半导体工艺处理掺杂基本知识与技术
半导体工艺中掺杂的过程中
半导体工艺中掺杂的过程中
掺杂是半导体工艺中的一项关键步骤，它通过加入少量的杂质（掺杂剂）改变半导体的电子结构，从而改变其电子性质，使之具有特定的导电或者非导电性质。
掺杂的过程通常分为以下几个步骤：
1. 掺杂剂的选择：根据所需改变的电子性质，选择合适的掺杂剂。
常见的掺杂剂包括磷、硼、砷等。
2. 掺杂剂的制备：将掺杂剂与纯净的半导体材料进行混合，制备出掺杂剂溶液或者粉末。
3. 掺杂剂的添加：将掺杂剂溶液或者粉末添加到半导体材料上。
这可以通过不同的方法进行，如扩散、离子注入、溅射等。
4. 热处理：将掺杂后的半导体材料进行热处理，通常在高温下进行。
热处理可以促使掺杂剂在半导体材料中扩散，并形成浓度梯度。
通过以上步骤，掺杂剂将加入半导体材料中，改变了其电子结构。
掺杂的过程可以使半导体材料成为导电材料（n型或p型），或者改变其导电性能，并且可以控制其电子载流子浓度和迁移率。
掺杂还可以用于制备PN结等器件结构。
现代半导体器件物理与工艺(杂质掺杂详解~)
现代半导体器件物理与工艺Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices杂质掺杂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。
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面杂质浓度将从表面到体内单降杂质分布由高与扩散时间来决定。
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6001000扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气体混合物中度在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。
对硅而言型掺杂剂它们在硅中都有极对硅而言，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：3225243 26POCl O P O Cl +→+在硅晶片上形成层玻璃并由硅还原出磷氯气被带走P2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。
25225 45P O Si P SiO +→+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。
半导体FAB厂PIE入门技术知识解读
将所需元素以离子形式注入到晶圆中，实 现精确掺杂。关键技术包括离子源、加速 系统、束流控制等。
材料选择与特性分析
硅材料
作为晶圆的主要材料，具有高纯度、良好结晶性、稳定化 学性质等特点。不同晶向和掺杂浓度的硅材料具有不同的 电学性能。
介质材料
用于制作绝缘层、钝化层等。常用介质材料包括二氧化硅 、氮化硅等，具有优异绝缘性能、良好化学稳定性等特点 。
设备维护保养计划制定和执行
制定维护保养计划
根据设备使用频率、重要性和故障历史等数据，制定合理 的维护保养计划，包括定期保养、预防性维护、紧急维修 等内容。
执行维护保养计划
按照计划进行设备的维护保养工作，包括清洁设备表面和 内部、更换磨损部件、调整设备参数等。同时，记录维护 保养过程和结果，以便后续分析和改进。
预防措施制定以降低异常发生率
原因分析
对生产过程中出现的异常进行深 入分析，找出根本原因，为制定
预防措施提供依据。
预防措施制定
根据异常原因分析结果，制定相 应的预防措施。例如，加强设备 维护和保养、优化工艺流程和控
制、提高员工技能和素质等。
持续改进
定期对预防措施的效果进行评估 和改进，不断完善生产过程中的 异常处理机制，降低异常发生率
金属材料
用于制作电极、互联线等导电结构。常用金属材料包括铝 、铜等，具有低电阻率、良好可焊性等特点。
高分子材料
用于制作封装材料、粘合剂等。高分子材料具有多样性、 易加工性等特点，在半导体制造中起到重要作用。
03
CATALOGUE
工艺整合基本概念及实践
工艺整合目标与方法论
目标
实现产品良率提升、成本降低、 周期时间缩短等关键指标。
半导体FAB厂 PIE入门技术知 识解读
掺杂工艺技术
掺杂工艺技术掺杂工艺技术是指在半导体制程中加入外源杂质，以改变材料的电学、光学、磁学等性质的一种方法。
掺杂工艺技术广泛应用于半导体器件的制造过程中，其中最常见的是掺杂工艺技术在制备掺杂硅材料中的应用。
掺杂工艺技术通过改变半导体材料中的成分，使其具有不同的导电性质。
在制备掺杂硅材料的过程中，通常使用有机气相沉积（CVD）或者分子束外延（MBE）等方法，并且以硼、磷、砷等为掺杂原料。
