半导体器件的掺杂其实就像做饭一样，需要放入各种调料才能做出色香味俱全，放多了会咸，放少了不入味儿；掺杂就相当于半导体中“添油加醋”的过程和目的。

掺杂，是将一定数量的杂质掺入到半导体材料的工艺，是为了改变半导体材料的电学特性，从而得到所需的电学参数。我们也经常会听到通过改善哪儿哪儿的掺杂浓度来优化某些性能的说法。

掺杂的方法主要有扩散和离子注入，两种方法在分立器件或集成电路中都有用得到，并且两者可以说是互补的，比如说，扩散可应用于形成深结，离子注入可形成浅结。

晶圆扩散的定义

扩散指的是材料通过另一种材料的运动而发生的一种自然的化学反应，这在日常生活中也有很多例子。

例如，我们熟知的充气喷雾罐就是一个扩散过程的例子。当喷雾罐中的物质，受到压力喷出时，这种扩散运动就开始了。只要喷雾罐内部的浓度，高于外部空气的浓度，这种扩散过程就会一直继续。

晶圆要经过高温过程，这使得杂质运动，例如在离子注入后的退火工艺过程。或者当杂质进入晶圆后，就必须保持它们的运动。因此，我们必须研究这些运动，还有制造技术的设计原则，满足我们的工艺制作需求。

扩散源能够是淀积过程中不期望的杂质，也能够是沾污带来的杂质。此外，扩散源也能够是多种元素的化合物。

例如氧化锐、三氧化二碑、三氧化神、三氯氧磷、五氧化二磷、磷化氢、三氧化二硼、六氢化二硼、三氯化硼、氮化硼等。其中，金是固态（蒸发）元素。而其他元素的形态随扩散源的不同而有所区别。

一些扩散步骤之后，就会在专用的电路芯片上，来进行测试，先对结构进行电子测试，获得结的数据。如果硼的杂质为P型，则会产生相反的效应。

为了实现更小的特征图形尺寸和更近的电路器件间距，需要离子注入技术。

另外一个高温问题，就是晶体容易出现损伤，每次对晶圆进行升温、降温的操作，都会发生位错导致的晶体出现损伤。MOS晶体管的发展，也带来了两个新的问题：那就是如何才能做到低掺杂浓度控制，还有如何才能实现超浅结。如果厂家想要生产出高效的MOS晶体管，那么在栅区的掺杂浓度，就必须小于1这个数值。

然而，由于扩散工艺难以达到这一水平的一致性，即便对晶体管按比例缩小，也需要具有更浅的源漏区结深度。

离子注入技术

离子注入与扩散是两个不同的过程，离子注入有很多优势，其中一个是可选的材料范围更广，能够注入硅、锗等元素。使用质量流量计来控制气体流量，能够提供比正常流量更准确的气体流量控制。设计生产级的离子注入机需要满足多品种掺杂剂、注入的均匀性、污染小、可生产性等级等要求。

离子注入技术的过程，发生在一个含有活性蒸汽的离化反应室中，反应室保持着大约10托的低压状态（真空条件）。在反应室内，一个带负电的电子从灯丝发射出并被阳极吸引，电子经过磁场的作用会绕成一个弧形运动。

在某些情况下，分析过程不能完全消除一些质量干扰和原子的能量差异，这些离子可能会进入晶圆并产生不良影响。

我们利用负电荷之间，有互相吸引这个特性，就能够实现速度加速管直线型的设计方案，沿轴安装有环形电极。让每个电极上，都携带负电荷，电荷量就会沿加速管的方向，不地升高。由此可见电荷量的数值越高，它们移动的速度就会越快，离子入射的位置就越深。

