现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学杂质掺杂1杂质掺杂杂质掺杂PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2004,7,30现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学杂质掺杂2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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学杂质掺杂3现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学杂质掺杂4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：322524326POClOPOClP2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。2522545POSiPSiO现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学杂质掺杂5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。电炉电炉O2N2液态杂质源石英管排气口硅晶片现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学杂质掺杂6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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学杂质掺杂7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：CFDx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：1()nnnJnGRtqx连续性方程()CFCDtxxx现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学杂质掺杂8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：22CCDtx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0exp()aEDDkT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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学杂质掺杂9现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学杂质掺杂10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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学杂质掺杂1