2.3 掺杂工艺
在集成电路的制造过程中，掺杂是在硅片规定的区域内引入所需杂质（如磷、硼等），并达到数量可控、分布符合要求的目的，以实现半导体电学特性的改变。本节主要介绍半导体掺杂的基础知识，并介绍两种常用的芯片制造掺杂技术，分别是热扩散掺杂和离子注入掺杂。
2.3.1 掺杂原理
硅片本身的载流子浓度很低，想要导电就需要有空穴或电子，因此需要引入其他Ⅲ-Ⅴ族元素，诱导出更多空穴和电子，形成P型或者N型半导体。掺杂的杂质不同于沾污的杂质，常见的杂质包括硼、磷、砷、锑等。在制造所有半导体器件时都必须采用掺杂工艺，通过掺杂可以在硅衬底上形成不同类型的半导体区域，构成各种器件结构，如MOSFET的源、漏区等。在芯片的集成制造中，主要的掺杂方法为热扩散掺杂和离子注入掺杂[11]。
2.3.2 热扩散掺杂
热扩散掺杂是指利用分子在高温下的扩散运动，使掺杂原子从浓度高的杂质源向体硅中扩散，从而形成一定的分布。扩散发生的必要条件包括：一种材料的浓度必须高于另一种材料的浓度；系统内部有足够的能量使高浓度的材料进入或通过另一种材料。也就是说，当掺杂的硅片暴露接触面的杂质原子浓度比硅片内更高时，就会发生扩散现象，称为固态扩散。
热扩散掺杂工艺通常分两个步骤进行：预淀积和再分布。
1．预淀积
预淀积是指在高温下，利用杂质源对硅片上的掺杂窗口进行扩散，在窗口处形成一层较薄但具有较高浓度的杂质层。该步骤在炉管中进行，硅片位于炉管的恒温区。掺杂源位于杂质源箱中，以所需的浓度送到炉管，如图2.20所示。在炉管中，杂质原子扩散到裸露的硅片中。在硅片内部，掺杂原子以两种不同的机制运动：空位模式和间隙模式，如图2.21所示。在空位模式中，掺杂原子通过占据晶格空位来运动。在间隙模式中，掺杂原子在晶格间运动。
图2.20 预淀积过程
图2.21 扩散模式
（a）空位模式 （b）间隙模式
预淀积工艺受特定杂质的扩散率和杂质在硅片材料中的最大固溶度影响。扩散率越高，杂质在硅片材料中的运动速度越快。最大固溶度是特定杂质在硅片材料中所能达到的最大浓度，因此为了保证硅片的最大掺杂量，在预淀积步骤中，会将杂质浓度设置为比硅片材料的最大固溶度更高的水平。
2．再分布
再分布是将预淀积形成的表面杂质层作为杂质源，在高温下将这层杂质向硅片内扩散，从而限制表面源的扩散，通常再分布的时间较长。通过再分布，可在硅衬底上形成一定的杂质分布和结深，同时在暴露的硅片表面再生长新的氧化层，如图2.22所示。
图2.22 再分布过程
热扩散掺杂的局限性包括：表面浓度与扩散深度相关；通常只能获得高斯分布或余误差分布；难以精确控制杂质的浓度和位置。器件尺寸的不断缩小要求对杂质浓度进行精确控制，需要应用新的掺杂工艺替代热扩散掺杂。
2.3.3 离子注入掺杂
离子注入掺杂是一种物理过程，在掺杂窗口处，掺杂离子被注入体硅中，而其他不需要掺杂的区域，掺杂离子被硅表面的保护层屏蔽，从而完成选择性掺杂，如图2.23所示。由于离子进入硅晶体后，会带来很大范围的晶格破坏，因此要使这些晶格破坏得以恢复，必须在离子注入后进行退火处理。
图2.23 离子注入过程
1．离子注入的优势
超大规模集成电路的发展要求特征图形的尺寸更小，电路器件之间的距离更近。在这样的趋势下，热扩散掺杂工艺已经开始制约先进电路的生产。在热扩散掺杂的预淀积和再分布过程中，会发生横向扩散，导致各区间接触短路。热扩散的高温还会导致晶体损伤，进而引发器件失效。离子注入掺杂不仅克服了热扩散掺杂的限制，还提供了以下额外优势。
（1）掺杂离子更加纯净。离子注入掺杂是在真空系统中进行的，同时使用高分辨率的质量分析器，能够保证掺杂离子具有极高的纯度。
