半导体工艺处理掺杂基本知识与技术
半导体工艺中掺杂的过程中
半导体工艺中掺杂的过程中
掺杂是半导体工艺中的一项关键步骤，它通过加入少量的杂质（掺杂剂）改变半导体的电子结构，从而改变其电子性质，使之具有特定的导电或者非导电性质。
掺杂的过程通常分为以下几个步骤：
1. 掺杂剂的选择：根据所需改变的电子性质，选择合适的掺杂剂。
常见的掺杂剂包括磷、硼、砷等。
2. 掺杂剂的制备：将掺杂剂与纯净的半导体材料进行混合，制备出掺杂剂溶液或者粉末。
3. 掺杂剂的添加：将掺杂剂溶液或者粉末添加到半导体材料上。
这可以通过不同的方法进行，如扩散、离子注入、溅射等。
4. 热处理：将掺杂后的半导体材料进行热处理，通常在高温下进行。
热处理可以促使掺杂剂在半导体材料中扩散，并形成浓度梯度。
通过以上步骤，掺杂剂将加入半导体材料中，改变了其电子结构。
掺杂的过程可以使半导体材料成为导电材料（n型或p型），或者改变其导电性能，并且可以控制其电子载流子浓度和迁移率。
掺杂还可以用于制备PN结等器件结构。
现代半导体器件物理与工艺(杂质掺杂详解~)
现代半导体器件物理与工艺Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices杂质掺杂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。
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面杂质浓度将从表面到体内单降杂质分布由高与扩散时间来决定。
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。
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6001000扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气体混合物中度在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。
对硅而言型掺杂剂它们在硅中都有极对硅而言，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：3225243 26POCl O P O Cl +→+在硅晶片上形成层玻璃并由硅还原出磷氯气被带走P2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。
25225 45P O Si P SiO +→+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。
半导体FAB厂PIE入门技术知识解读
将所需元素以离子形式注入到晶圆中，实 现精确掺杂。关键技术包括离子源、加速 系统、束流控制等。
材料选择与特性分析
硅材料
作为晶圆的主要材料，具有高纯度、良好结晶性、稳定化 学性质等特点。不同晶向和掺杂浓度的硅材料具有不同的 电学性能。
介质材料
用于制作绝缘层、钝化层等。常用介质材料包括二氧化硅 、氮化硅等，具有优异绝缘性能、良好化学稳定性等特点 。
设备维护保养计划制定和执行
制定维护保养计划
根据设备使用频率、重要性和故障历史等数据，制定合理 的维护保养计划，包括定期保养、预防性维护、紧急维修 等内容。
执行维护保养计划
按照计划进行设备的维护保养工作，包括清洁设备表面和 内部、更换磨损部件、调整设备参数等。同时，记录维护 保养过程和结果，以便后续分析和改进。
预防措施制定以降低异常发生率
原因分析
对生产过程中出现的异常进行深 入分析，找出根本原因，为制定
预防措施提供依据。
预防措施制定
根据异常原因分析结果，制定相 应的预防措施。例如，加强设备 维护和保养、优化工艺流程和控
制、提高员工技能和素质等。
持续改进
定期对预防措施的效果进行评估 和改进，不断完善生产过程中的 异常处理机制，降低异常发生率
金属材料
用于制作电极、互联线等导电结构。常用金属材料包括铝 、铜等，具有低电阻率、良好可焊性等特点。
高分子材料
用于制作封装材料、粘合剂等。高分子材料具有多样性、 易加工性等特点，在半导体制造中起到重要作用。
03
CATALOGUE
工艺整合基本概念及实践
工艺整合目标与方法论
目标
实现产品良率提升、成本降低、 周期时间缩短等关键指标。
半导体FAB厂 PIE入门技术知 识解读
掺杂工艺技术
掺杂工艺技术掺杂工艺技术是指在半导体制程中加入外源杂质，以改变材料的电学、光学、磁学等性质的一种方法。
掺杂工艺技术广泛应用于半导体器件的制造过程中，其中最常见的是掺杂工艺技术在制备掺杂硅材料中的应用。
掺杂工艺技术通过改变半导体材料中的成分，使其具有不同的导电性质。
在制备掺杂硅材料的过程中，通常使用有机气相沉积（CVD）或者分子束外延（MBE）等方法，并且以硼、磷、砷等为掺杂原料。
