掺杂工艺小结演示文稿

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1、掺杂工艺小结——扩散与离子注入微电子工艺1.概述掺杂工艺要实现在衬底上的定域、定量的掺杂包括扩散和离子注入两种掺杂工艺各有优缺点在掺杂前先通过氧化和光刻在衬底表面制备氧化层掩膜2.对比扩散为准热力学平衡过程，所以受固溶度的限制离子注入为非热力学平衡过程，不受固溶度的限制扩散工艺温度高，为900-1200℃离子注入温度低，在室温或400℃以下，但退火时所需温度较高，一般在800℃以上扩散工艺对杂质的控制能力低离子注入对掺杂浓度和分布的控制力较好，适合浅结掺杂及对浓度及分布要求较高的场合2.对比扩散工艺的横向效应严重，相对而言，离子注入要好得多离子注入会导致晶格损伤离子注入可实现对化合物半导

2、体的掺杂两种工艺各有千秋，通常将两者混合使用，即采用离子注入将定量杂质射入衬底表面，再通过扩散将杂质推入内部，形成所需分布（和扩散工艺中先恒定表面源扩散，再限定表面源扩散有异曲同工之妙）3.扩散概念目的：通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型，电阻率或形成PN结形成：浓度梯度扩散机构（三种）：间隙式扩散替位式扩散间隙—替位式扩散3.扩散替位式扩散：以近邻处有空位为前题替位扩散杂质：As，Al，Ga，Sb，Ge对替位扩散杂质而言，在晶格位置上势能相对较低，在间隙处势能较高（和间隙式杂质正好相反，对比图5-2和图5-3）替位式扩散速率比填隙式扩散低得多填隙扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，N

3、i，Zn，Mg两种扩散速率与温度均成指数关系3.扩散许多杂质即可以是替位式也可以是间隙式溶于晶体的晶格中，并以间隙-替位式扩散。这类扩散杂质的跳跃率随空位和自间隙等缺陷的浓度增加而迅速增加。B，P一般作为间隙－替位式扩散杂质注：填隙式杂质没有占据晶格格点位置，无电活性，讨论意义不大替位式杂质扩散速率慢，称慢扩散杂质，间隙－替位式扩散杂质称为快扩散杂质3.扩散固体中的扩散基本特点（1）固体中明显的质点扩散常开始于较高的温度，但实际上又往往低于固体的熔点。（2）晶体结构将以一定的对称性和周期性限制着质点每一步迁移的方向和自由行程。扩散方程：菲克第二定律扩散系数：D=D0exp(-Ea/kT)

4、扩散系数主要受温度的影响，当然也受杂质浓度等的影响3.扩散两种方式：恒定表面源扩散和限定表面源扩散扩散工艺重要的工艺参数包括：①杂质的分布②表面浓度③结深④掺入杂质总量通过求解一维扩散方程，带入不同初始条件和边界条件可以得出两种方式的分布函数3.扩散恒定表面源扩散杂质分布情况（余误差分布）特点：延长扩散时间：①表面杂质浓度不变；②结深增加；③扩入杂质总量增加；④杂质浓度梯度减小。表面浓度一般为杂质在半导体的固溶度限定表面源扩散杂质分布情况（高斯分布)这里的高斯分布和离子注入的高斯分布有所区别3.扩散特点：延长扩散时间(提高扩散温度T)：①杂质表面浓度迅速减小；②杂质总量不变；③结深增加；

5、④杂质浓度梯度减小。实际扩散工艺：两步工艺分为预淀积（预扩散）、再分布（主扩散）两步。3.扩散预淀积是惰性气氛下的恒定源扩散，目的是在扩散窗口硅表层扩入总量Q一定的杂质。再分布是氧气氛或惰性气氛下的有限源扩散，目的是使杂质在硅中具有一定的表面浓度Cs、分布C（x）、且达到一定的结深xjD1t1>>D2t2预扩散起决定作用，杂质按余误差函数形式分布D1t1<

6、散效应场助扩散效应在硅片内形成一内建电场E，起加速扩散的作用3.扩散Nx5*102010183*1016N+PNN型erfc分布P型高斯分布N型衬底0XebjXbcjNx发射区基区集电区B扩：D1t1<>D2t2NPN管千呼万唤始出来离子注入——在取代热扩散技术的道路上越走越远4.离子注入概念：离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质特点可精确控制掺杂浓度和分布非平衡过程，不受固溶度限制，可做到浅结低浓度或深结高浓度注入元素通过质量分析器选取，纯度高，能量单一低温过程（因此可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质

7、）；避免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂；横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小可防止玷污（通过硅表面的薄膜注入硅中），自由度大会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机）相关概念：R：射程（range）离子在靶内的总路线长度Xp：投影射程（projectedrange）R在入射方向上的投影Rp：平均投影射程所有入射离子投影射程的平均值Rp：标准偏差