掺杂的流程主要分为两步，首先是在高温下将掺杂原料加入到反应室中，并且通过热分解的反应使得掺杂原料分解为等离子体，然后将等离子体中的掺杂原子沉积在硅基片表面，最终获得掺杂硅材料。
掺杂工艺技术对于半导体器件的性能有着重要的影响。
在硅材料中，硼的掺杂能够使材料呈现P型导电性，而磷、砷的掺杂则使材料呈现N型导电性。
这种掺杂工艺使得硅材料能够实现多种原子的掺杂，从而实现了电子器件的复杂功能。
除了对硅材料的掺杂，在其他材料中掺杂工艺技术也起到了重要的作用。
例如，在光电器件领域，将掺杂硅材料与氮材料混合掺杂，可以实现材料的光导性能和发光性能的提升，从而制备出高性能的光电器件。
掺杂工艺技术的发展受到了材料制备技术的限制。
目前，虽然已经有了一系列的掺杂工艺技术，但是仍然存在一些问题需要解决。
例如，在掺杂过程中，掺杂剂的深度分布和浓度分布是非常关键的。
因此，研究如何精确控制掺杂剂的分布成为了一个重要的研究内容。
总之，掺杂工艺技术是一种重要的制备半导体材料的方法，通过掺杂不同的原子能够改变材料的电学、光学、磁学等性质。
这种工艺技术的发展为电子器件的制备提供了有力的支持，并且在光电器件领域也起到了重要的作用。
然而，仍然存在一些问题需要解决，需要进一步的研究和改进。
半导体器件物理与工艺笔记
半导体器件物理与工艺笔记半导体器件物理与工艺是一个关于半导体器件的科学领域，主要研究半导体材料的性质、器件的物理原理以及制造工艺等方面的知识。
以下是一些关于半导体器件物理与工艺的笔记：1. 半导体基本概念：- 半导体是指在温度较高时表现出导电性的材料，但在室温下又是非导体的材料。
- 半导体材料有两种类型：N型半导体和P型半导体。
N型半导体是掺杂了电子供体（如磷或砷）的半导体，P型半导体是掺杂了空穴供体（如硼或铝）的半导体。
2. PN结：- PN结是由N型半导体和P型半导体通过扩散而形成的结构。
- 在PN结中，N区的自由电子从N区向P区扩散，而P区的空穴从P区向N区扩散，产生了电子-空穴对的复合，形成正负离子层。
- 在PN结的平衡态下，电子从N区向P区扩散的电流等于空穴从P区向N区扩散的电流，从而形成零电流区域。
3. PN结的运行状态：- 正向偏置：将P区连接到正电压，N区连接到负电压，使PN结变突。
此时，电子从N区向P区流动，空穴从P区向N区流动，形成正向电流。
- 反向偏置：将P区连接到负电压，N区连接到正电压。
此时，电子从P区向N区流动，空穴从N区向P区流动，形成反向电流。
- 断电区：当反向电压超过一定电压（称为击穿电压）时，PN结会进入断电区，电流急剧增加。
4. 半导体器件制造工艺：- 掺杂：在制造半导体器件时，需要将掺杂剂（如磷、硼等）加入到半导体材料中，改变半导体的电子结构，使其成为N型或P型半导体。
- 光刻：通过光刻技术，在半导体材料表面上制作出微小的图案，用于制造电路中的导线和晶体管等元件。
- 氧化：将半导体材料置于高温下与氧气反应，形成一层硅氧化物薄膜，用于对半导体器件进行绝缘和隔离。
- 金属沉积：将金属材料沉积在半导体材料上，用于制造电子元件中的金属电极。
- 焊接：将多个半导体器件通过焊接技术连接在一起，形成电子电路。
这些只是半导体器件物理与工艺的一部分内容，该领域还涉及到更深入的知识和技术。
MEMS工艺(3半导体工艺)
掺杂的主要形式：注入和扩散
退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不
活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。
目的：激活杂质
消除损伤 结构释放后消除残余应力
退火方式：
炉退火 快速退火
1.扩散工艺
•定义：在一定温度下杂质原子具有一 定能量，能够克服阻力进入半导体并 在其中做缓慢的迁移运动。 •形式：替代式扩散和间隙式扩散
• 2．漏电电流大：表面沾污引起的表面漏电；氧化层的 缺陷破坏了氧化层在杂质扩散时的掩蔽作用和氧化层在 电路中的绝缘作用而导电；硅片的缺陷引起杂质扩散时 产生管道击穿。
• 3．薄层电阻偏差
• 4．器件特性异常：击穿电压异常；hFE异常；稳压二
极管稳压值异常。
。
工艺控制
• 污染控制：颗粒、有机物、薄膜、金属离子 • 污染来源：操作者,清洗过程,高温处理,工具 •• 参量控制：温度，时间，气体流量(影响最大?) • 1.温度控制：源温、硅片温度、升温降温、测温 •2.时间： 进舟出舟自动化, 试片 • 3.气体流量：流量稳定，可重复性，假片
离子注入
• 特点：横向效应小，但结深浅；杂质量可控；晶格缺陷多 • 基本原理：杂质原子经高能粒子轰击离子化后经电场加速轰击硅片表面，形成注入层 • 装置：离子源、聚焦、分析器、加速管、扫描、偏转、靶室、真空系统
离子注入系统的原理示意图
离子注入的步骤
注入的离子在基底中的分布
