半导体之离子注入工艺简介

简介

半导体材料最重要的特性之一是导电率可以通过掺杂物控制。集成电路制造过程中，半导体材料（如硅、错或1E-V族化合物砷化镓）不是通过N型掺杂物就是利用P型掺杂物进行掺杂。一般通过两种方法进行半导体掺杂:扩散和离子注入。20世纪70年代之前，一般应用扩散技术进行掺杂；目前的掺杂过程主要通过离子注入实现。

离子注入是一种添加工艺，利用高能量带电离子束注入的形式，将掺杂物原子强行掺入半导体中。这是半导体工业中的主要掺杂方法，在集成电路制造中一般用于各种不同的掺杂过程。下图显示了集成电路制造过程中的离子注入工艺与其他工艺的关系。

离子注入技术发展史

纯的单晶硅具有很高的电阻率，越纯的晶体，电阻率就越高。晶体的导电率可以通过掺入掺杂物改变，例如硼（B）、磷（P）、砷（As）或镓（Sb）。硼是一种P型掺杂物，只有三个电子在最

外层的轨道（价电子壳层）上。当硼原子取代单晶硅晶格内的硅原子时，将会提供一个空穴。空穴可以携带电流，作用如同一个正电荷。磷、砷和锑原子有五个电子在价电子壳层上，所以它们能在单晶硅内提供一个电子传导电流。因为电子带有一个负电荷，P、As或Sb称为N型掺杂物，具有这些掺杂物的半导体称为N型半导体。

20世纪70年代中期之前，掺杂是在高温炉中通过扩散过程完成的。无论高温炉是否作为扩散或其他用途（如氧化或热退火），放置高温炉的区域称为扩散区，高温炉称为扩散炉。目前先进的集成电路生产中只有少数的扩散掺杂过程，而高温炉主要用在氧化和热退火工艺中。然而集成电路生产中的高温炉区域仍称为扩散区，高温炉仍称为扩散炉。

扩散过程一般需要以下几个过程。通常在预沉积过程中将氧化掺杂物薄层沉积在晶圆表面，然后用一次氧化步骤将氧化掺杂物掺入生长的二氧化硅中，并且在靠近硅与二氧化硅界面的硅衬底表面形成高浓度的掺杂物区。高温离子掺杂过程是将掺杂物原子扩散进入硅衬底达到设计要求的深度。所有这三道工序（预沉积、氧化和掺杂物高温驱入）都是高温过程，通常在高温炉中进行。当掺杂物扩散后，氧化层就用湿法刻蚀去除。下图说明了扩散的掺杂过程。

加热扩散的物理原理众所皆知，工艺工具相当简单且不昂贵，然而扩散过程有一些主要的限制。例如，掺杂物浓度和结深无法独立控制，因为这两项都与扩散温度密切相关。另一个主要的缺点是掺杂物的分布轮廓是等向性的，由扩散过程的自然特性造成。

审核编辑：刘清