概述半导体材料的独特性质之一是它们的导电性和导电类型(N型或P型)能被产生和控制。在本章中,描述在晶圆内和表面上特别的小块导电区和PN结的形成。介绍扩散和离子注入两种掺杂技术的原理和工艺。

简介

使晶体管和二极管工作的结构就是PN结。结(junction)就是富含电子的区域(N型区)与富含空穴的区域(P型区)的分界处。结的具体位置就是电子浓度与空穴浓度相同的地方。这个概念在以后“由扩散形成掺杂区和扩散结”中解释。

通常在半导体晶圆表面形成结的方法是热扩散(diffusion)或离子注入(ion implantation)。用热扩散,掺杂材料被引入晶圆顶层暴露的表面,典型的是通过在顶层二氧化硅的孔洞。通过加热,它们被散布到晶圆的体内。散布的量和深度由一套规则控制,说明如下。这些规则源自一套化学规则,无论何时,晶圆被加热到一个阈值温度,这套规则将控制掺杂剂在晶圆中的任何运动。在离子注入中,顾名思义掺杂剂材料被射入晶圆的表面,进来的大部分掺杂剂原子静止于表面层以下。此外,扩散规则也控制注入的原子运动(参见下图)。因此,本节以讨论半导体的结开始,进行到扩散技术和规则,以描述离子注入工艺结尾。

 

用扩散法形成掺杂区

 

扩散掺杂工艺的开发是半导体生产的一个重要进步。扩散,是一种材料通过另一种材料的运动,是一种自然的化学过程,在日常生活中有很多例子。扩散的发生需要两个必要的条件。第一,一种材料的浓度必须高于另外一种材料的浓度。第二,系统内部必须有足够的能量使高浓度的材料进入或通过另一种材料。气相扩散的一个例子就是常见的充压喷雾罐(参见下图),比如房间除臭剂。按下喷嘴时,带有压力的物质离开罐子进入到附近的空气中。此后,扩散过程使得气体移动分布到整个房间。这种移动在喷嘴被按开时开始,并且在喷嘴关闭后还会继续。只要前面的喷雾引入的浓度高于空气中的浓度,这种扩散过程就会一直继续。随着物质远离喷雾罐,物质的浓度会逐渐降低。这是扩散过程的一个特性。扩散会一直继续,直到整个房间的浓度均一为止。

图(一)

图2

一滴墨水滴入一杯水中时,展现的就是液态扩散的另一个例子。墨水的浓度高于周边水的浓度,于是立即向杯中的水扩散。扩散过程会一直继续直到整杯水有相同的颜色为止。这个例子还可以用来说明能量对扩散过程的影响。如果杯中的水被加热(给予水更多的能量),墨水会更快地散布在杯中。

 

当掺杂的晶圆暴露接触面比晶圆内杂质原子浓度更高时,会发生相同的扩散现象,称为固态扩散。

 

扩散形成的掺杂区和结

 

扩散工艺掺杂后的晶圆中杂质的检查,显示了掺杂区和结的形成。初始时的情况显示在下图中。显示的晶圆来自p型晶体。图中的“+”号代表单晶生长过程中引进的p型杂质。它们均匀地分布在整片晶圆中。

图3

晶圆经过热氧化及图形化工艺后,氧化层上面会留出孔洞。在扩散炉管里,晶圆在高温条件下暴露于一定浓度的N型杂质中(参见下图中的“一”号)。N型杂质透过氧化层上的孔洞扩散到晶圆内部。

 

对晶圆不同深度处发生变化的检查,显示了掺杂在晶圆内部引起的变化。扩散炉管中的条件设置使得扩散到晶圆内部的N型杂质原子数量高于第一层中p型原子的数量。在此演示中,N型原子比P型原子多7个,从而使其成为N型导电层。

图4

扩散过程随着N型原子从第一层向第二层的扩散而继续(参见下图)。同样,第二层中N型杂质的数量高于P型,使第二层转变为N型。下图中显示的是每一层中N型与p型原子的计数这个过程会继续到晶圆更深处。

图5

11.3.1 NP结

 

在第4层中,N型与P型原子的数量恰好完全相同。这一层就是NP结的所在。NP结的定义就是指N型与P型杂质原子数量相同的地方。注意在结下方的第5层只有3个N型原子,不足以将该层改变为N型。

 

NP结的定义指出掺杂区中N型原子的浓度较高。PN结意味着掺杂区域中P型杂质的浓度较高。电流通过半导体结的特征行为造成单个半导体器件的特殊性能表现。本系列的重点放在晶圆掺杂区的形成与特征上。

 

11.3.2固态扩散的目的

 

扩散工艺(热扩散或离子注入)的目的有三个:

  1. 在晶圆表面产生具体掺杂原子的数量(浓度)。

2.在晶圆表面下的特定位置处形成NP(或PN)结。

3.在晶圆表面层形成特定的掺杂原子(浓度)分布。

 

11.3.3横向扩散

 

上图中的扩散掺杂工艺显示外来杂质原子竖直进入晶圆。实际上,杂质原子朝各个方向运动。精确的截面图(参见下图)会显示一部分原子进行了横向的运动,在氧化隔离层下面形成了结。这种运动称为横向(lateral)或侧向(side)扩散。横向或侧向扩散量约为纵向扩散结深的85%。不论扩散或离子注入,都会发生横向扩散现象。横向扩散对电路密度的影响在离子注入的介绍部分进行讨论。

图6

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