1、 半導體的摻雜原理與技術 李文 南京大學作者簡介：李文，來自南京大學化學化工學院，學號為171870585.摘要：半導體的摻雜是指將一定數量和一定種類的雜質摻入硅等半導體中，并獲得精確的雜質分布形狀的技術。摻雜對于半導體工業有著舉足輕重的作用，是實現p型和n型半導體的重要途徑。目前的主要摻雜技術有熱擴散技術和離子注入技術。本文將簡要介紹這兩種技術的摻雜原理和部分操作技術。關鍵詞：半導體摻雜；熱擴散技術；離子注入技術 前言一直到20世紀70年代，雜質摻雜主要是由高溫的擴散方式來完成，雜志原子通過氣相源或摻雜過的氧化物擴散或沉積到硅晶片的表面，這些雜質濃度將從表面到體內單調下降，而雜質分布主要是由

2、高溫和擴散時間來決定的。而離子注入技術則是將摻雜離子以離子束的形式注入半導體內，雜質濃度在半導體內有個峰值分布，雜質分布主要由離子的質量和注入的能量決定。擴散和離子注入兩者都被用來制作分立器件與集成電路，兩者的優缺點互補，相得益彰。 半導體摻雜原因完整純凈、具有完整晶體結構的半導體稱為本征半導體。在絕對零度條件下，本征半導體的價帶都是滿帶，但是現實中溫度不可能達到絕對零度，而且半導體很容易接受光輻射，在接受光電注入和熱激發后，價帶中的部分電子就會在接受能量的情況下穿過禁帶躍遷到能量更高的導帶，由于價帶上的電子躍遷離開，故而在價帶中形成了帶正電的空穴，上述產生的電子和空穴均能自由移動，成為載流子

3、。但是在常溫下，光照和熱激發都不能激發出很多的載流子，因而本征半導體中的載流子濃度很低，電導率很小。但同時其本征載流子的濃度受溫度影響很大，而實際的電路中溫度變化又比較劇烈，故而很難對半導體特性進行控制，因此實際上本征半導體的應用不多。為了改變半導體材料的載流子濃度和導電類型，我們科研將一定數量和一定種類的雜質摻入其中。比如在硅中摻入第三四主族的元素單質，諸如硼、磷、砷、碲等等，這些雜質在硅單晶中能夠代替硅原子參與整個原子晶體的成鍵過程。摻入硼，硼相較于硅價層上少了一個電子，所以這類的摻雜半導體材料含有大量自由移動的空穴，為P型半導體。摻入磷，磷相較于硅價層上多了一個電子，所以這類的摻雜半導體

4、材料相比于本征半導體材料有大量自由移動的電子，為N型半導體。這些P型或N型的半導體材料的載流子濃度不易受溫度影響，故而在實際生活中應用廣泛。離子注入技術3.1 概要離子注入技術發展于上個實際60年代，是微電子工藝中定域、定量摻雜的一種重要的方法。將被注入物質以某種方式電離，然后再電場存在的情況下加速，將該物質原子或分子打入靶材料表層。雜質離子進入靶內，與本征半導體中的原子不短地發生碰撞，再碰撞過程中離子的運動方向不斷地發生改變，并且動能不斷地損失，最后在本征半導體的內部某一點停止下來，離子注入的平均深度可以由加速能量來控制。在這個射入的過程中，材料表面的物理或化學性質會發生改變。離子注入的注入

5、離子能量一般位于1keV到1MeV之間，注入深度平均為10nm到10um。離子注入技術可以注入任意的元素，甚至包含同位素。并且實驗員可以通過控制注入的離子的電場場強大小和注入離子的濃度來精確控制摻雜的深度和濃度。相比于熱擴散技術，離子注入技術所需要的溫度低，避免了高溫闊散導致的熱缺陷等問題。另外由于所采用的物理方法是注射，故而雜質原子純度高，能量單一，不易受外來雜質的影響。同時在同一平面上的雜質摻雜分布會非常均勻。當然這種方法也有他本身的缺陷和不足。離子注入技術要求的設備相對復雜，價格昂貴。而且在將雜質原子或分子電離的過程中可能產生有毒氣體，對人體的健康有威脅。而且離子碰撞可能引起半導體晶格斷

6、裂或損傷。因此，要采用后續的退火處理來去除這些損傷。3.2 原理燈絲發出的自由電子在電磁場的作用下獲得足夠多的能量后撞擊分子或原子，使他們電離成離子，再經吸極吸出，由初聚焦系統聚集成為離子束，射向磁分析器。離子注入過程是一個非平衡過程，高能離子進入靶后不斷與原子核及核外電子發生碰撞，最后停下來，停下的位置是隨機的，大部分不在晶格上，因而沒有電活性。1963年，三位科學家創建LSS理論，確立了注入離子在靶內的分布原理。LSS理論認為注入離子在靶內的能量損失分為兩個相互獨立的過程，1.入射離子與原子核的碰撞（核阻擋過程）2. 束縛電子或自由電子的碰撞（電子阻擋過程），總能量損失為兩個過程損失的能量

