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集成电路中怎样实现掺杂 袁小容 一·集成电路工艺中掺杂 集成电路制造工艺中的掺杂是指将一定数量的某种杂质（如Ⅲ价元素硼或Ⅴ价元素磷、砷等）掺入半导体衬底中，以改变电学性能，并使掺入的杂质数量、分布形式和深度等都满足要求。例如，在N型衬底上掺硼，可以使原先的N型衬底电子浓度变小，或使N型衬底改变为P型；如果在N型衬底表面掺磷，可以提高衬底的表面杂质浓度。对于P型衬底，如果掺入一定浓度的V元素，将使原先的P型衬底空穴浓度变化，或使P型衬底改变为N型。同样，如果在P型衬底表面掺硼，将提高P型衬底的表面浓度。 二·掺杂分类 2.1 扩散 （1）固态源扩散 固态源扩散按扩散系统分类，包括开管扩散、箱法扩散和涂源扩散等。另一种扩散系统——闭管扩散目前很少采用。 开管扩散系统如图2-1所示。先把杂质源放在坩埚中，坩埚材质可以是石英或者铂。硅晶片放在石英舟上。再把放有杂质源的坩埚和放有硅片的石英舟相隔一定距离放在扩散炉管内，放有杂质源的坩埚在气流的上游。通过惰性气体把杂质源蒸汽输运到硅片表面。在扩散温度下杂质的化合物与硅发生反应生成单质的杂质原子，并向硅晶片内扩散。如果杂质源的蒸汽压很高，一般采用两段炉温法，即将扩散炉分为低温区和高温区，杂质源放在低温区，杂质向硅片内扩散则在高温区。 船 接排风口 载气源和坩埚 石英管 箱法扩散是把杂质源和硅晶片装在由石英或者硅做成的箱内，在氮气或氩气的保护下进行扩散。为了保持箱内杂质源蒸气压的恒定，防止杂质源大量外泄，要求箱子具有密闭性。由于氧化物杂质源的吸水性较强，在扩散之前要进行脱水处理，即由惰性气体在一定温度下进行一定时间的热处理。 涂源法扩散是把溶于溶剂的杂质源直接涂在待扩散的硅片表面，在高温下由惰性气体保护进行扩散。这种扩散方法的表面浓度难以控制且不均匀。 （2）液态源扩散 液态源一般都是杂质的化合物。载气（通常是氮气）通过源瓶，把杂质源蒸气带入扩散炉管内，在高温下杂质化合物与硅反应释放出杂质原子。或者化合物先分解产生杂质的氧化物，氧化物再与硅反应释放出杂质原子。 （3）气态源扩散 气态源扩散是一种臂液态源更为反方便的扩散方法。进入扩散炉内的气体，除了气态杂质源外，有时还需要通入稀释气体或者是气态杂质源进行化学反应所需要的气体。气态杂质源一般先在硅表面进行化学反应生成掺杂氧化层，杂质再由氧化层向硅晶片中扩散。 2.2 离子注入掺杂技术 离子注入是另一种掺杂工艺，它在很多方面都优于扩散方法。现在，集成电路制造的多道掺杂工序都采用离子注入技术，如隔离工序中防止寄生沟道的沟道截断、调整阈值电压的沟道掺杂、CMOS阱的形成及源漏区的注入等主要工序都是靠离子注入来完成的。 离子注入系统简介 离子注入系统的原理示意图如图2-2所示： 质量分析器 质量分析器 加速管 偏速器 扫描器 离子源 硅晶圆片 图2-2 离子注入设备的示意图 离子注入原理 高能离子射入靶（衬底）后，不断与衬底中的原子核及核外电子碰撞，能量逐步损失，最后停下来，每个离子停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。 离子注入单晶后的运动情况主要可以分为两种：一是沿晶轴方向的运动，杂质离子在晶格空隙中穿行，它只受到电子散射，其运动方向基本不会改变，就像在“沟道”中运行一样，这种离子可以走得很远，通常称之为沟道离子。另一类离子的运动方向则远离晶轴，它们通常会与晶格上的原子核碰撞，因此射程较短。为了减小沟道离子的数目，一般在注入时使离子束与晶体主轴方向偏离7°~10°，这时的衬底与非晶靶类似，通常不存在离子沟道。理论计算表明，离子注入到无定形靶中的杂质分布为高斯分布。 退火 退火也叫热处理，集成电路工艺中在氮气等不活泼气氛中进行的所有热处理过程都可以称为退火。 由于离子注入后会在衬底中形成损伤，而且大部分注入的离子并不是以替位的形式位于晶格上，为了激活注入到衬底中的杂质离子（使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用），并消除半导体衬底中的损伤，需要对离子注入后的硅片进行退火。 退火的方式有很多种，最早采用也是最方便的方式是炉退火。但由于炉退火存在很多弊端，为此，近年来发展了很多快速退火工艺。在现代集成电路工艺中，快速退火技术已经在很多工序中逐步取代炉退火。 三·结论 当今时代，集成电路已运用到生活中的各个领域。对于大学生的我们来说，应该充分了解它在各个方面的作用，以及作用原理。掺杂的目的是改变电学性能，我们应该了解这些掺杂方法以及掺杂过程，对集成电路有更深入的了解。 参考文献 [1]戴猷元，张瑾·《集成电路工艺中的化学品》·北京化学工业出版社·2007年1月 [2]曾庆贵·《集成电