掺杂的流程主要分为两步，首先是在高温下将掺杂原料加入到反应室中，并且通过热分解的反应使得掺杂原料分解为等离子体，然后将等离子体中的掺杂原子沉积在硅基片表面，最终获得掺杂硅材料。
掺杂工艺技术对于半导体器件的性能有着重要的影响。
在硅材料中，硼的掺杂能够使材料呈现P型导电性，而磷、砷的掺杂则使材料呈现N型导电性。
这种掺杂工艺使得硅材料能够实现多种原子的掺杂，从而实现了电子器件的复杂功能。
除了对硅材料的掺杂，在其他材料中掺杂工艺技术也起到了重要的作用。
例如，在光电器件领域，将掺杂硅材料与氮材料混合掺杂，可以实现材料的光导性能和发光性能的提升，从而制备出高性能的光电器件。
掺杂工艺技术的发展受到了材料制备技术的限制。
目前，虽然已经有了一系列的掺杂工艺技术，但是仍然存在一些问题需要解决。
例如，在掺杂过程中，掺杂剂的深度分布和浓度分布是非常关键的。
因此，研究如何精确控制掺杂剂的分布成为了一个重要的研究内容。
总之，掺杂工艺技术是一种重要的制备半导体材料的方法，通过掺杂不同的原子能够改变材料的电学、光学、磁学等性质。
这种工艺技术的发展为电子器件的制备提供了有力的支持，并且在光电器件领域也起到了重要的作用。
然而，仍然存在一些问题需要解决，需要进一步的研究和改进。
半导体器件物理与工艺笔记
半导体器件物理与工艺笔记半导体器件物理与工艺是一个关于半导体器件的科学领域，主要研究半导体材料的性质、器件的物理原理以及制造工艺等方面的知识。
以下是一些关于半导体器件物理与工艺的笔记：1. 半导体基本概念：- 半导体是指在温度较高时表现出导电性的材料，但在室温下又是非导体的材料。
- 半导体材料有两种类型：N型半导体和P型半导体。
N型半导体是掺杂了电子供体（如磷或砷）的半导体，P型半导体是掺杂了空穴供体（如硼或铝）的半导体。
2. PN结：- PN结是由N型半导体和P型半导体通过扩散而形成的结构。
- 在PN结中，N区的自由电子从N区向P区扩散，而P区的空穴从P区向N区扩散，产生了电子-空穴对的复合，形成正负离子层。
- 在PN结的平衡态下，电子从N区向P区扩散的电流等于空穴从P区向N区扩散的电流，从而形成零电流区域。
3. PN结的运行状态：- 正向偏置：将P区连接到正电压，N区连接到负电压，使PN结变突。
此时，电子从N区向P区流动，空穴从P区向N区流动，形成正向电流。
- 反向偏置：将P区连接到负电压，N区连接到正电压。
此时，电子从P区向N区流动，空穴从N区向P区流动，形成反向电流。
- 断电区：当反向电压超过一定电压（称为击穿电压）时，PN结会进入断电区，电流急剧增加。
4. 半导体器件制造工艺：- 掺杂：在制造半导体器件时，需要将掺杂剂（如磷、硼等）加入到半导体材料中，改变半导体的电子结构，使其成为N型或P型半导体。
- 光刻：通过光刻技术，在半导体材料表面上制作出微小的图案，用于制造电路中的导线和晶体管等元件。
- 氧化：将半导体材料置于高温下与氧气反应，形成一层硅氧化物薄膜，用于对半导体器件进行绝缘和隔离。
- 金属沉积：将金属材料沉积在半导体材料上，用于制造电子元件中的金属电极。
- 焊接：将多个半导体器件通过焊接技术连接在一起，形成电子电路。
这些只是半导体器件物理与工艺的一部分内容，该领域还涉及到更深入的知识和技术。
MEMS工艺(3半导体工艺)
掺杂的主要形式：注入和扩散
退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不
活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。
目的：激活杂质
消除损伤 结构释放后消除残余应力
退火方式：
炉退火 快速退火
1.扩散工艺
•定义：在一定温度下杂质原子具有一 定能量，能够克服阻力进入半导体并 在其中做缓慢的迁移运动。 •形式：替代式扩散和间隙式扩散
• 2．漏电电流大：表面沾污引起的表面漏电；氧化层的 缺陷破坏了氧化层在杂质扩散时的掩蔽作用和氧化层在 电路中的绝缘作用而导电；硅片的缺陷引起杂质扩散时 产生管道击穿。
• 3．薄层电阻偏差
• 4．器件特性异常：击穿电压异常；hFE异常；稳压二
极管稳压值异常。
。
工艺控制
• 污染控制：颗粒、有机物、薄膜、金属离子 • 污染来源：操作者,清洗过程,高温处理,工具 •• 参量控制：温度，时间，气体流量(影响最大?) • 1.温度控制：源温、硅片温度、升温降温、测温 •2.时间： 进舟出舟自动化, 试片 • 3.气体流量：流量稳定，可重复性，假片
离子注入
• 特点：横向效应小，但结深浅；杂质量可控；晶格缺陷多 • 基本原理：杂质原子经高能粒子轰击离子化后经电场加速轰击硅片表面，形成注入层 • 装置：离子源、聚焦、分析器、加速管、扫描、偏转、靶室、真空系统
离子注入系统的原理示意图
离子注入的步骤
注入的离子在基底中的分布
• 根据Ruska(1987)，注入离子的浓度N（X）可遵循下面方程式
分类