7、和。核碰撞的結果是導致離子的能量轉移到了原子核上，結果將使離子的運動方向發生改變，而靶原子離開原位，成為間隙原子核。電子碰撞則是指注入離子和靶原子周圍的電子云通過庫倫相互作用使粒子和電子發生碰撞而失去能量，而束縛的電子被激發或電離，自由電子發生移動，瞬時形成電子-空穴對。雖然注入的離子可以達到能量和動量上的相同，但是各個離子發生的碰撞、每次碰撞的偏轉角和損失的能量、相鄰兩次碰撞之間的距離和時間、離子在靶內所運動的路程的總長度以及注入的深度都是不同的。如果注入的離子的數量很小，它們在靶內的分布是很分散的，但是如果注入大量離子，那么這些離子在靶內將按照一定的統計規律分布，其分布情況與注入離子的能量

8、、性質以及靶的性質有關。而且對于無定形靶，注入離子的縱向濃度分布于高斯分布相似。但是在許多的應用中，除了簡單的高斯分布外其他的雜質分布也是需要的。例如硅內預先注入惰性離子，使表面變成非晶。此方法使雜質分布能夠得到更加準確的控制，且近乎百分百的雜質在低溫下激活。在此情況下，深層的非晶體層是必須要存在的，為了得到這種區域，必須要做一些不同能量和劑量的注入，并且多次注入。多次注入如下圖所示，用于形成一平坦的雜質分布。3.3 離子注入新技術傾斜角度離子注入和高能量與大電流注入是不同于常規離子注入的新方法。當器件縮小到亞微米尺寸時，將雜質在垂直方向上的分布控制好也是很重要的，現代的一些儀器，甚至需要在縱

9、向和橫向上精確地控制雜質的分布。垂直于表面的離子速度決定了注入分布的投影射程。如果硅晶片相對于離子束偏離了一個很大的角度，則等效離子能量將大為減少。在傾斜角度離子注入時，需考慮硅晶片上掩蔽圖案的陰影效應。較小的傾斜角度將導致一個小的陰影區。這可能使器件產生的一個意想不到的串聯電阻。高能量與大電流注入技術，目前注入機能量可以高達1.5到5Mev。且已用作多種新型用途。主要利用其將雜質擴散深入半導體內好幾個微米的能力而不需要借助高溫下長時間的擴散。也可以制作低電阻埋層。大電流注入機工作，在25到35Kev范圍下，通常用于擴散技術中的預處理，因為其總量能夠精確控制。在預置后，摻雜劑可以用高溫擴散再分

10、布。同時順便將表面的注入損傷修補。目前已有能量范圍介于150到200KeV的大電流離子注入。主要用途是制作高品質的硅層，通過向硅層中注入氧來生產二氧化硅從而使硅層與襯底絕緣這樣的氧注入隔離是一種絕緣層上硅的關鍵技術。3.4 離子注入技術展望隨著VLSI的發展和半導體工藝技術的進步，離子注入技術較好地發揮了其優勢，尤其當制造更小尺寸的半導體器件時，離子注入工藝再次以精準的注入深度和濃度的可控性以及穩定的可重復性顯示了其在高級半導體器件制造中的重要性。21世紀將是微電子行業高速發展的時代。隨著離子注入設備的發展，離子注入技術的優越性，將會更加突出，必將會有廣泛的應用和巨大的突破，無論如何，離子注入

11、工藝視為現代半導體集成制作中一項非常重要的技術，必定會隨著微電子器件的發展而進步，推動半導體行業向著更小尺寸，更高集成度，更優性能的目標迅速前進。熱擴散技術4.1 概要擴散是一種物理現象，分子在受到熱運動的驅動下而使物質由濃度高的地方轉移到濃度低的地方。因而擴散發生的首要條件就是濃度差。利用原子在高溫下的擴散運動，使雜質原子從濃度很高的源向硅中擴散并形成一定的分布，這就是半導體摻雜中的熱擴散技術。4.2 工藝步驟熱擴散通常分三個步驟來進行：預淀積（也叫預擴散），推進（也稱主擴散），激活。預淀積時溫度較低，通常為800到1100攝氏度，時間短，因而擴散的很淺，可以認為雜質淀積在一薄層內。其目的是

