半導體器件的摻雜其實就像做飯一樣，需要放入各種調料才能做出色香味俱全，放多了會咸，放少了不入味兒；摻雜就相當于半導體中“添油加醋”的過程和目的。

摻雜，是將一定數量的雜質摻入到半導體材料的工藝，是為了改變半導體材料的電學特性，從而得到所需的電學參數。我們也經常會聽到通過改善哪兒哪兒的摻雜濃度來優化某些性能的說法。

摻雜的方法主要有擴散和離子注入，兩種方法在分立器件或集成電路中都有用得到，并且兩者可以說是互補的，比如說，擴散可應用于形成深結，離子注入可形成淺結。


晶圓擴散的定義

擴散指的是材料通過另一種材料的運動而發生的一種自然的化學反應，這在日常生活中也有很多例子。

例如，我們熟知的充氣噴霧罐就是一個擴散過程的例子。當噴霧罐中的物質，受到壓力噴出時，這種擴散運動就開始了。只要噴霧罐內部的濃度，高于外部空氣的濃度，這種擴散過程就會一直繼續。

晶圓要經過高溫過程，這使得雜質運動，例如在離子注入后的退火工藝過程。或者當雜質進入晶圓后，就必須保持它們的運動。因此，我們必須研究這些運動，還有制造技術的設計原則，滿足我們的工藝制作需求。

擴散源能夠是淀積過程中不期望的雜質，也能夠是沾污帶來的雜質。此外，擴散源也能夠是多種元素的化合物。

例如氧化銳、三氧化二碑、三氧化神、三氯氧磷、五氧化二磷、磷化氫、三氧化二硼、六氫化二硼、三氯化硼、氮化硼等。其中，金是固態（蒸發）元素。而其他元素的形態隨擴散源的不同而有所區別。

一些擴散步驟之后，就會在專用的電路芯片上，來進行測試，先對結構進行電子測試，獲得結的數據。如果硼的雜質為P型，則會產生相反的效應。

為了實現更小的特征圖形尺寸和更近的電路器件間距，需要離子注入技術。

另外一個高溫問題，就是晶體容易出現損傷，每次對晶圓進行升溫、降溫的操作，都會發生位錯導致的晶體出現損傷。MOS晶體管的發展，也帶來了兩個新的問題：那就是如何才能做到低摻雜濃度控制，還有如何才能實現超淺結。如果廠家想要生產出高效的MOS晶體管，那么在柵區的摻雜濃度，就必須小于1這個數值。

然而，由于擴散工藝難以達到這一水平的一致性，即便對晶體管按比例縮小，也需要具有更淺的源漏區結深度。


離子注入技術

離子注入與擴散是兩個不同的過程，離子注入有很多優勢，其中一個是可選的材料范圍更廣，能夠注入硅、鍺等元素。使用質量流量計來控制氣體流量，能夠提供比正常流量更準確的氣體流量控制。設計生產級的離子注入機需要滿足多品種摻雜劑、注入的均勻性、污染小、可生產性等級等要求。

離子注入技術的過程，發生在一個含有活性蒸汽的離化反應室中，反應室保持著大約10托的低壓狀態（真空條件）。在反應室內，一個帶負電的電子從燈絲發射出并被陽極吸引，電子經過磁場的作用會繞成一個弧形運動。

在某些情況下，分析過程不能完全消除一些質量干擾和原子的能量差異，這些離子可能會進入晶圓并產生不良影響。

我們利用負電荷之間，有互相吸引這個特性，就能夠實現速度加速管直線型的設計方案，沿軸安裝有環形電極。讓每個電極上，都攜帶負電荷，電荷量就會沿加速管的方向，不地升高。由此可見電荷量的數值越高，它們移動的速度就會越快，離子入射的位置就越深。

