文章來(lái)源：晶格半導(dǎo)體

原文作者：晶格半導(dǎo)體

在半導(dǎo)體硅片生產(chǎn)過(guò)程中，精確調(diào)控材料的電阻率是實(shí)現(xiàn)器件功能的關(guān)鍵，而原位摻雜、擴(kuò)散和離子注入正是達(dá)成這一目標(biāo)的核心技術(shù)手段。下面將從專業(yè)視角詳細(xì)解析這三種技術(shù)的工藝過(guò)程與本質(zhì)區(qū)別。

原位摻雜：生長(zhǎng)與摻雜同步的高效技術(shù)

原位摻雜堪稱半導(dǎo)體材料摻雜的前沿高效方案，其核心在于將摻雜過(guò)程與材料生長(zhǎng)過(guò)程合二為一。在高溫生長(zhǎng)環(huán)境下，雜質(zhì)原子能夠自然融入晶體結(jié)構(gòu)，這一過(guò)程不僅不會(huì)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)造成損傷，還能同步激活雜質(zhì)原子，從而巧妙規(guī)避了后續(xù)退火工藝及大量熱預(yù)算的投入。不過(guò)，該技術(shù)對(duì)材料形態(tài)有一定要求，更適用于完整覆蓋的薄膜材料制備。

在實(shí)際工藝中，硅烷(SiH?)憑借其優(yōu)良的反應(yīng)活性，成為最常用的反應(yīng)氣體，二氯甲硅烷(SiH?Cl?)和四氯化硅(SiCl?)也偶有應(yīng)用。當(dāng)反應(yīng)氣體抵達(dá)硅片表面時(shí)，硅烷會(huì)發(fā)生分解，釋放出硅原子與氫氣。在化學(xué)氣相淀積(CVD)過(guò)程中，通過(guò)精準(zhǔn)控制向反應(yīng)物質(zhì)流中引入合適的雜質(zhì)源氣體，即可實(shí)現(xiàn)多晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中的原位摻雜。其中，三氯氧化磷(POCl?)作為液態(tài)材料，借助惰性氣體以蒸氣形式引入反應(yīng)裝置，成為 CVD 系統(tǒng)中理想的磷雜質(zhì)源;乙硼烷(B?H?)、砷化三氫(AsH?)和磷化氫(PH?)等氣態(tài)材料，則分別作為硼、砷、磷雜質(zhì)源參與反應(yīng)。為確保工藝安全，雜質(zhì)氣源通常會(huì)用氮?dú)獾榷栊詺怏w進(jìn)行稀釋，一般雜質(zhì)流占硅烷的比例僅為百分之幾，例如將 PH?稀釋至 2%。

擴(kuò)散：基于熱運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)摻雜工藝

擴(kuò)散工藝在半導(dǎo)體和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)中占據(jù)重要地位，主要用于實(shí)現(xiàn)薄膜整體摻雜或局部摻雜區(qū)的構(gòu)建。該工藝的原理基于高溫條件下，雜質(zhì)原子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的熱擴(kuò)散現(xiàn)象，在硅材料工藝中，溫度通常需高于 900°C。

早期半導(dǎo)體技術(shù)中，氣相擴(kuò)散應(yīng)用廣泛，但因其需使用磷化氫、乙硼烷、POCl?、BCl?等有毒氣體，如今已逐漸被替代。而固相擴(kuò)散技術(shù)成為主流，它利用在待摻雜襯底上預(yù)先制備的薄膜材料作為雜質(zhì)源，這些薄膜多為含硼或磷的玻璃材料。含磷或含硼的玻璃薄膜一般通過(guò)低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)設(shè)備制備，以低壓硅烷為基礎(chǔ)，混入少量 PH?或 B?H?，在約 400°C、300mTorr 的條件下完成淀積?？紤]到高雜質(zhì)濃度玻璃易吸濕的特性，此類玻璃中的雜質(zhì)含量通?？刂圃?4 - 7wt%。

在硅器件平面工藝中，“兩步擴(kuò)散” 工藝被普遍采用。第一步為恒定表面源擴(kuò)散，也稱為 “預(yù)淀積”。在較低溫度和較短時(shí)間條件下，雜質(zhì)原子在硅片表面形成極淺的擴(kuò)散層，近似于表面淀積;第二步是將預(yù)淀積后的硅片轉(zhuǎn)移至另一擴(kuò)散爐，通過(guò)高溫加熱使雜質(zhì)進(jìn)一步向硅片內(nèi)部擴(kuò)散并重新分布，實(shí)現(xiàn)所需的表面濃度和擴(kuò)散深度，此步驟即有限表面源擴(kuò)散，也叫 “再分布” 。

離子注入：高能粒子操控的精準(zhǔn)摻雜技術(shù)

離子注入是一種通過(guò)將高能離子束注入半導(dǎo)體襯底材料實(shí)現(xiàn)摻雜的先進(jìn)工藝，相比傳統(tǒng)高溫?cái)U(kuò)散工藝，具有顯著優(yōu)勢(shì)。由于該工藝無(wú)需掩膜承受高溫，因此可選用的掩膜材料更為多樣。不過(guò)，離子注入過(guò)程會(huì)對(duì)半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)造成損傷，需后續(xù)通過(guò)熱退火工藝修復(fù)晶格，并激活雜質(zhì)原子。

離子注入與擴(kuò)散工藝的顯著區(qū)別在于雜質(zhì)分布特性。擴(kuò)散工藝中，因雜質(zhì)直接與表面接觸，最高雜質(zhì)濃度位于材料表面;而離子注入能夠精準(zhǔn)地將雜質(zhì)原子注入襯底表面以下，特別適用于制備如埋溝器件等特殊結(jié)構(gòu)。只要離子能量足夠高，還可穿透表面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)深層摻雜。此外，離子注入在雜質(zhì)濃度和分布控制方面展現(xiàn)出極高的靈活性和精準(zhǔn)度，這是傳統(tǒng)擴(kuò)散工藝難以企及的。

三種技術(shù)的綜合對(duì)比

從工藝原理來(lái)看，原位摻雜是生長(zhǎng)與摻雜并行，利用氣相反應(yīng)實(shí)現(xiàn);擴(kuò)散依賴熱驅(qū)動(dòng)下的濃度差擴(kuò)散;離子注入則借助高能離子束的物理轟擊。在工藝條件上，原位摻雜在材料生長(zhǎng)溫度下進(jìn)行，擴(kuò)散需高溫(>900°C)，離子注入雖對(duì)溫度要求不高，但后續(xù)退火仍需高溫處理。雜質(zhì)分布方面，原位摻雜和擴(kuò)散的雜質(zhì)濃度峰值在表面，離子注入可靈活調(diào)控雜質(zhì)分布深度。從工藝優(yōu)勢(shì)分析，原位摻雜高效節(jié)能，擴(kuò)散工藝成熟、成本較低，離子注入則具備高精度和強(qiáng)靈活性。