半導(dǎo)體之離子注入工藝簡介

簡介

半導(dǎo)體材料最重要的特性之一是導(dǎo)電率可以通過摻雜物控制。集成電路制造過程中，半導(dǎo)體材料（如硅、錯或1E-V族化合物砷化鎵）不是通過N型摻雜物就是利用P型摻雜物進(jìn)行摻雜。一般通過兩種方法進(jìn)行半導(dǎo)體摻雜:擴散和離子注入。20世紀(jì)70年代之前，一般應(yīng)用擴散技術(shù)進(jìn)行摻雜；目前的摻雜過程主要通過離子注入實現(xiàn)。

離子注入是一種添加工藝，利用高能量帶電離子束注入的形式，將摻雜物原子強行摻入半導(dǎo)體中。這是半導(dǎo)體工業(yè)中的主要摻雜方法，在集成電路制造中一般用于各種不同的摻雜過程。下圖顯示了集成電路制造過程中的離子注入工藝與其他工藝的關(guān)系。

離子注入技術(shù)發(fā)展史

純的單晶硅具有很高的電阻率，越純的晶體，電阻率就越高。晶體的導(dǎo)電率可以通過摻入摻雜物改變，例如硼（B）、磷（P）、砷（As）或鎵（Sb）。硼是一種P型摻雜物，只有三個電子在最

外層的軌道（價電子殼層）上。當(dāng)硼原子取代單晶硅晶格內(nèi)的硅原子時，將會提供一個空穴。空穴可以攜帶電流，作用如同一個正電荷。磷、砷和銻原子有五個電子在價電子殼層上，所以它們能在單晶硅內(nèi)提供一個電子傳導(dǎo)電流。因為電子帶有一個負(fù)電荷，P、As或Sb稱為N型摻雜物，具有這些摻雜物的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。

20世紀(jì)70年代中期之前，摻雜是在高溫爐中通過擴散過程完成的。無論高溫爐是否作為擴散或其他用途（如氧化或熱退火），放置高溫爐的區(qū)域稱為擴散區(qū)，高溫爐稱為擴散爐。目前先進(jìn)的集成電路生產(chǎn)中只有少數(shù)的擴散摻雜過程，而高溫爐主要用在氧化和熱退火工藝中。然而集成電路生產(chǎn)中的高溫爐區(qū)域仍稱為擴散區(qū)，高溫爐仍稱為擴散爐。

擴散過程一般需要以下幾個過程。通常在預(yù)沉積過程中將氧化摻雜物薄層沉積在晶圓表面，然后用一次氧化步驟將氧化摻雜物摻入生長的二氧化硅中，并且在靠近硅與二氧化硅界面的硅襯底表面形成高濃度的摻雜物區(qū)。高溫離子摻雜過程是將摻雜物原子擴散進(jìn)入硅襯底達(dá)到設(shè)計要求的深度。所有這三道工序（預(yù)沉積、氧化和摻雜物高溫驅(qū)入）都是高溫過程，通常在高溫爐中進(jìn)行。當(dāng)摻雜物擴散后，氧化層就用濕法刻蝕去除。下圖說明了擴散的摻雜過程。

加熱擴散的物理原理眾所皆知，工藝工具相當(dāng)簡單且不昂貴，然而擴散過程有一些主要的限制。例如，摻雜物濃度和結(jié)深無法獨立控制，因為這兩項都與擴散溫度密切相關(guān)。另一個主要的缺點是摻雜物的分布輪廓是等向性的，由擴散過程的自然特性造成。

審核編輯：劉清