• 根据Ruska(1987)，注入离子的浓度N（X）可遵循下面方程式
分类
• 普通热退火 • 硼的退火特性 • 磷的退火特性 • 扩散效应 • 快速退火
•方式：
•热退火：管式炉，保护气氛，900C， 20~30min，用于再扩散
半导体工艺基本知识
半导体工艺基本知识半导体工艺啊，就像是一场微观世界里的奇妙魔术。
咱们先从硅片说起吧。
硅片就好比是盖房子的地基，整个半导体世界都建立在它之上。
硅呢，是一种很神奇的材料，在沙子里就能找到它的身影。
你说神不神？把沙子变成能做半导体的硅片，这得经过多少道工序啊。
就像把一块普通的石头打磨成一颗璀璨的宝石一样不容易。
这硅片得做得平平整整、干干净净的，哪怕一点点小杂质或者小凸起，那对后面的工艺来说，就像在一碗好汤里掉进了一粒老鼠屎一样，坏了整锅汤。
掺杂工艺也很有趣。
这就像是给硅片这个大集体里安排不同职责的成员。
往硅片里掺入一些特殊的元素，就像在一群人中安排几个特别的角色一样。
这些被掺进去的元素会改变硅片的电学性质，让它能实现各种各样的功能。
比如说，本来硅片可能比较老实，不太导电，但是一掺杂之后，就像给它注入了活力，变得能很好地导电了。
这感觉就像是给一个内向的人注入了自信，突然就变得活跃起来了。
蚀刻工艺又是什么样的呢？它有点像雕刻家拿着刻刀在作品上精雕细琢。
把不需要的部分去掉，留下我们想要的电路结构。
这个过程得小心翼翼的，要是不小心多刻掉了一点，那就像厨师做菜的时候盐放多了一样，整个味道就不对了。
芯片的性能也就受到影响了。
薄膜沉积工艺呢，就像是给硅片穿上一层一层的衣服。
这些衣服可有讲究了，不同的薄膜有着不同的功能。
有的是为了绝缘，就像冬天穿的棉衣，把寒冷隔开；有的是为了传导电流，就像电线外面的那层皮，起着保护和传导的作用。
每一层薄膜都得均匀地覆盖在硅片上，如果有薄有厚，那就像衣服穿得歪歪扭扭的，既不美观也不实用。
在半导体工艺的世界里，清洁度是至关重要的。
这就好比咱们住的房子，如果到处都是灰尘垃圾，肯定住着不舒服。
在半导体制造车间里，一点点灰尘都可能毁掉一个芯片。
所以那里的环境得保持得超级干净，工作人员都得穿着特殊的工作服，就像一群白色的小精灵在微观世界里忙碌着。
半导体工艺涉及到的设备也很复杂昂贵。
那些设备就像是一个个巨大的怪兽，静静地蹲在那里，等着人们去操作它们。
半导体掺杂简介解读
半导体掺杂简介解读第⼗⼀章掺杂概述导电区和N-P结是晶圆内部或表⾯形成的半导体器件的基本组成部分。
他们是通过扩散或离⼦注⼊技术在晶圆中形成的。
本章将具体介绍N-P结的定义，扩散与离⼦注⼊的原理及⼯艺。
⽬的完成本章后您将能够：1.定义P-N结。
2.画出完整的扩散⼯艺流程图。
3.描述淀积步骤与推进步骤的不同。
4.列举三种类型的淀积源。
5.画出淀积和推进⼯艺的典型杂质浓度与深度位置的关系曲线。
6.列举离⼦注⼊机的主要部件。
7.描述离⼦注⼊的原理。
8.⽐较扩散与离⼦注⼊⼯艺的优势劣势。
结的定义使晶体管和⼆极管⼯作的结构就是N-P结。
结（junction）就是富含带负电的电⼦的区域（N 型区）与富含空⽳的区域（P型区）的分界处。
结的具体位置就是电⼦浓度与空⽳浓度相同的地⽅。
这个概念在扩散结的形成章节中已作过解释。
在半导体表⾯形成结的通常做法是热扩散（diffusion）或离⼦注⼊（ion implantation）。
掺杂区的形成扩散的概念扩散掺杂⼯艺的发展是半导体⽣产的⼀⼤进步。
扩散，⼀种材料通过另⼀种材料的运动，是⼀种⾃然的化学过程，在现实⽣活中有很多例⼦。
扩散的发⽣需要两个必要的条件。
第⼀，⼀种材料的浓度必需⾼于另外⼀种。
第⼆，系统内部必须有⾜够的能量使⾼浓度的材料进⼊或通过另⼀种材料。
扩散的原理被⽤来将N-型或P-型杂质引进到半导体表层深部。
然⽽，⼩尺⼨器件的要求使业界转⽽采⽤离⼦注⼊作为主要的掺杂技术。
但是，⼀旦杂质进⼊晶圆的表⾯，后续的⾼温过程都会使它继续移动。
扩散定律决定了后续的移动。
⽓相扩散的⼀个例⼦就是常见的充压的喷雾罐（图11.1），⽐如房间除臭剂。
按下喷嘴时，带有压⼒的物质离开罐⼦进⼊到附近的空⽓中。
此后，扩散过程使得⽓体移动分布到整个房间。
这种移动在喷嘴被按开时开始，并且在喷嘴关闭后还会继续。
只要前⾯的喷雾引⼊的浓度⾼于空⽓中的浓度，这种扩散过程就会⼀直继续。
随着物质远离喷雾罐，物质的浓度会逐渐降低。
半导体工作原理
半导体工作原理半导体是一种具有特殊导电性质的物质，它在现代电子技术中起着重要的作用。
本文将深入探讨半导体的工作原理及其在电子设备中的应用。
一、半导体基础知识半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料，其导电性介于金属和非金属之间。
半导体中的载流子可以是电子或空穴，它们的行为受到原子晶格结构及掺杂材料的影响。
