文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文主要講述晶圓中的雜質(zhì)。

在超高純度晶圓制造過程中，盡管晶圓本身需達(dá)到11個(gè)9（99.999999999%）以上的純度標(biāo)準(zhǔn)以維持基礎(chǔ)半導(dǎo)體特性，但為實(shí)現(xiàn)集成電路的功能化構(gòu)建，必須通過摻雜工藝在硅襯底表面局部引入特定雜質(zhì)。

摻雜作用

這一看似矛盾的操作，本質(zhì)是通過精準(zhǔn)調(diào)控半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性以實(shí)現(xiàn)器件功能。硅作為第Ⅳ主族元素，在純凈單晶態(tài)下呈現(xiàn)接近絕緣體的特性——其價(jià)帶與導(dǎo)帶間存在約1.1eV的禁帶寬度，導(dǎo)致常溫下自由載流子濃度極低，無法形成有效電流。

通過引入第Ⅴ主族元素（如磷、砷）或第Ⅲ主族元素（如硼），可系統(tǒng)性改變硅的導(dǎo)電機(jī)制：前者通過提供額外價(jià)電子形成N型半導(dǎo)體，自由電子成為主要載流子；后者通過產(chǎn)生空穴形成P型半導(dǎo)體，空穴作為正電荷載體實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。這種基于能帶工程的雜質(zhì)調(diào)控，正是半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)PN結(jié)、晶體管等核心功能的基礎(chǔ)。

摻雜技術(shù)

當(dāng)前主流的摻雜技術(shù)體系包含熱擴(kuò)散與離子注入兩大路徑：

熱擴(kuò)散工藝通過高溫環(huán)境（通常800-1200℃）促使雜質(zhì)原子在濃度梯度驅(qū)動(dòng)下向硅基體內(nèi)擴(kuò)散，其雜質(zhì)分布曲線由擴(kuò)散系數(shù)、溫度梯度及時(shí)間參數(shù)共同決定，適用于大面積均勻摻雜場景。

離子注入技術(shù)則通過電離雜質(zhì)原子并經(jīng)電場加速至高能狀態(tài)（數(shù)十至數(shù)百keV），直接轟擊晶圓表面實(shí)現(xiàn)深度可控的摻雜，其核心優(yōu)勢(shì)在于可結(jié)合光刻膠掩模實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)精度的局部摻雜，且通過劑量與能量的精確調(diào)控可形成陡峭的雜質(zhì)分布曲線。

近年來，隨著先進(jìn)制程向3nm及以下節(jié)點(diǎn)推進(jìn)，離子注入技術(shù)持續(xù)迭代：高能離子注入機(jī)已實(shí)現(xiàn)百萬級(jí)劑量控制精度，配合多重注入工藝可構(gòu)建復(fù)雜的三維摻雜結(jié)構(gòu)；低溫離子注入技術(shù)通過抑制晶格損傷，有效提升超薄晶圓（如SOI結(jié)構(gòu)）的工藝兼容性；而等離子體浸沒離子注入（PIII）等創(chuàng)新方案則通過高密度等離子體源實(shí)現(xiàn)更均勻的摻雜效果，成為三維集成電路（3D IC）的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

雜質(zhì)選擇

在雜質(zhì)選擇方面，傳統(tǒng)N型雜質(zhì)（磷、砷）與P型雜質(zhì)（硼）仍占主導(dǎo)地位，但新興材料體系正拓展摻雜邊界。例如，碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導(dǎo)體需采用鈮、鉭等高遷移率雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)高性能器件；二維材料（如石墨烯、過渡金屬硫化物）則通過表面吸附或嵌入摻雜探索新型載流子調(diào)控機(jī)制。

此外，量子點(diǎn)摻雜、應(yīng)變工程摻雜等前沿方向正通過納米尺度雜質(zhì)分布設(shè)計(jì)與晶格應(yīng)變耦合，實(shí)現(xiàn)載流子有效質(zhì)量的精準(zhǔn)調(diào)控，為后摩爾時(shí)代的器件性能突破提供新路徑。這些技術(shù)演進(jìn)不僅鞏固了離子注入在先進(jìn)制程中的核心地位，更推動(dòng)著半導(dǎo)體材料與器件設(shè)計(jì)向更精細(xì)、更高效的方向持續(xù)發(fā)展。