杂质掺杂（分布）在半导体中的应用.pptVIP

杂质掺杂 现代半导体器件物理与工艺 Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices 2004,7,30 杂质掺杂 所谓杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内。杂质掺杂的实际应用主要是改变半导体的电特性。扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。 高温扩散：一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由高温的扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高温与扩散时间来决定。 离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注入能量决定。 扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，因为二者互补不足，相得益彰。 基本扩散工艺 杂质扩散通常是在经仔细控制的石英高温炉管中放入半导体硅晶片并通入含有所需掺杂剂的气体混合物。硅的温度在800-1200℃；砷化镓的温度在600-1000℃。扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气体混合物中的杂质分压有关。 对硅而言，B、P和As分别是常用的p型和n型掺杂剂，它们在硅中都有极高的固溶度，可高于5×1020cm-3。引入方式有：固态源（BN、As2O3、P2O5）；液态源（BBr3、AsCl3、POCl3）；气体源（B2H6、AsH3、PH3 ），其中液态源最常用。 使用液态源的磷扩散的化学反应如下： P2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。 对砷化镓的扩散工艺而言，因砷的蒸汽压高，所以需要特别的方式来防止砷的分解或蒸发所造成的损失。包括含过压的封闭炉管中扩散及在含有掺杂氧化物覆盖层（氮化硅）的开发炉管中扩散。p型扩散选用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或ZnAs2（封闭炉管法）或ZnO-SiO2（开放炉管法）。n型掺杂剂有硒和碲。 扩散方程式 半导体中的扩散可以视作在晶格中通过空位或填隙原子形式进行的原子移动。下图显示了2种基本的原子扩散模型。 杂质原子的基本扩散工艺近似于载流子扩散，因此定义通量F为单位时间内通过单位面积的掺杂原子数量，C为掺杂浓度，因此有： 扩散驱动力是浓度梯度，掺杂原子从高浓度区流向低浓度区。 结合一维连续性方程，同时考虑在基质半导体中并无物质生成或消耗（即Gn＝Rn＝0），将得到： 在低掺杂原子浓度时，扩散系数可视为和掺杂浓度无关，则上式变为： 费克（Fick）扩散方程 下图显示了硅与砷化镓中不同掺杂剂在低浓度时实测的扩散系数。一般情况下，D的对数值和绝对温度的倒数成线性关系。意味着在一定的温度范围内，D可表示为 D0是温度到无穷大时的扩散系数（单位：cm2/S）；Ea是激活能，对填隙模型， Ea是掺杂原子从一个间隙移动到至另一个间隙所需的能量；对空位模型，Ea是 杂质原子移动所需能量和形成空位所需的能量总和。空位的Ea较扩散大。 扩散分布 掺杂原子的扩散分布和起始条件与边界条件有关。 考虑两种方式： 恒定表面浓度扩散：杂质原子由气态源传送到半导体表面，然后扩散进入半导体硅晶片，在扩散期间，气态源维持恒定的表面浓度； 恒定掺杂总量扩散：指一定量的杂质淀积在半导体表面，接着扩散进入硅晶片内。 恒定表面浓度扩散 t＝0时初始条件是 表示半导体杂质浓度开始为零，边界条件是 Cs是x＝0处的表面浓度，与时间无关。X＝∞，距离表面无穷远无杂质原子。 符合起始与边界条件的扩散方程式的解是： erfc是余误差函数 上图为余误差函数分布 下图为恒定表面浓度的扩散分布 半导体单位面积的掺杂原子总数是 代入C（x，t）有 一个相关量是扩散分布的梯度dC/dt，这个梯度可对C（x，t）微分得到 恒定杂质总量扩散 一恒定总量的杂质以一层薄膜的形式淀积在半导体表面，接着进入半导体内。t＝0时的初始条件C（x，0）＝0，边界条件是： S为单位面积掺杂总量。符合上述扩散方程的解为： 此为高斯分布，杂质将随时间的增加扩散进入半导体，而总掺杂量S恒定，所以 表面浓度必然下降。在x＝0处表面浓度为： 上图为高斯函数分布 下图为恒定杂质总量的扩散分布 余误差分布与高斯分布的归一化 浓度与归一化距离的关系 注意到随时间的增加，表面浓度下降，微分可得扩散分布的梯度： 浓度梯度在x＝0与x＝∞处是零，同时最大梯度将发生在x＝2(Dt)1/2处。 在集成电路工艺中，通常采用两阶段步骤扩散，首先在恒定表面浓度扩散条件下 形成预淀积扩散层，接着在恒定掺杂总量扩散条件下，进行再分布扩散。 扩散层的计算 扩散工艺的结构可由三种测量方式来评价：扩散层的结深、方块电阻与杂质分布。下图是在半导体内磨以凹槽并用溶液腐蚀去除表面，溶液会使p型区颜色暗，因而描绘出结深。 用磨槽和染色法测量结深 若R0是磨槽所用工具的半径