半导体掺杂技术
半导体的发展：半导体从出现到发展到现在的阶段，经过了六⼗⼏的时间。第⼀个放⼤器产⽣于1938年，是由波欧（Robert Pohl）与赫希（Rudo if H
ilsch）所做的，使⽤的是溴化钾晶体与钨丝做成的闸极管的固态三端⼦元件的实⽤性。
⼆次⼤战后，美国的贝尔实验室（BellLab），成⽴了固态物理的研究部门。1947年11⽉17⽇，巴丁与布莱登（W alter Brattain
1902~1987）在矽表⾯滴上⽔滴，⽤涂了蜡的钨丝与矽接触，再加⼀⼀伏特的电压，发现流经接点的电流增加了。但若想得到⾜够的功率放⼤，相邻两接两接触点的距离要接近到千分之⼆英⼨以下。12⽉16⽇，布莱登⽤⼀块三⾓形塑料，在塑料⾓上贴上箔，然后⽤⼑⽚切开⼀条细缝，形成距离很近的电极，其中，加正压的称为射极（emitter），负电压的称为集极（collector），塑料下⽅接触的锗晶体就是基极（base），构成第⼀个点接触电晶极。
19545年5有，第⼀颗以矽做成的电晶体才由美国德州仪器公司（Texas Instrum
ents）开发成功；约在同时，利⽤⽓体扩散来把杂质掺⼊半导体的技术也由贝尔实验室与奇异公司研发出来；在1975年底，各界已制造出六百种以上不同形式的电晶体，使⽤于包括⽆线电、收⾳机、电⼦计算机
甚⾄助听器等等电⼦产品。但其结构皆属于⾼台式的。
1958年，快捷半导体公司（Fairchild Sen iconductor）发展出⾯⼯艺技术（planar
technology），借着氧化、黄光微影、蚀刻、⾦属蒸镀等技巧，可以很容易地矽晶⽚的同⼀⾯制作半导体元件。1960年，磊晶术也技也由贝尔实验室发展出来了。⾄此，半导体⼯业获得了可以批次⽣产的能⼒，终于站稳脚步，开始快速成长。
半导体发展到今天，其加⼯⼯艺种类越来越繁多，⽽且⼯艺越来越成熟，设备越先进。
掺杂技术做为⼀项重要的技术，被⼴泛应⽤于IC⽣产中。半导体的掺杂技术主要有扩散⼯艺和离⼦注⼊两种形式。
1、扩散技术
扩散技术出现在于50年代，长期以来在晶体管和集成电路⽣产中得到⼴泛的应⽤。扩散技术的原理是利⽤物质在热运动下，会从浓度⾼处的向浓度低的地⽅运动，并最终使其分布趋于稳定。扩散法是将掺杂⽓体导⼊放有硅⽚的⾼温炉，将杂质扩散到硅⽚内⼀种⽅法。优点是可以批量⽣产，获得⾼浓度掺杂。杂质扩散有两道⼯序：预扩散
( ⼜称预淀积 Predeposition) 和主扩散 (drivein) 。
预扩散⼯序是在硅表⾯较浅的区域中形成杂质的扩散分布，这种扩散分布中，硅表⾯杂质浓度的⼤⼩是由杂质固溶度来决定的。
主扩散⼯序是将预扩散时形成的扩散分布进⼀步向深层推进的热处理⼯序。其是通过固态扩散向半导体内引⼊施主或受主杂质，这种⽅法需要将硅置于适当杂质的蒸汽中加热，其温度要在900℃以上。由于固态扩散技术⾮常简单，使得这种⽅法在半导体掺杂上较为盛⾏。在设备⽅⾯，所需要的仅仅是⼀个能将半导体晶体温度升⾄900℃以上的炉⼦。但是，这种⽅法必须要采⽤氧化掩膜技术，以保证杂质仅仅引⼊到根据设计所选定的某些晶⽚的区域中。
常⽤的扩散⽅法按其扩散的不同可分为：液态源扩散、⽚状源扩散、固固扩散和双温区锑扩散。