低能離子規定的電壓范圍：在5~10keV之間，高能離子的電壓范圍：在0.2~2.5MeV之間。（單位：統一為百萬電子伏特）。

離子束流直徑比晶圓小得多（約為1cm）。掃描束流時可采用3種方法：束流掃描、機械掃描和快門，可采用任意一種或多種組合。

束流掃描的系統使束流通過多個靜電場電極板。電極板的正負電性如何調整，能夠通過控制、吸引、或者是排斥粒子束流來實現。

我們采用控制兩個方向上的電性，輕松就可達到束流以光欄掃描方式，掃過目標晶圓的目的。

機械掃描這種方法，主要適合使用高束流的機器。最大的優點就是無需耗費過多的是時間，來扭轉束流，同時束流速度也能保持恒定數值。

首先，晶圓必須被放置于靶室并進行真空抽取；其次，晶圓必須一個接一個地放入固定器中進行注入；注入完成后，晶圓需要被取出并放入片架盒中，隨后從靶室中移出。

離子注入相對于擴散的優點？

1，離子注入能夠非常準確地控制注入離子的深度和濃度。通過調整注入的能量，可以控制離子的滲透深度，而通過調整注入時間或束流，可以控制注入劑量。

2，離子注入可以使用幾乎任何類型的摻雜雜質，而有些雜質的摻雜無法通過擴散的方式來實現。

3，離子束可以聚焦到非常細小的區域上，它可以按照預先設定的路徑在硅片上移動。在某些產品中，有時不需要在整個硅片上均勻地注入離子，而是只需要在特定的圖案注入，這樣一來，離子注入引入雜質的方法就很精準和方便。

4，與擴散摻雜等需要高溫的方法相比，離子注入可以在相對低的溫度下進行（125℃以下）。這樣就避免了高溫對于器件影響。


離子注入用什么做掩膜？

光刻膠：在低能離子注入中表現良好，因為低能離子不容易穿透光刻膠。但在高能離子注入中，可能需要更厚的光刻膠或其他類型掩膜材料來確保有效的阻擋。

SiO?，Si?N?：常用的掩膜材料，具有良好的離子阻擋特性。

金屬：薄的鋁或鈦可以作掩膜。


雜質對半導體導電性能的影響

雜質在未電離時，均為電中性。電離后，施主失去電子帶正電，受主得到電子帶負電。摻入施主后，半導體內電子載流子數目大于空穴載流子，摻入受主的影響則與之相反。

不過，根據電離程度的高低，以N型半導體為例，可大致將電離情況分為以下幾類：


（1）低溫電離區

當溫度很低時，只發生少量的雜質電離，只有少量施主雜質電子進入導帶，這種情況稱為弱電離。此種情形下，從價帶依靠本征激發躍遷至導帶的電子數更少，可忽略不計。也就是說，導帶中的電子可近似認為全部由電離施主雜質提供。

相關的數學推導表明，低溫弱電離區費米能級與溫度、雜質濃度級雜質種類有關，其隨溫度的升高線增加后降低。載流子濃度隨溫度的升高而指數增加。

（2）中間電離區

隨著溫度的繼續升高，費米能級下降，當溫度升高使得費米能級與雜質能級相等時， ）exp((ED?EF)/k0T）=1exp((E_{D}-E_{F})/k_{0}T）=1 ，施主雜質有三分之一電離。


（3）強電離區

當溫度升高至大部分雜質都電離的時稱為強電離，此時 nD+≈NDn_{D}^{+}\approx N_{D} ，費米能級低于雜質能級。當施主雜質全部電離，電子濃度 n0=NDn_{0}= N_{D} ，此時，載流子濃度與溫度無關。載流子濃度保持等于雜質濃度的這一溫度范圍稱為飽和載流子。


（4）過渡區

當半導體處于飽和區和完全本征激發之間時稱為過渡區。此時，導帶電子一部分來源于全部電離的雜質，另一部分由本征激發提供。


（5）高溫本征激發區

溫度繼續升高，本征激發所產生的本征載流子數遠遠多于雜質電離產生的載流子數。這種情況于未摻雜的本征半導體類似，稱為雜質半導體進入本征激發區。

當半導體內載流子濃度發生變化，其導電性質也會發生改變。而為了保證半導體器件在一定溫度范圍內的性能穩定性，一般希望在該溫度范圍內半導體內載流子濃度不隨溫度變化。而能滿足這一要求的只有當雜質電離位于強電離區，即載流子濃度等于電離雜質濃度，且維持飽和不變的情形。這也是摻雜半導體能得以廣泛應用的另一重要原因。