二、杂质掺杂为了改变半导体的导电性能，可以通过掺杂来引入少量杂质原子。
掺杂分为两种类型：n 型掺杂和 p 型掺杂。
n 型半导体是通过在原有半导体中加入能够提供自由电子的掺杂原子，如磷或砷。
p 型半导体是通过在原有半导体中加入能够提供空穴的掺杂原子，如硼或铝。
三、PN结PN 结是由一个p 型半导体与一个n 型半导体直接接触形成的结构。
在 PN 结中，由于电子从 n 区域向 p 区域迁移，形成了一个电子富集区。
同时，由于空穴从 p 区域向 n 区域迁移，形成了一个空穴富集区。
这两个富集区之间形成了一个电势差，称为内建电压。
PN 结的工作原理基于这一内建电势差。
四、正向偏置和反向偏置在实际应用中，PN 结可以通过外加电压来改变其导电性能。
当外加正向电压时，即 p 区域连接正极，n 区域连接负极，这种情况下，电子从 n 区域向 p 区域迁移，空穴从 p 区域向 n 区域迁移，PN 结导通。
这被称为正向偏置。
当外加反向电压时，即 p 区域连接负极，n 区域连接正极，这种情况下，电子和空穴被引向迁移到 PN 结两端，PN 结不导电。
这被称为反向偏置。
五、二极管二极管是由一个 P 型半导体和一个 N 型半导体组成的器件。
在二极管中，当施加正向电压时，电流通过，而在施加反向电压时，电流被阻止通过。
二极管可用于整流、保护电路及信号调制等应用。
六、晶体管晶体管是一种三层结构的半导体器件，由一个 p 型半导体和两个 n型半导体组成。
晶体管分为 NPN 型和 PNP 型两种。
晶体管的工作原理基于外加电压的控制，当外加电压超过一定阈值时，电流得以通过，否则电流被阻断。
半导体器件重要知识点总结
半导体器件重要知识点总结一、半导体基础知识1. 半导体的概念及特性：半导体是指导电性介于导体和绝缘体之间的一类材料。
由于半导体材料的导电性能受温度、光照等外部条件的影响比较大，它可以在不同的条件下表现出不同的导电特性。
半导体材料常见的有硅、锗等。
2. P型半导体和N型半导体：P型半导体是指在半导体材料中掺入了3价元素，如硼、铝等，使其成为带正电荷的空穴主导的半导体材料。
N型半导体是指在半导体材料中掺入了5价元素，如磷、砷等，使其成为自由电子主导的半导体材料。
3. 掺杂：半导体器件在制造过程中一般都要进行掺杂，以改变其导电性能。
掺杂分为N型掺杂和P型掺杂，通过掺杂可以使半导体材料的导电性能得到调控，从而获得所需要的电子特性。
4. pn结：pn结是指将P型半导体和N型半导体直接连接而成的结构，它是构成各类半导体器件的基础之一。
pn结具有整流、发光、光电转换等特性，在各类器件中得到了广泛的应用。
二、半导体器件的基本知识1. 二极管（Diode）：二极管是一种基本的半导体器件，它采用pn结的结构，在正向偏置时可以导通，而在反向偏置时则将电流阻断。
二极管在各类电子电路中具有整流、电压稳定、信号检测等重要作用。
2. 晶体管（Transistor）：晶体管是一种由半导体材料制成的三电极器件，它采用多个pn结的结构，其主要功能是放大信号、开关电路和稳定电路等。
晶体管在各类电子器件中扮演着至关重要的作用，是现代电子技术的重要组成部分。
3. 集成电路（IC）：集成电路是将大量的半导体器件集成在一块半导体芯片上的器件，它可以实现各种功能，如存储、计算、通信等。
集成电路在现代电子技术中已成为了各类电子产品不可或缺的一部分，是现代电子产品的核心之一。
4. MOS场效应管（MOSFET）：MOSFET是一种基于金属-氧化物-半导体的结构的场效应晶体管，它在功率控制、开关电路、放大器等方面有着重要的应用。
MOSFET在各类电源、电动机控制等领域得到了广泛的应用。
半导体工艺基础 第七章 掺杂技术-离子注入
毛细管形
钨针
对液态金属的要求
(1) 与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润；
(3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温
度下既保持液态又不蒸发。
能同时满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少
数几种，其中 Ga 是最常用的一种。
E3
E1 是主高压，即离子束的
Lf Ld
k
Vf Fe qE q ( j ), d Fm qv B qvB ( j )
1 2 2qVa 由 qVa mv 得 v , 代入 Fm , 得： 2 m
1 2
2qVa Fm qB( j ) m
1 2
Vf 2qVa 当 Fe Fm 时，即当 q qB 时， d m
引 出 极
E2 E1
加速电压；E2 是针尖与引出极
之间的电压，用以调节针尖表
面上液态金属的形状，并将离 子引出；E3 是加热器电源。
针尖的曲率半径为 ro = 1 ~ 5 m，改变 E2 可以调节针尖与