（1）液态源扩散：其主要是使保护⽓体通过含有扩散杂质的液态源，从⽽携带杂质蒸汽进⼊处于⾼温下的扩散炉中。杂质蒸汽在⾼温下分解，形成饱和蒸汽压，原⼦通过硅⽚的表⾯向内部扩散。其特点主要是设备简单、操作⽅便、均匀性好，适于批量⽣产。
（2）⽚状源扩散：其扩散源为⽚状固体扩散源，外形与硅圆⽚相同，扩散时将其与硅⽚间隔放置，并⼀起放⼊⾼温扩散炉中。
（3）固—固扩散：在硅⽚表⾯⽤化学汽相淀积等⽅法⽣长薄膜的过程中同时在膜内掺⼊⼀定的杂质，
然后以这些杂质为扩散源在⾼温下向硅⽚内部扩散。薄膜可以是掺杂的氧化物、多晶硅、氮化物等。⽬前，以掺杂氧化物最为成熟，其在集成电路⽣产中得到⼴泛的应⽤。
（4）双温区锑扩散：其在加⼯时，扩散炉分两个区域，⼀个为低温区（⼀般950℃），其⽤来放置掺杂源Sb2O3以控制杂质蒸汽压；另⼀个为放置硅⽚的⾼温区（⼀般1250℃），扩散时，利⽤保护⽓体通过低温区携带Sb2O3蒸⽓进⼊⾼温区，从⽽完成扩散过程。
以上四种扩散⽅法都可以通过控制扩散温度、扩散时间以及⽓体流量实现对掺⼊杂质量的控制，扩散技术在结深为1um以上的半导体器的⽣产中得到⼴泛的应⽤。
2、离⼦注⼊技术
随着VLSI的发展，器件尺⼨不断减⼩，这个就对掺杂技术提出了更⾼的要求，在这种情况下离⼦注⼊技术就很好的发挥它的优势。离⼦注⼊的基本原理是：⽤能量为100keV量级的离⼦束⼊射到材料中去，离⼦束与材料中的原⼦或分⼦将发⽣⼀系列物理的和化学的相互作⽤，⼊射离⼦逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表⾯成分、结构和性能发⽣变化，从⽽优化材料表⾯性能，或获得某些新的优异性能。
例如：采⽤离⼦注⼊技术将硼原⼦注⼊到硅中的⼯艺，则需要有⼀个硼离⼦源和⼀个离⼦加速器，将硼
离⼦的动能增加到⼏百千伏。带正电荷的硼离⼦是将硼⽓体暴露在辐射源中形成的。然后，使这些离⼦穿过（fall through）象电容⼀样的⾦属⽚和硅⽚之间所形成的⼀个很⼤的直流电位差。这些⾼能硼离⼦穿透进⼊带负电的硅晶体⼏个微⽶左右（or fractions）的距离，在那⾥成为掺杂受主离⼦。
此项⾼新技术由于其独特⽽突出的优点，已经在半导体材料掺杂，⾦属、陶瓷、⾼分⼦聚合物等的表⾯改性上获得了极为⼴泛的应⽤，取得了巨⼤的经济效益和社会效益。作为⼀种材料表⾯⼯程技术，离⼦注⼊技术具有以下⼀些其它常规表⾯处理技术难以达到的独特优点：（1）它是⼀种纯净的⽆公害的表⾯处理技术；（2）⽆需热激活，⽆需在⾼温环境下进⾏，因⽽不会改变⼯件的外形尺⼨和表⾯光洁度；（3）离⼦注⼊层由离⼦束与基体表⾯发⽣⼀系列物理和化学相互作⽤⽽形成的⼀个新表⾯层，它与基体之间不存在剥落问题；（4）离⼦注⼊后⽆需再进⾏机械加⼯和热处理。
