第四章掺杂4.1概述4.2杂质在半导体中的扩散4.3扩散方法4.4扩散的工艺控制和质量检测4.5离子注入4.1概述掺杂将所需杂质按浓度和分布的需要，掺入到半导体中，改变半导体电学性能，以达到制备半导体器件的目的。掺杂的意义改变材料导电性能——形成电阻，欧姆接触，互连线改变半导体的导电类型——形成pn结电阻及三极管示意图P-Sin-Sin-SiP-Sicebn+pn掺杂的方法合金扩散气-固扩散液态源扩散粉末源扩散片状源扩散固-固扩散掺杂SiO2乳胶源扩散CVD掺杂薄膜源扩散离子注入气－固扩散固－固扩散离子注入4.2杂质在半导体中的扩散4.2.1扩散原理1.扩散：扩散是微观粒子（原子或分子）热运动的统计果。在一定温度下,微观粒子具有一定能量,能克服某种阻力进入半导体,并在其中作缓慢迁移运动。这些杂质或替代硅原子的位置,或处在晶格的间隙中,分别称作替位式扩散,或间隙式扩散。扩散的方向总是由高杂质浓度指向低杂质浓度。替位式扩散间隙式扩散2．扩散方程及杂质分布Fick第一定律：C是杂质浓度，D是扩散系数，J是材料的净流量。J的单位是单位面积单位时间内流过的原子个数。负号表示净移动是沿着浓度降低方向的。Fick第二定律：一维扩散方程：N2NDtx2分离变量，令：N(x,t)=X(x)T(t)得到：11dT(t)1d2X(x)2DT(t)dtX(x)dx221dX(x)2X(x)cos(x)sin(x)X(x)dx2211dT(t)2DtDT(t)dtT(t)e2特解：N(x,t)eDtcos(x)sin(x)2通解：N(x,t)eDtA()cos(x)B()sin(x)d2JSH11(x)N(x,t)f()e4Dtd《半导体工艺》成都2Dt电讯工程学院谢孟贤等编幻灯片10JSH1Jiang,2007-5-521(x)扩散方程解：N(x,t)f()e4Dtd2Dt对于不同情况的讨论：气—固扩散（1）半无限大源：无限大样品t=0:-x0N(x,0)=Ns-0f()=Ns0xN(x,0)=00f()=0NxN(x,t)serfc()(余误差分布)22DtN半无限大样品(恒定表面浓度扩散)xNsN(x,t)Nerfc()t1<t2<t3s2Dtt1t2t3（为无限大样品的二倍）X2Q：(Q=Ns·2h)（2）有限源QxN(x,t)e4Dt2Dt无限大样品：(高斯分布)t=0:-＜x＜-hN(x,0)=0-＜＜-hf()=0-h≤x≤hN(x,0)=Ns-h≤≤hf()=Nsh＜x＜N(x,0)=0h＜＜f()=0Nt1t3>t2>t1t2t半无限大样品：（为无限大样品的二倍）32QxN(x,t)e4DtDt0X（3）两步扩散为获得所需杂质分布，往往要进行二步扩散。预淀积所需杂质总量——恒定表面浓度扩散获得所需表面浓度及扩散深度——有限源扩散x2QNS1erfc()dxNS1D1t10D1t1x24DtN(x,t)2ND1t1e22S1D2t2(D1t1<<D2t2)固-固扩散：2xx0DN1N1001x2t方程2NNx,0t0D2202x2t-x0＜x＜0N1=N0初始(t=0)X＞0N2=0NX=-x100XNNX=0D1D2边界1X2XX=∞N=02Nkmx2DtN(x,t)0Derfc(x)*恒定表面浓度：012km2DtD22*有限源扩散：N0x0xx02D1tN2(x,t)exp(4Dt)D2t2k2D1（DD2，m:杂质的分凝系数）扩散浓度分布：气固扩散x恒定表面浓度扩散N(x,t)Nserfc()2Dt2Qx有限源扩散N(x,t)e4DtDt2xDt4D2t2二步扩散N(x,t)2N11eS1D2t2（D1t1<<D2t2）固固扩散NkmN(x,t)0Derfc(x)X≥2D1t2km2Dt0D22N0x0x2D1