引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆
锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级，这就是 LMIS 能产生小 束斑离子束的关键。
半径为
1 2
2Va mv 2mVa r 2 2 qB qB qo B
1 2
1 2
2Va 从上式可知，满足荷质比 qo 2 2 的离子可通过光阑 2。 r B
或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场 B 使之满足下式，从而使该种离子通过光阑 2，
1483 405 677
855
半导体工艺技术基础知识
半导体工艺技术基础知识半导体工艺技术是制造半导体器件的关键技术之一，是现代电子产业发展的重要支撑。
以下是关于半导体工艺技术的基础知识。
半导体材料是一种介于导体与绝缘体之间的材料。
常见的半导体材料包括硅（Si）和砷化镓（GaAs）等。
半导体材料的导电性能受温度、掺杂物浓度和外加电场等因素的影响。
半导体材料的电导率可以通过掺杂来调控，将杂质原子（掺杂剂）添加到半导体材料中，可以使其导电性能得到改善。
半导体器件的制造通过一系列的工艺步骤完成。
首先，需要通过杂质掺杂的方法，改变半导体材料的导电性能。
常见的掺杂方法包括离子注入和溅射。
离子注入是将掺杂剂离子加速到高能量，并注入到半导体材料中，从而改变其电导率。
溅射是将掺杂剂材料蒸发，经过激发后，附着到半导体材料表面，改变其导电性能。
掺杂完成后，需要进行退火处理，使掺杂剂均匀分布在半导体材料中。
之后，需要进行光刻工艺，将器件的图形转移到半导体材料表面，形成光刻胶，再通过光照的方式选择性地去除部分光刻胶。
光刻胶的选择和图形的设计对器件的最终性能具有重要影响。
接下来是蚀刻工艺，通过湿法或干法将半导体材料表面的非需要部分去除，形成所需的器件结构。
湿法蚀刻使用化学液体，干法蚀刻使用高能粒子束。
蚀刻结束后，需要进行清洗工艺，去除蚀刻产生的杂质。
最后是沉积工艺，将需要的金属或绝缘体沉积在半导体材料上，形成金属引线或绝缘层等。
沉积工艺包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）等。
半导体工艺技术的基础知识不仅包括以上的材料和工艺步骤，还包括器件设计和测试等方面的知识。
器件设计需要根据需求和性能要求，选择合适的材料和工艺方法。
器件测试需要使用一系列的测试仪器，评估器件的性能和可靠性。
总之，半导体工艺技术是现代电子产业必不可少的一部分。
掌握半导体工艺技术的基础知识，对于理解和应用半导体器件具有重要的意义。
半导体的掺杂原理与技术
半导体的掺杂原理与技术李文南京大学作者简介：李文，来自南京大学化学化工学院，学号为171870585.摘要：半导体的掺杂是指将一定数量和一定种类的杂质掺入硅等半导体中，并获得精确的杂质分布形状的技术。
掺杂对于半导体工业有着举足轻重的作用，是实现p型和n型半导体的重要途径。
目前的主要掺杂技术有热扩散技术和离子注入技术。
本文将简要介绍这两种技术的掺杂原理和部分操作技术。
关键词：半导体掺杂；热扩散技术；离子注入技术1.前言一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由高温的扩散方式来完成，杂志原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或沉积到硅晶片的表面，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和扩散时间来决定的。
而离子注入技术则是将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的质量和注入的能量决定。
扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，两者的优缺点互补，相得益彰。
2.半导体掺杂原因完整纯净、具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。
在绝对零度条件下，本征半导体的价带都是满带，但是现实中温度不可能达到绝对零度，而且半导体很容易接受光辐射，在接受光电注入和热激发后，价带中的部分电子就会在接受能量的情况下穿过禁带跃迁到能量更高的导带，由于价带上的电子跃迁离开，故而在价带中形成了带正电的空穴，上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为载流子。
但是在常温下，光照和热激发都不能激发出很多的载流子，因而本征半导体中的载流子浓度很低，电导率很小。
