半导体制造中，扩散和离子注入流程的用气分析

在半导体芯片的制造过程中，掺杂是构建PN结、调节导电性、实现器件功能的关键步骤。扩散（Diffusion）和离子注入（Ion Implantation）是目前最主要的两种掺杂方式，其工艺设计不仅需要高度的精准性，还对所用气体的种类、纯度、安全性和控制系统提出了严格要求。本文将围绕扩散与离子注入两大工艺，系统分析其所使用的气体类型、功能、使用要求及未来发展趋势。

一、扩散工艺的用气分析

扩散是一种在高温环境下通过气体源向硅晶圆中引入掺杂原子的工艺。其气体系统需具备稳定供应、气氛控制及精密调节功能。

1. 主要掺杂气体

• 二硼烷（B₂H₆）：用于形成P型区域的硼掺杂气体。具有剧毒性和高反应性。

• 磷烷（PH₃）：用于形成N型区域的磷掺杂气体，同样具有高毒性。

• 砷烷（AsH₃）：用于N型掺杂，适合形成浅结，毒性和腐蚀性极高。

2. 辅助气体

• 氮气（N₂）/氩气（Ar）：用于稀释掺杂气体，稳定反应环境，防止硅片被氧化。

• 氧气（O₂）：用于形成掺杂玻璃（如BPSG、PSG），控制掺杂深度与分布。

3. 工艺控制与安全要求

高温扩散炉通常在800℃～1100℃下运行，对气体纯度（≥99.999%）和流量精度有严格要求，配套设备包括质量流量控制器（MFC）、真空系统、安全报警系统及自动切断阀。由于使用多种高毒性气体，气体柜和集中排风系统不可或缺。

二、离子注入工艺的用气分析

离子注入是一种通过高能离子束将掺杂离子直接注入硅片的技术，具有掺杂剂量控制精确、分布可控等优点，广泛应用于先进制程。

1. 常用气体来源

• BF₃（三氟化硼）：常用于注入硼离子，稳定性好。

• PH₃（磷烷）：提供磷离子，但安全风险高。

• AsH₃（砷烷）：用于注入砷离子，适用于深层掺杂和高浓度区域，但其毒性与腐蚀性极强，必须严格管理。

• SbF₅（五氟化锑）：有时用于替代砷作为掺杂源，适用于对电迁移要求高的场景。

这些气体经由注入机离子化，加速后形成离子束，在真空腔体中注入硅片，实现高精度掺杂。相较扩散法，离子注入能更好控制掺杂浓度和深度，适合先进制程节点。

2. 辅助与环境气体

• 氮气（N₂）或氩气（Ar）：用于辅助输送气体、保持注入腔体稳定，且惰性不参与反应。

• 高真空环境：离子注入过程必须在高真空（通常 <10⁻⁵ Torr）下进行，以保证离子束聚焦和稳定性。

此外，设备在注入后常配合热退火工艺以修复晶体缺陷，退火过程中可能使用氮气或氢气/氮气混合气体。

3. 安全与控制要求

离子注入用气同样要求超高纯度（UHP），尤其BF₃、PH₃和AsH₃均为高毒性或腐蚀性气体，须配备：

• 气体泄漏检测系统

• 毒气专用气瓶柜与通风设备

• 自动气体切断系统

• 中央监控与报警平台

• 严格的操作规范和PPE防护要求

三、对比分析与气体选择依据