掺杂（离子注入）

好啦，“挖洞”的工艺，介绍完了。

此时的晶圆表面，已经被刻出了各式各样的沟槽和图形。

接下来，我们再来看看掺杂工艺。

晶体管是芯片的基本组成单元。而每一个晶体管，都是基于PN结。如下图（MOSFET晶体管，NPN）所示，包括了P阱、N阱、沟道、栅极，等等。

图1：MOSFET晶体管，NPN

前面的光刻和刻蚀，我们只是挖了洞。接下来，我们要基于这些洞，构造出P阱、N阱。

纯硅本身是不导电的，我们需要让不导电的纯硅成为半导体，就必然需要向硅内掺入一些杂质（称为掺杂剂），改变它的电学特性。

例如，向硅材料内掺入磷、锑和砷，就可以得到N阱。掺入硼、铝、镓和铟，就可以得到P阱。

N是有自由电子的。P有很多空穴，也有少量的自由电子。通过在通道上加一个栅极，加一个电压，可以吸引P里面的电子，形成一个电子的通道（沟道）。在两个N加电压，NPN之间就形成了电流。

如下图所示：

图中，底下就是P阱衬底。两个洞是N阱。

也就是说，做这个NPN晶体管时，在最开始氧化之前，就已经采用了离子注入，先把衬底做了硼元素（含少量磷元素）掺杂，变成了P阱衬底。（为了方便阅读，这个步骤我前面没讲。）

现在，挖洞的部分，就可以做磷元素掺杂，变成N阱。

大家看懂了没？掺杂的目的，就是创造PN结，创造晶体管。

掺杂，包括热扩散（Diffusion）和离子注入（Implant）两种工艺。因为热扩散工艺因其难以实现选择性扩散，所以，除特定需求之外，目前大部分都是使用离子注入工艺。

离子注入，就是用高能粒子束，将杂质直接射入到硅片中。

离子源基本上都是注入气体（因为方便操作），例如磷烷（PH3）或者三氟化硼（BF3）。气体通过离化反应室时，被高速电子撞击，气体分子的电子被撞飞，变成离子状态。

此时的离子成分比较复杂，包括硼离子、氟离子等。就要通过质谱分析仪，构建磁场，让离子发生偏转，把需要的离子挑出来（不同的离子，偏转角度不一样），然后撞到晶圆上，完成离子注入。

图2：离子注入机的构造（来源：《半导体制造技术导论》）

此时，二氧化硅层（氧化层）就变成了离子注入的阻挡层。

离子注入之后，需要将硅表面加热到900℃，进行退火。

退火，可以让注入的掺杂离子进一步均匀扩散到硅片中。同时，也可以修复离子注入对晶圆造成的损伤（离子注入时，会破坏硅衬底的晶格）。

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