但同时其本征载流子的浓度受温度影响很大，而实际的电路中温度变化又比较剧烈，故而很难对半导体特性进行控制，因此实际上本征半导体的应用不多。
为了改变半导体材料的载流子浓度和导电类型，我们科研将一定数量和一定种类的杂质掺入其中。
比如在硅中掺入第三四主族的元素单质，诸如硼、磷、砷、碲等等，这些杂质在硅单晶中能够代替硅原子参与整个原子晶体的成键过程。
半导体掺杂技术
半导体掺杂技术半导体的发展：半导体从出现到发展到现在的阶段，经过了六⼗⼏的时间。
第⼀个放⼤器产⽣于1938年，是由波欧（Robert Pohl）与赫希（Rudo if Hilsch）所做的，使⽤的是溴化钾晶体与钨丝做成的闸极管的固态三端⼦元件的实⽤性。
⼆次⼤战后，美国的贝尔实验室（BellLab），成⽴了固态物理的研究部门。
1947年11⽉17⽇，巴丁与布莱登（W alter Brattain1902~1987）在矽表⾯滴上⽔滴，⽤涂了蜡的钨丝与矽接触，再加⼀⼀伏特的电压，发现流经接点的电流增加了。
但若想得到⾜够的功率放⼤，相邻两接两接触点的距离要接近到千分之⼆英⼨以下。
12⽉16⽇，布莱登⽤⼀块三⾓形塑料，在塑料⾓上贴上箔，然后⽤⼑⽚切开⼀条细缝，形成距离很近的电极，其中，加正压的称为射极（emitter）,负电压的称为集极（collector）,塑料下⽅接触的锗晶体就是基极（base），构成第⼀个点接触电晶极。
19545年5有，第⼀颗以矽做成的电晶体才由美国德州仪器公司（Texas Instruments）开发成功；约在同时，利⽤⽓体扩散来把杂质掺⼊半导体的技术也由贝尔实验室与奇异公司研发出来；在1975年底，各界已制造出六百种以上不同形式的电晶体，使⽤于包括⽆线电、收⾳机、电⼦计算机甚⾄助听器等等电⼦产品。
但其结构皆属于⾼台式的。
1958年，快捷半导体公司（Fairchild Sen iconductor）发展出⾯⼯艺技术（planartechnology），借着氧化、黄光微影、蚀刻、⾦属蒸镀等技巧，可以很容易地矽晶⽚的同⼀⾯制作半导体元件。
1960年，磊晶术也技也由贝尔实验室发展出来了。
⾄此，半导体⼯业获得了可以批次⽣产的能⼒，终于站稳脚步，开始快速成长。
半导体发展到今天，其加⼯⼯艺种类越来越繁多，⽽且⼯艺越来越成熟，设备越先进。
掺杂技术做为⼀项重要的技术，被⼴泛应⽤于IC⽣产中。
半导体的掺杂技术主要有扩散⼯艺和离⼦注⼊两种形式。
半导体制作工艺----掺杂解析
33
锡
50
锑
51
5.2 扩散
扩散是微电子工艺中最基本的工艺之一，是在约 1000℃的高温、p型或n型杂质气氛中，使杂质向衬 底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半 导体定域、定量掺杂的一种工艺方法，也称为热扩 散。
在集成电路发展初期是半导体器件生产的主要技术 之一。但随着离子注入的出现，扩散工艺在制备浅 结、低浓度掺杂和控制精度等方面的巨大劣势日益 突出，在制造技术中的使用已大大降低。
扩散机理
掺杂剂在半导体中的扩散可以看成是：
杂质原子在晶格中以空位或间隙原子形式进行 的原子运动。
杂质原子的扩散方式有以下几种：
①交换式：两相邻原子由于有足够高的能 量，互相交换位置③填隙式：在空隙中的原子挤开晶格原子 后占据其位，被挤出的原子再去挤出其他原 子。
间隙扩散杂质：O， Fe，Cu，Zn，Mg
B，P，一般作为替代式扩 散杂质，实际情况更复杂， 包含了硅自间隙原子的作 用，称填隙式或推填式扩 替位扩散杂质：散As， Al，Ga， Sb，Ge。 替位原子的运动一般是以近邻 处有空位为前提
5.2.3 扩散系数与扩散方程
1、 菲克第一定律
1855年，菲克(Fick)，提出描述物质扩散的第一定律。 菲克第一定律：如果在一个有限的基体中杂质浓度C(x, t)存在梯 度分布，则杂质将会产生扩散运动，杂质的扩散流密度 J 正比 于杂质浓度梯度C/ x ，比例系数D定义为杂质在基体中的扩 散系数。
掺杂是指将需要的杂质原子掺入到特定的半导 体区域中，用于对衬底基片进行局部掺杂。以 达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、 欧姆接触的目的。
扩散和离子注入
ⅢA族受主掺质(P型)
元素
原子量
半导体diffusion工艺
半导体diffusion工艺半导体diffusion工艺是半导体器件制造中的一项重要工艺步骤。
它通过在半导体材料表面进行掺杂和扩散的方式，改变材料的电学性质，从而实现对器件性能的控制和优化。
本文将对半导体diffusion工艺的原理、步骤和应用进行详细介绍。
一、原理半导体diffusion工艺的原理基于半导体材料的掺杂和扩散效应。
掺杂是向半导体晶体中引入杂质原子，改变材料的电子能带结构，从而使其具备导电性。
扩散是指掺杂材料中的原子在晶体中的自由迁移，使杂质原子分布均匀。
