半导体工艺处理掺杂基本知识与技术

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)
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
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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，
开关管及高速IC MOS晶体管及其IC
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, As 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
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．
xj
1
x j
1
qNx j
1
qQ
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
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
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@163.com 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）。
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
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
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
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。
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
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