（2）掺杂离子浓度不受固溶度的限制。原则上，任何元素都可成为掺杂元素，并可以达到常规方法无法达到的掺杂浓度。对于那些常规方法不能掺杂的元素，离子注入掺杂技术也并不难实现掺杂。
（3）注入掺杂离子的浓度和深度分布精确、可控。离子注入掺杂工艺中，注入的离子数决定于积累的束流，深度分布则由加速电压控制，这两个参数可以由外界系统精确测量、严格控制。
（4）注入掺杂离子时，衬底温度可自由选择。离子注入掺杂工艺中，根据需要既可以在高温下掺杂，也可以在室温或低温条件下掺杂。
（5）可实现大面积均匀注入。离子注入系统中的束流扫描装置可以保证在很大的面积上具有很高的掺杂均匀性。
（6）离子注入掺杂的深度小，一般在1μm以内。
此外，高精度、高均匀性的离子注入掺杂技术，可使集成电路的良率得到大幅提升。离子注入掺杂工艺已成为半导体器件和集成电路生产的关键工艺之一，理论和工艺都日趋完善。离子注入机已被广泛装备在制造半导体器件和集成电路的生产线上。
2．晶体损伤
在进行离子注入掺杂时，硅片的晶体结构会因射入离子的碰撞而受损，包括晶格损伤、损伤群簇和空位-间隙。晶格损伤发生在入射离子与本物质原子发生碰撞并取代原物质原子的晶格位置时。损伤群簇发生在被替位的本物质原子继续替代其他本物质原子的位置，从而产生成簇的被替代的原子时。空位-间隙是离子注入产生的常见缺陷，当本物质原子被入射离子撞击出本来位置，停留在非晶格位置时，将产生这种缺陷，如图2.24所示。
图2.24 空位-间隙损伤的机理
3．退火
退火可以加热被掺杂的硅片，修复晶格缺陷，也可以像图2.25所示的那样，使掺杂原子移动到晶格上激活。硅片退火的基本方法有两种，即高温炉退火和快速热退火。高温炉退火是用高温炉把硅片加热至800～1000℃，并保持30min。该方法会导致杂质的扩散。快速热退火具有升温极快、持续时间短的优点，可以更好地实现晶格缺陷的修复，使杂质激活，同时使杂质扩散最小[12]。
（a） （b）
图2.25 离子注入后及退火后的硅片形貌
（a）离子注入后的硅片形貌 （b）退火后的硅片形貌
4．离子注入的应用
（1）倒掺杂阱。MOS器件的一个重要设计选择是倒掺杂阱，它的注入杂质浓度峰值在硅片表面下一定深度处，如图 2.26 所示。倒掺杂阱的另一种形式是垂直调节阱。高能离子注入使倒掺杂阱中较深处的杂质浓度较大，从而改进了晶体管抵抗闩锁效应和穿通的能力。
图2.26 倒掺杂阱
（2）超浅结。随着集成电路运行速度和封装密度不断提高，MOS器件的沟道长度需要等比例地减小。为保持器件的电学性能，关键的器件要素必须随之缩小。超浅结的形成可使源漏区结深与沟道长度相应缩小，并可用大束流低能注入实现横向杂质剖面的准确控制。
（3）绝缘体上硅（Silicon On Insulator，SOI）。SOI是一种重要的纵向隔离方式，在绝缘层上进行隔离。硅片表面的器件被SOI中的绝缘层有效隔离。SOI具有许多优点，包括完全消除闩锁效应、减少热载流子和减少寄生电容等。注氧隔离（Separation by Implanted Oxygen，SIMOX）技术是一种SOI技术。采用SIMOX技术时，会有一层水平的氧化层（称为埋氧化层）埋在硅片中。首先，注入高浓度的氧原子。随后，通过高温退火使氧与硅发生反应，在硅片表面下形成连续的SiO2层，这就是埋氧化层。CMOS硅片结构对比如图2.27所示。
图2.27 CMOS硅片结构对比
（a）普通的CMOS硅片结构 （b）具有SIMOX埋氧化层的CMOS硅片