通过控制掺杂材料的类型、浓度和扩散条件，可以在半导体材料中形成具有特定电学性质的区域，从而实现对器件的控制和优化。
二、步骤半导体diffusion工艺一般包括以下几个步骤：1. 清洗：将半导体晶片放入酸性或碱性溶液中进行清洗，去除表面的杂质和污染物。
2. 氧化：将半导体晶片放入高温氧气环境中进行氧化处理，形成一层薄膜氧化物（如SiO2），用于保护表面和调控掺杂过程中的扩散速率。
3. 掺杂：使用掺杂源（如磷、硼等）将杂质原子引入半导体晶体，改变其电学性质。
掺杂源可以是固体、气体或液体。
掺杂过程中，需要控制掺杂源的浓度、温度和时间等参数，以实现所需的掺杂效果。
4. 扩散：在高温下，使掺杂材料中的原子在半导体晶体中自由迁移，形成掺杂区域。
扩散速率受到温度、时间和氧化层等因素的影响。
5. 清洗和退火：在扩散完成后，需要进行清洗和退火处理，去除残留的杂质和应力，提高晶体的质量和稳定性。
三、应用半导体diffusion工艺广泛应用于各种半导体器件的制造过程中。
其中，最常见的应用是在晶体管的制造中。
通过掺杂和扩散工艺，可以形成源极、漏极和栅极等区域，实现对晶体管的电流控制和放大功能。
此外，半导体diffusion工艺还可以用于制备二极管、光电器件、传感器等各种半导体器件。
总结：半导体diffusion工艺是半导体器件制造中的重要工艺步骤，通过控制掺杂和扩散过程，实现对半导体材料电学性质的调控。
掺杂半导体技术的研究与发展
掺杂半导体技术的研究与发展随着科技的不断发展，掺杂半导体技术已经成为当今研究的一个热点话题。
这项技术在电子、通信、能源等领域都有着广泛的应用。
掺杂半导体技术的研究和发展对于推动这些领域的发展具有重要意义。
一、掺杂半导体技术的意义掺杂半导体技术是半导体制造技术的重要分支之一。
它通过向半导体晶体中掺入少量的其他原子，改变其导电性质和电学性质，扩大其使用范围和应用领域。
掺杂半导体技术有以下重要意义：1. 提高半导体的导电性能通过掺入其他原子，可以改变半导体的导电性能，从而提高其导电性能。
例如，在硅晶体中，通过掺入少量的磷、砷等原子，可以大大提高其电子浓度，使其成为一个优良的N型半导体。
2. 扩大应用领域掺杂半导体技术可以改变半导体的电学性质，从而扩大半导体的使用范围和应用领域。
例如，掺杂锗晶体可以用于微波放大器、控制器等高频电路器件中。
掺杂氧化铝和氧化锆可以用于制造高压电容器。
3. 提高半导体元件的性能通过改变半导体元件的掺杂浓度和掺杂原子种类，可以优化半导体元件的电学性能，提高其响应速度、稳定性等性能指标。
二、掺杂半导体技术的现状和发展掺杂半导体技术始于20世纪50年代，随着半导体工艺的不断发展，掺杂半导体技术也得到了不断的完善和发展。
目前，掺杂半导体技术已经成为半导体制造工艺的关键性技术之一。
在硅基材料中，目前广泛使用的掺杂技术有扩散和离子注入两种。
扩散技术是将待掺杂的硅片与掺杂源通过高温处理方法使其产生掺杂效应；离子注入技术是将高能离子注入待掺杂的硅片中，从而使其掺杂。
此外，还有一种新型的掺杂技术，即原位掺杂技术，它是利用化学气相沉积（CVD）等技术，在晶体生长的过程中实现掺杂。
在砷化镓、氮化镓等III-V族半导体上的掺杂技术，相对于硅基材料，掺杂的实现具有更高的难度。
通常通过气相外延、有机金属化学气相沉积等技术来实现掺杂。
掺杂半导体技术的发展关键在于，将其与其他先进技术相结合，进一步提高掺杂技术的效率和精度。
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MIS IC，结型场效应 晶体管及其IC pnp管
作用 隐埋区 隔离区 基区 发射区 电阻 提高开关速度 源、漏、沟道、阱 半绝缘区
源、漏 集电区、发射区
杂质 Sb, As B, Al
B, P P, As, P-As, B
B:P Au, Pt B:P, A H, O, Cr扩散的微观机制：晶体内扩散是通过一系列随机跳跃来实 现的，这些跳跃在整个三维方向进行，有多种方式，最 主要有：填隙式扩散；替位式扩散；填隙-替位式扩散
4.2 扩散
间隙式扩散（interstitial）
替位式扩散（substitutional）
间隙扩散杂质：O， Au，Fe，Cu，Ni， Zn，Mg
在温度T，单位晶体体积中的空
位数
Nv
N
exp
Evac kT
每一格点出现空位的几率为
Nv/N，替位式原子必须越过的 势垒高度为Es; Es 约3 4 eV
跳跃几率为
Pv
exp
Evac kT
v0
exp
Es kT
v0
exp
Evac kT
Es
慢扩散杂质
4.2 扩散
本征扩散系数：当NA、ND<ni（在一定温度下）时，
xj
1
x j
1
qNx j
1
Q：从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量
