离子注入与气相掺杂中常用气体一览

在半导体制造中，为了精确控制硅等基底材料的导电性能，必须向其中引入特定数量的杂质原子，这一过程称为“掺杂”。离子注入（Ion Implantation） 和 气相掺杂（Vapor Phase Doping） 是实现掺杂的两种关键技术。它们虽然目的相同，但原理和工艺流程迥异，因此所使用的气体源（Source Gas）也有所区别。

以下是这两种工艺中针对不同掺杂元素（P型和N型）常用的气体汇总。

1. 离子注入（Ion Implantation）

离子注入是一种高能物理过程，它将掺杂元素电离，然后在高压电场中加速，最后像“子弹”一样高速注入到晶圆表面。这种方法的优点是精确控制剂量、深度和均匀性，且在低温下进行。其使用的气体需要能够在离子源中被有效电离，生成目标元素的离子。

P型掺杂常用气体 (主要引入硼 Boron, B)

N型掺杂常用气体 (主要引入磷 Phosphorus, P 和砷 Arsenic, As)

其他辅助气体

• 惰性气体 (Ar, Xe, He)：用于物理性注入，例如在形成非晶层（Pre-amorphization）以抑制后续注入的沟道效应，或在某些材料改性工艺中使用。

• 氢气 ($H_2$)：常用作高毒性气体的稀释气和载气。

2. 气相掺杂（Vapor Phase Doping）

气相掺杂是一种热扩散过程，它在高温（通常 > 900°C）的扩散炉中进行。含有掺杂元素的气体被引入炉管，在高温下分解，并将掺杂原子沉积在晶圆表面，然后通过热能驱动，使这些原子向晶圆内部扩散。这种方法的优点是设备简单、可批量处理，常用于形成较深的结。

该工艺与**化学气相沉积（CVD）中的原位掺杂（In-situ Doping）**原理相似，即在薄膜生长过程中同时引入掺杂气体，使生长出的薄膜直接具备所需的导电性。

P型掺杂常用气体 (主要引入硼 Boron, B)

N型掺杂常用气体 (主要引入磷 Phosphorus, P 和砷 Arsenic, As)

主要载气和稀释气

• 氮气 ($N_2$)：在扩散工艺中，常用作惰性环境气体和携带气体。

• 氢气 ($H_2$)：在CVD原位掺杂中，是硅烷等前驱体的常用载气和稀释气。

• 硅烷 ($Si{H}_4$)、乙硅烷 ($S{i}_2{H}_6$)：在原位掺杂的多晶硅或外延硅生长中作为硅源主气体。

汇总工艺与气体选择情况如下：

值得注意的是，上表中所列的大多数掺杂气体，如砷化氢、磷化氢、乙硼烷等，都具有极高的毒性和易燃易爆性，是半导体工厂中安全风险等级最高的气体，必须在极其严格的安全规范和监控下储存和使用。