晶圆制造过程中的掺杂技术

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

本文主要讲述晶圆中的杂质。

在超高纯度晶圆制造过程中，尽管晶圆本身需达到11个9（99.999999999%）以上的纯度标准以维持基础半导体特性，但为实现集成电路的功能化构建，必须通过掺杂工艺在硅衬底表面局部引入特定杂质。

掺杂作用

这一看似矛盾的操作，本质是通过精准调控半导体材料的电学特性以实现器件功能。硅作为第Ⅳ主族元素，在纯净单晶态下呈现接近绝缘体的特性——其价带与导带间存在约1.1eV的禁带宽度，导致常温下自由载流子浓度极低，无法形成有效电流。

通过引入第Ⅴ主族元素（如磷、砷）或第Ⅲ主族元素（如硼），可系统性改变硅的导电机制：前者通过提供额外价电子形成N型半导体，自由电子成为主要载流子；后者通过产生空穴形成P型半导体，空穴作为正电荷载体实现导电。这种基于能带工程的杂质调控，正是半导体器件实现PN结、晶体管等核心功能的基础。

掺杂技术

当前主流的掺杂技术体系包含热扩散与离子注入两大路径：

热扩散工艺通过高温环境（通常800-1200℃）促使杂质原子在浓度梯度驱动下向硅基体内扩散，其杂质分布曲线由扩散系数、温度梯度及时间参数共同决定，适用于大面积均匀掺杂场景。

离子注入技术则通过电离杂质原子并经电场加速至高能状态（数十至数百keV），直接轰击晶圆表面实现深度可控的掺杂，其核心优势在于可结合光刻胶掩模实现亚微米级精度的局部掺杂，且通过剂量与能量的精确调控可形成陡峭的杂质分布曲线。

近年来，随着先进制程向3nm及以下节点推进，离子注入技术持续迭代：高能离子注入机已实现百万级剂量控制精度，配合多重注入工艺可构建复杂的三维掺杂结构；低温离子注入技术通过抑制晶格损伤，有效提升超薄晶圆（如SOI结构）的工艺兼容性；而等离子体浸没离子注入（PIII）等创新方案则通过高密度等离子体源实现更均匀的掺杂效果，成为三维集成电路（3D IC）的关键支撑技术。

杂质选择

在杂质选择方面，传统N型杂质（磷、砷）与P型杂质（硼）仍占主导地位，但新兴材料体系正拓展掺杂边界。例如，碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）等宽禁带半导体需采用铌、钽等高迁移率杂质实现高性能器件；二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）则通过表面吸附或嵌入掺杂探索新型载流子调控机制。

此外，量子点掺杂、应变工程掺杂等前沿方向正通过纳米尺度杂质分布设计与晶格应变耦合，实现载流子有效质量的精准调控，为后摩尔时代的器件性能突破提供新路径。这些技术演进不仅巩固了离子注入在先进制程中的核心地位，更推动着半导体材料与器件设计向更精细、更高效的方向持续发展。