4.1 掺杂
杂质固溶度（dopant solid solubility）
✓ 固溶度（solid solubility）：在平衡 条件下，杂质能溶解 在硅中而不发生反应 形成分凝相的最大浓 度。
✓ 电固溶度
✓ 超过电固溶度的杂质 可能形成电中性的聚 合物，对掺杂区的自 由载流子不贡献
4.1 掺杂
薄层电阻 RS（sheet resistance）
方块电阻
薄层电阻定义为： RS
xj
t
w l
R l
8
wt
R RS x j
4.1 掺杂
RS：表面为正方形的半导体薄层，在电流方向呈现的电阻。
单位为 /
RS：正方形边长无关
R
l A
l wx j
xj
l w
RS
l w
方块时，l＝w，R＝RS。所以，只要知道了某个掺杂区域
4.2 扩散
间隙原子
推填子
4.2 扩散
间隙式扩散： Au, Ag, Cu, Fe, Ni等
间隙原子必须越过的势垒高度 Ei Ei 约为0.6 1.2 eV
跳跃几率和温度有关
Pi
v0
exp
Ei kT
振动频率0＝1013～1014/s
快扩散杂质
T：绝对温度，k：玻尔兹曼常数
4.2 扩散
替位式扩散：B, P, As, Sb等
的方块电阻，就知道了整个掺杂区域的电阻值。
重要性：薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净
杂质总量
4.1 掺杂
物理意义： 薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅 内部的净杂质总量
qn
1 1 qn
q 电荷， 载流子迁移率，n 载流子浓度 假定杂质全部电离 ，载流子浓度 n = 杂质浓度 N 则：
RS
NMOS
BJT
BE
C
p well
p n+
p+
n-
n+
p
n+ p+
掺杂应用：MOSFET：阱、栅、源/漏、沟道等 BJT：基极、发射极、集电极等
4.1 掺杂
目的：改变晶片电学性质，实现器件和电路纵向结构。 方式：扩散（diffusion）、离子注入（ion implantation）、 合金、中子嬗变。
4.1 掺杂
As在硅中的固溶度: 21021 cm-3 As的电学可激活浓度: 21020 cm-3
4.1 掺杂
掺入的杂质是电活性的，能提供所需的载流子，使许多微结构和 器件得以实现。掺杂的最高极限约1021 atoms/cm3，最低 1013 atoms/cm3
晶片 硅 砷化镓 锗
器件
双极型晶体管及其IC
微电子工艺学
Microelectronic Processing 第四章 掺杂原理与技术
张道礼 教授 Email: zhang-daoli@ Voice: 87542894
4.1 掺杂
掺杂（doping）：将一定数量和一定种类的杂质 掺入硅中，并获得精确的杂质分布形状（doping profile）。
基本概念：结深 xj （Junction Depth）；薄层电阻 Rs
（Sheet Resistance ）；杂质固溶度（Solubility)
4.1 掺杂
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。例如，扩散可用 于形成深结(deep junction)，如CMOS中的双阱(twin well)；而离子注入可用于形成浅结(shaIlow junction)， 如MOSFET中的漏极与源极．
B，P，一般作为替位式扩 散杂质，实际情况更复杂， 包含了硅自间隙原子的作 用，称填隙式或推填式扩 散
替位扩散杂质：As， Al，Ga， Sb，Ge。 替位原子的运动一般是以近邻 处有空位为前题
4.2 扩散
填隙式（ interstitial assisted kick-out)或推填式扩散 （Interstitialcy-assited)
4.1 掺杂
4.1 掺杂
杂质分布形状（doping profile）举例
4.1 掺杂
结深的定义
xj : 当 x = xj 处 Cx（扩散杂质浓度）= CB（本体浓度） ✓器件等比例缩小k倍，等电场要求xj 同时缩小k倍
✓同时
要求xj 增大
在现代COMS技术中，采用浅结和高掺杂来同时满足两方 面的要求
Zn, Be:S, Si, Sn In-Ga, Al
4.2 扩散
扩散原理
扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在约1000℃的 高温、p型或n型杂质气氛中，杂质向衬底硅片的确定 区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺 杂的一种工艺方法，也叫热扩散。
固相扩散：扩散是一种自然现象，由物质自身的热运动引 起。微电子工艺中的扩散是杂质在晶体内的扩散，因此 是一种固相扩散。