与扩散技术相⽐较⽽⾔，离⼦注⼊则需要⼀个更为复杂且昂贵的加速器，⽽且晶⽚的⽣产效率较低。不过，通过离⼦注⼊所引⼊的杂质的浓度可精确控制，特别是在掺杂浓度要求较低的情况下，离⼦注⼊技术应⽤⾮常⼴泛。⽽热扩散是⼀个较为温和的过程，与离⼦注⼊所需要的轰击相⽐，对半导体晶体所产⽣的损伤要⼩得多；⽽离⼦注⼊则由于在注⼊过程中，注⼊到样⽚在的⾼能离⼦将不断地与原⼦核及核外电碰撞，与核外碰撞时相互质量差异不⼤，碰撞中离⼦损失的能量较多，且可能发⽣⼤⾓度散射。同时可能使靶原⼦核离开晶格位置，造成晶格损伤。当剂量很⾼时，即单位⾯积样⽚上注⼊的离⼦数很多时，甚⾄会使单晶硅严重损伤成为⽆定形硅，基于这种原因，离⼦注⼊在结束以后都要进⾏退⽕处理，
为的是⼀⽅⾯使靶材料恢复晶体状态，消除晶体中引⼊的结构缺陷，同时起到使注⼊离⼦激活的作⽤。
对于半导体中的杂质的引⼊，离⼦注⼊与扩散掺杂相⽐有如下优点：
（1）、能精确控制杂质⽔平，特别是低杂质浓度；
（2）、具有⾮常好的浅掺杂层的深度控制；
（3）、处理温度⾮常低；
（4）、可以产⽣特殊的杂质分布轮廓；
（5）、有可能注⼊不溶于半导体的离⼦。
但同时离⼦注⼊也存在缺点：
（1）、⾼能离⼦注⼊所产⽣的晶格损伤必须经过热退⽕处理或激光退⽕处理；
（2）、⾼浓度的离⼦掺杂受到限制；
（3）、在不存在严重的晶格损伤的条件下，离⼦注⼊的深度有限；
（4）、离⼦穿透是各向异性的（即在各个晶向上离⼦穿透是不同的）；
注入
（5）、⽣产产量有限；
（6）、离⼦注⼊设备复杂且昂贵。
离⼦注⼊作为⼀顶重要的技术，其应⽤越来越⼴泛了。在⽬前的制作⼯艺中，通常采⽤扩散与离⼦注⼊相结合的⽅法或全离⼦注⼊的⽅法得到⼀定掺杂杂质浓度的分布，其⼴泛应⽤于三极管、⼆极管等器件的⽣产⼯艺中；离⼦注⼊也由于可实现低掺杂⽽被使⽤在MOS电路中以及集成电路。
虽然离⼦注⼊得到⼴泛的应⽤，但其还存在着些许问题。如离⼦注⼊设备⽅⾯，近年来由于杂质形成的⼯艺条件要求浅接合、⾼浓度，因此最⼤的课题是如何满⾜这些要求。形成源极和漏极的接合深度在100nm⼯艺的CMOS晶体管中为30—40nm。⽽加速能量则必须达到0。5~1KeV。⽽且今后在65nm⼯艺中，接合深度必须达到15~20nm，加速能量为0.2KeV左右。为了满⾜这些要求，离⼦注⼊设备就必须提⾼在超低加速条件下的性能。另⼀⽅⾯，作为离⼦注⼊设备⽅⾯的问题是，由于加速能量越低，离⼦束在输送过程中就越容易扩散，从⽽就会因⽆法得到⾜够的离⼦电流，⽽造成流量下降。别外，在这种低能量注⼊⽅式中，为了避免离⼦束电流的下降，使⽤的是被称为差动⽅式的加速⽅式，但是由于这种加速⽅式在离⼦束输送过程中发⽣所需能量以外的离⼦注⼊现象（能量污染），结果就会产⽣接合深度不符合要求的问题。因此通过对真空精度等进⾏管理，来防⽌产⽣不必要的能量污染是⾮常重要的。今
后最⼤的课题是提⾼在低加速能量的条件下所能够得到的离⼦束电流。另外，离⼦注⼊后的热处理过程在确定接合深度和杂质层的电阻⽅⾯也是⾮常重要的，在确定⼯艺之时，应该利⽤这两个⽅⾯进⾏分析。
随着科技的发展，特别是半导体向微型⽅向发展，离⼦注⼊技术将会得到更加⼴泛的应⽤。但是做为⼀⼯艺，离⼦注⼊技术还有很有⽅⾯需要改进，诸如，退⽕技术还不够理想；再者其存在对材料表⾯的损伤；⾼浓度掺杂受限；⽣产⽆法⼤批⽣产……
这些都是需要改进的，今后的离⼦注⼊技术的发展将依赖于这些⽅⾯的提⾼。

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