离子注入工艺

加热扩散的物理原理众所皆知，工艺工具相当简单且不昂贵，然而扩散过程有一些主要的限制。例如，掺杂物浓度和结深无法独立控制，因为这两项都与扩散温度密切相关。另一个主要的缺点是掺杂物的分布轮廓是等向性的，由扩散过程的自然特性造成。

使用离子注入掺杂半导体技术由第一个晶体管的三个发明者之一威廉-肖克莱于1954年在贝尔实验室首次提出。肖克莱同时也拥有离子注入技术的专利（美国专利2787564）。受第一颗原子弹研究的驱使，高能离子束物理和技术在第二次世界大战期间开始发展，加速器与同位素分离技术已经直接用于离子注入机的设计。离子注入技术在20世纪70年代中期使用后已在很大程度上革新了集成电路的制造过程。

20世纪70年代中期之前，半导体的掺杂一直使用扩散过程，这个工艺过程需要二氧化硅遮蔽层。这时双载流子晶体管是集成电路市场的主流。当MOS开始发展时，MOS是由速度较慢的P型晶体管制成，而并非速度较快的N型晶体管。P型掺杂物硼比N型掺杂物磷或砷在单晶硅中的扩散快。扩散过程中，要形成重掺杂的P型源极/漏极比形成重掺杂的N型源极/漏极容易。因为硼在二氧化硅中的扩散比在硅中的扩散慢，所以源极/漏极是通过以二氧化硅为遮蔽层的硼扩散形成的。

对于PMOS,用二氧化硅作为掩蔽层通过硼离子扩散形成源极/漏极，这是因为硼在二氧化硅中的扩散速率远小于在硅中的扩散速率。源极/漏极扩散之后，栅极区域被刻蚀并清洗干净后生长较薄的栅氧化层，接着形成金属栅极。如果栅光刻版没有与源极/漏极对准（见下图）,则晶体管将无法正常工作。加大栅极可以确保栅极覆盖住源极/漏极。当图形尺寸缩小时，栅极对准的问题已经引起了很大的挑战。

通过离子注入技术，使用所谓的自对准源极/漏极过程已经解决了栅极对准的问题。在这种情况下，栅极氧化层生长后就沉积多晶硅，然后进行图形化和刻蚀。去光刻胶后，具有高电流的离子注入用于形成源极和漏极。因为多晶硅栅极和氧化层将阻挡住离子，所以源极和漏极就可以一直和多晶硅栅极对准（见下图）。

使用离子注入技术形成重掺杂的N型结并不困难，所以N型晶体管在离子注入技术发明后很快取代了速度较慢的P型晶体管。离子注入之后，高能量的掺杂物离子轰击将破坏衬底的单晶结构。修复晶体的损伤及激活掺杂物需要高温（高于1000T）热退火工艺，因为热处理的温度很高且将导致铝金属熔化，所以需要另一种导体作为栅极材料。多晶硅与多晶硅-硅化物（称为多晶金属硅化物）已经是成熟的栅极材料。然而晶体管仍被称为MOS,没有人将其称为POS（多晶硅氧化物半导体）。

审核编辑：刘清