原位摻雜、擴散和離子注入的相關(guān)原理及其區(qū)別介紹

半導(dǎo)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(qū)別呢？

原位摻雜

原位摻雜是半導(dǎo)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(zhì)進入對晶體結(jié)構(gòu)并沒有損傷，而且雜質(zhì)同時被激活，避免了后期的退火工藝和大的熱預(yù)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(yīng)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(guān)系

在化學(xué)氣相淀積過程中，通過在反應(yīng)物質(zhì)流中加入合適的雜質(zhì)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(tài)材料但可以采用惰性氣體以蒸氣的方式攜帶進入反應(yīng)裝置，它被作為CVD系統(tǒng)中的磷雜質(zhì)源。乙硼烷(B2H6)砷化三氫(AsH3)以及磷化氫(PH3)都是氣態(tài)材料可被引入反應(yīng)裝置分別作為硼、砷和磷的雜質(zhì)源。通常雜質(zhì)流只占硅烷的百分之幾，為了安全起見還經(jīng)常對雜質(zhì)氣源進行稀釋(例如，用氮氣將PH3稀釋到2%)。

擴散

在半導(dǎo)體和MEMS技術(shù)領(lǐng)域，擴散工藝主要是對于整個薄膜摻雜或?qū)τ诰植繐诫s形成所需的摻雜區(qū)。該工藝主要利用高溫下雜質(zhì)由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的熱擴散實現(xiàn)，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(dǎo)體技術(shù)中，氣相擴散工藝被廣泛地應(yīng)用，但現(xiàn)在已經(jīng)很少了，原因是這個工藝需要使用有毒氣體。雜質(zhì)原子由適當(dāng)?shù)臍怏w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(zhì)源，這些薄膜經(jīng)常是含有硼或磷的玻璃材料。含磷或含硼的玻璃薄膜應(yīng)用LPCVD設(shè)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(zhì)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(zhì)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(shù)量的雜質(zhì)原子。由于擴散溫度較低，擴散時間較短，雜質(zhì)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(yù)淀積”。

第二步是把經(jīng)預(yù)淀積的硅片放入另一擴散爐內(nèi)加熱，使雜質(zhì)向硅片內(nèi)部擴散，重新分布，達(dá)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(dǎo)體襯底材料的摻雜工藝。離子注入工藝比傳統(tǒng)的高溫擴散工藝更為便利。由于掩膜不需要經(jīng)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(fù)晶格，同時也能實現(xiàn)雜質(zhì)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(zhì)源接觸，擴散方法中最高的雜質(zhì)濃度位于表面，而離子注入工藝可以方便地將雜質(zhì)送到襯底表面以下，易于實現(xiàn)諸如埋溝器件這樣的結(jié)構(gòu)。只要能量足夠高，離子也能夠穿越表面結(jié)構(gòu)。離子注入所提供的對于雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)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