低能离子规定的电压范围：在5~10keV之间，高能离子的电压范围：在0.2~2.5MeV之间。（单位：统一为百万电子伏特）。

离子束流直径比晶圆小得多（约为1cm）。扫描束流时可采用3种方法：束流扫描、机械扫描和快门，可采用任意一种或多种组合。

束流扫描的系统使束流通过多个静电场电极板。电极板的正负电性如何调整，能够通过控制、吸引、或者是排斥粒子束流来实现。

我们采用控制两个方向上的电性，轻松就可达到束流以光栏扫描方式，扫过目标晶圆的目的。

机械扫描这种方法，主要适合使用高束流的机器。最大的优点就是无需耗费过多的是时间，来扭转束流，同时束流速度也能保持恒定数值。

首先，晶圆必须被放置于靶室并进行真空抽取；其次，晶圆必须一个接一个地放入固定器中进行注入；注入完成后，晶圆需要被取出并放入片架盒中，随后从靶室中移出。

离子注入相对于扩散的优点？

1，离子注入能够非常准确地控制注入离子的深度和浓度。通过调整注入的能量，可以控制离子的渗透深度，而通过调整注入时间或束流，可以控制注入剂量。

2，离子注入可以使用几乎任何类型的掺杂杂质，而有些杂质的掺杂无法通过扩散的方式来实现。

3，离子束可以聚焦到非常细小的区域上，它可以按照预先设定的路径在硅片上移动。在某些产品中，有时不需要在整个硅片上均匀地注入离子，而是只需要在特定的图案注入，这样一来，离子注入引入杂质的方法就很精准和方便。

4，与扩散掺杂等需要高温的方法相比，离子注入可以在相对低的温度下进行（125℃以下）。这样就避免了高温对于器件影响。

离子注入用什么做掩膜？

光刻胶：在低能离子注入中表现良好，因为低能离子不容易穿透光刻胶。但在高能离子注入中，可能需要更厚的光刻胶或其他类型掩膜材料来确保有效的阻挡。

SiO₂，Si₃N₄：常用的掩膜材料，具有良好的离子阻挡特性。

金属：薄的铝或钛可以作掩膜。

杂质对半导体导电性能的影响

杂质在未电离时，均为电中性。电离后，施主失去电子带正电，受主得到电子带负电。掺入施主后，半导体内电子载流子数目大于空穴载流子，掺入受主的影响则与之相反。

不过，根据电离程度的高低，以N型半导体为例，可大致将电离情况分为以下几类：

（1）低温电离区

当温度很低时，只发生少量的杂质电离，只有少量施主杂质电子进入导带，这种情况称为弱电离。此种情形下，从价带依靠本征激发跃迁至导带的电子数更少，可忽略不计。也就是说，导带中的电子可近似认为全部由电离施主杂质提供。

相关的数学推导表明，低温弱电离区费米能级与温度、杂质浓度级杂质种类有关，其随温度的升高线增加后降低。载流子浓度随温度的升高而指数增加。

（2）中间电离区

随着温度的继续升高，费米能级下降，当温度升高使得费米能级与杂质能级相等时， ）exp((ED−EF)/k0T）=1exp((E_{D}-E_{F})/k_{0}T）=1 ，施主杂质有三分之一电离。

（3）强电离区

当温度升高至大部分杂质都电离的时称为强电离，此时 nD+≈NDn_{D}^{+}\approx N_{D} ，费米能级低于杂质能级。当施主杂质全部电离，电子浓度 n0=NDn_{0}= N_{D} ，此时，载流子浓度与温度无关。载流子浓度保持等于杂质浓度的这一温度范围称为饱和载流子。

（4）过渡区

当半导体处于饱和区和完全本征激发之间时称为过渡区。此时，导带电子一部分来源于全部电离的杂质，另一部分由本征激发提供。

（5）高温本征激发区

温度继续升高，本征激发所产生的本征载流子数远远多于杂质电离产生的载流子数。这种情况于未掺杂的本征半导体类似，称为杂质半导体进入本征激发区。

当半导体内载流子浓度发生变化，其导电性质也会发生改变。而为了保证半导体器件在一定温度范围内的性能稳定性，一般希望在该温度范围内半导体内载流子浓度不随温度变化。而能满足这一要求的只有当杂质电离位于强电离区，即载流子浓度等于电离杂质浓度，且维持饱和不变的情形。这也是掺杂半导体能得以广泛应用的另一重要原因。

文章来源： Tom聊芯片智造，地理馆长，芯片届的小学生