材料的高溫生長過程中雜質進入對晶體結構并沒有損傷，而且雜質同時被激活，避免了后期的退火工藝和大的熱預算。只有完整覆蓋的薄膜材料比較容易使用這種方法。

硅烷(SiH4)是最常用的反應氣體，二氯甲硅烷(SiH2Cl2)和四氯化硅(SiCl4)偶爾也被使用。在硅片表面，硅烷分解成硅原子和氫氣。

圖 原位摻雜與電阻率關系

在化學氣相淀積過程中，通過在反應物質流中加入合適的雜質源氣體，就可以在多晶硅生長的過程中進行原位摻雜。三氯氧化磷(POCl3)是液態材料但可以采用惰性氣體以蒸氣的方式攜帶進入反應裝置，它被作為CVD系統中的磷雜質源。乙硼烷(B2H6)砷化三氫(AsH3)以及磷化氫(PH3)都是氣態材料可被引入反應裝置分別作為硼、砷和磷的雜質源。通常雜質流只占硅烷的百分之幾，為了安全起見還經常對雜質氣源進行稀釋(例如，用氮氣將PH3稀釋到2%)。

擴散

在半導體和MEMS技術領域，擴散工藝主要是對于整個薄膜摻雜或對于局部摻雜形成所需的摻雜區。該工藝主要利用高溫下雜質由高濃度區向低濃度區的熱擴散實現，硅材料的工藝溫度通常大于900°C。

圖 擴散過程示意圖

氣相擴散：在早期的半導體技術中，氣相擴散工藝被廣泛地應用，但現在已經很少了，原因是這個工藝需要使用有毒氣體。雜質原子由適當的氣體攜帶，例如磷化氫、乙硼烷POCl3、BCl3等， 通入有襯底材料的高溫擴散爐。

固相擴散：可以利用在待摻雜襯底上制作的薄膜材料作為雜質源，這些薄膜經常是含有硼或磷的玻璃材料。含磷或含硼的玻璃薄膜應用LPCVD設備，采用低壓硅烷和摻有少量PH3或B2H6的進行淀積(溫度大約為400°C氣壓為300mTorr)。因為高雜質濃度的玻璃容易吸濕不利于使用，因此含硼或磷的玻璃中典型雜質水平為4~7wt%。

在硅器件平面工藝中，常采用“兩步擴散”工藝。

第一步采用恒定表面源擴散的方式，在硅片表面淀積一定數量的雜質原子。由于擴散溫度較低，擴散時間較短，雜質原子在硅片表面的擴散深度極淺，如同淀積在表面，通常稱為“預淀積”。

第二步是把經預淀積的硅片放入另一擴散爐內加熱，使雜質向硅片內部擴散，重新分布，達到所要求的表面濃度和擴散深度。所以，這一步是有限表面源擴散，常稱為“再分布”。

離子注入

離子注入是一種將高能離子射入半導體襯底材料的摻雜工藝。離子注入工藝比傳統的高溫擴散工藝更為便利。由于掩膜不需要經受高溫，因此有多種多樣的掩膜材料可以被選擇。由于離子注入會引起晶格損傷，所以必須通過熱退火工藝修復晶格，同時也能實現雜質原子的激活。

圖 離子注入過程示意圖

與擴散方法不同，因為直接與雜質源接觸，擴散方法中最高的雜質濃度位于表面，而離子注入工藝可以方便地將雜質送到襯底表面以下，易于實現諸如埋溝器件這樣的結構。只要能量足夠高，離子也能夠穿越表面結構。離子注入所提供的對于雜質濃度和雜質分布的獨特控制能力是基本擴散工藝所不可能具備的。

審核編輯：劉清