12、為了控制雜質的總量，即形成一層較薄但是具有較高濃度的雜質層。如果這一步的溫度較高，時間較長的話，淀積的雜質的量就不好控制。預淀積為整個擴散過程建立了濃度梯度。表面雜質濃度最高，并隨著深度的增加而減小，從而形成梯度。推進是利用預淀積所形成的表面雜質層做雜質源，在高溫下（1000到1250攝氏度）將這層雜質向硅體內擴散。目的是為了控制表面濃度和擴散深度。由于原子的擴散在宏觀上一個比較緩慢的過程，因此通常推進的時間比較長，推進是限定表面源擴散的過程。激活過程則是稍微升高溫度，使雜質原子與晶格中的硅原子通過化學鍵的方式相連。此過程激活了雜質原子，改變了硅的導電類型和電導率。4.3擴散機理擴散系數的是表

13、征擴散快慢一個物理量。擴散系數的大小由擴散機理來決定。半導體晶體中原子擴散的機理不同于載流子的擴散。載流子擴散的快慢主要決定于它們受到的散射作用。而原子擴散的快慢則主要決定于晶體中的熱缺陷的數量。熱缺陷指的是間隙原子和空位。因為原子在晶體中的擴散實際上是通過間隙原子或晶格空位，一步步的在晶格之間跳躍前進。對于半導體中的雜質原子的擴散，為了讓晶體中產生大量的熱缺陷，就必須對晶體加熱，讓晶體原子的熱運動加劇，以便于某些原子獲得足夠高的能量而離開晶格位置，產生空位或等量的間隙原子，因此，原子的擴散系數隨溫度的升高而指數式增大。對于硅晶體，要在其中形成大量的熱缺陷，所需要的溫度大約為1000，這也是熱

14、擴散的溫度。雜質原子通過熱擴散進入半導體中之后必須要替代晶格的位置才能起到提供載流子的作用即具有電活性。從機理上講，代位雜質原子擴散的具體方法有三種：利用晶格空位的擴散，利用自間隙原子的擴散，利用晶格間隙的擴散。在雜志原子的單位式擴散機理中可以有兩種重要的擴散方式，直接交換方式和空位交換方式；在這兩種單位擴散方式中，雜質原子利用空位的交換方式是最容易進行的，因為其所需要的激活能是更低的。因而可以認為雜質原子的擴散等效于晶格空位的擴散。雖然這種代位方式擴散的速度較慢，需要的溫度較高，但是這種擴散可以精確地控制深度和摻雜濃度，在材料不變的條件下，這兩個要素往往只受溫度的影響。因此控制溫度往往就能得

15、到所需的深度和濃度類型。當然雜質原子也通過晶體里面的自間隙原子來進行擴散，自間隙原子取代雜質原子，占據了原來自間隙原子在晶胞中的位置。這種間隙擴散只有在存在空位擴散時才會發生。在晶體存在相對于雜質原子半徑大的空隙的情況下，雜質原子可以通過晶格間隙擴散。一般由兩種方式可以讓雜質原子進入晶格位置，即擠出方式和代位-間隙方式。擠出方式是利用雜質原子的高運動速度和雜質原子與晶格中原子的靜電相互作用來克服晶格中某一原子受到的相鄰原子的化學鍵的作用，從而使晶格中的原子被雜質原子代替。代位-間隙方式是間隙雜質原子被空位俘獲，但與利用自間隙原子的擴散不同的是，這種方法不需要自間隙原子的幫助，而且這種雜質原子具

16、有溶解度低于替位原子的特點。此外，對于非受主雜質的擴散，情況將有所不同。如金、鉑等重金屬雜質，因為這些雜質原子的半徑比較小，這些原子可以直接在晶格間隙穿行，因此擴散速度都很快，所需要的溫度也較低。總而言之，半導體中受主雜質原子的熱擴散，主要是以代位式或者間隙式進行的，擴散的速度較慢，所得到的濃度是不均勻的erfc 分布或Gauss分布，而且表面處的濃度高、體內濃度低。但是半導體中的一些半徑較小的中金屬雜質原子的擴散多為簡單的間隙式擴散，擴散速度很快，并因此可認為擴散以后的濃度分布基本上是均勻的。（其濃度大小由該溫度下的固溶度來決定）。總結：半導體摻雜是一項重要的技術，能夠改變本征半導體的載流子濃度和導電類型，是半導體行業發展高速的推進器。現代半導體摻雜主要有離子注入法和熱擴散法著兩種方法。離子注入法速度快，注入的雜質原子純度高，能量單一，不易受外來雜質的影響。同時在同一平面上的雜質摻雜分布會非常均勻。當然這種方法也有著儀器成本高，設備復雜，可能產生有毒氣體等缺點。而熱擴散相比之下成本較低，其體內的雜質濃度和深度易與控制，但是熱擴散的摻雜速度較慢，所得濃度也不均勻。兩種方法各有優缺點，不能一概而論。21世紀必定是半導體行業高速發展的時代，希