• 普通热退火 • 硼的退火特性 • 磷的退火特性 • 扩散效应 • 快速退火
•方式：
•热退火：管式炉，保护气氛，900C， 20~30min，用于再扩散
半导体工艺基本知识
半导体工艺基本知识半导体工艺啊，就像是一场微观世界里的奇妙魔术。
咱们先从硅片说起吧。
硅片就好比是盖房子的地基，整个半导体世界都建立在它之上。
硅呢，是一种很神奇的材料，在沙子里就能找到它的身影。
你说神不神？把沙子变成能做半导体的硅片，这得经过多少道工序啊。
就像把一块普通的石头打磨成一颗璀璨的宝石一样不容易。
这硅片得做得平平整整、干干净净的，哪怕一点点小杂质或者小凸起，那对后面的工艺来说，就像在一碗好汤里掉进了一粒老鼠屎一样，坏了整锅汤。
掺杂工艺也很有趣。
这就像是给硅片这个大集体里安排不同职责的成员。
往硅片里掺入一些特殊的元素，就像在一群人中安排几个特别的角色一样。
这些被掺进去的元素会改变硅片的电学性质，让它能实现各种各样的功能。
比如说，本来硅片可能比较老实，不太导电，但是一掺杂之后，就像给它注入了活力，变得能很好地导电了。
这感觉就像是给一个内向的人注入了自信，突然就变得活跃起来了。
蚀刻工艺又是什么样的呢？它有点像雕刻家拿着刻刀在作品上精雕细琢。
把不需要的部分去掉，留下我们想要的电路结构。
这个过程得小心翼翼的，要是不小心多刻掉了一点，那就像厨师做菜的时候盐放多了一样，整个味道就不对了。
芯片的性能也就受到影响了。
薄膜沉积工艺呢，就像是给硅片穿上一层一层的衣服。
这些衣服可有讲究了，不同的薄膜有着不同的功能。
有的是为了绝缘，就像冬天穿的棉衣，把寒冷隔开；有的是为了传导电流，就像电线外面的那层皮，起着保护和传导的作用。
每一层薄膜都得均匀地覆盖在硅片上，如果有薄有厚，那就像衣服穿得歪歪扭扭的，既不美观也不实用。
在半导体工艺的世界里，清洁度是至关重要的。
这就好比咱们住的房子，如果到处都是灰尘垃圾，肯定住着不舒服。
在半导体制造车间里，一点点灰尘都可能毁掉一个芯片。
所以那里的环境得保持得超级干净，工作人员都得穿着特殊的工作服，就像一群白色的小精灵在微观世界里忙碌着。
半导体工艺涉及到的设备也很复杂昂贵。
那些设备就像是一个个巨大的怪兽，静静地蹲在那里，等着人们去操作它们。
半导体掺杂简介解读
半导体掺杂简介解读第⼗⼀章掺杂概述导电区和N-P结是晶圆内部或表⾯形成的半导体器件的基本组成部分。
他们是通过扩散或离⼦注⼊技术在晶圆中形成的。
本章将具体介绍N-P结的定义，扩散与离⼦注⼊的原理及⼯艺。
⽬的完成本章后您将能够：1.定义P-N结。
2.画出完整的扩散⼯艺流程图。
3.描述淀积步骤与推进步骤的不同。
4.列举三种类型的淀积源。
5.画出淀积和推进⼯艺的典型杂质浓度与深度位置的关系曲线。
6.列举离⼦注⼊机的主要部件。
7.描述离⼦注⼊的原理。
8.⽐较扩散与离⼦注⼊⼯艺的优势劣势。
结的定义使晶体管和⼆极管⼯作的结构就是N-P结。
结（junction）就是富含带负电的电⼦的区域（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。
这个概念在扩散结的形成章节中已作过解释。
在半导体表⾯形成结的通常做法是热扩散（diffusion）或离⼦注⼊（ion implantation）。
掺杂区的形成扩散的概念扩散掺杂⼯艺的发展是半导体⽣产的⼀⼤进步。
扩散，⼀种材料通过另⼀种材料的运动，是⼀种⾃然的化学过程，在现实⽣活中有很多例⼦。
扩散的发⽣需要两个必要的条件。
第⼀，⼀种材料的浓度必需⾼于另外⼀种。
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。
扩散的原理被⽤来将N-型或P-型杂质引进到半导体表层深部。
然⽽，⼩尺⼨器件的要求使业界转⽽采⽤离⼦注⼊作为主要的掺杂技术。
但是，⼀旦杂质进⼊晶圆的表⾯，后续的⾼温过程都会使它继续移动。
扩散定律决定了后续的移动。
⽓相扩散的⼀个例⼦就是常见的充压的喷雾罐（图11.1），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。
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MIS IC，结型场效应 晶体管及其IC pnp管
作用 隐埋区 隔离区 基区 发射区 电阻 提高开关速度 源、漏、沟道、阱 半绝缘区
源、漏 集电区、发射区
杂质 Sb, As B, Al
B, P P, As, P-As, B
B:P Au, Pt B:P, A H, O, Cr扩散的微观机制：晶体内扩散是通过一系列随机跳跃来实 现的，这些跳跃在整个三维方向进行，有多种方式，最 主要有：填隙式扩散；替位式扩散；填隙-替位式扩散
4.2 扩散
间隙式扩散（interstitial）
替位式扩散（substitutional）
间隙扩散杂质：O， Au，Fe，Cu，Ni， Zn，Mg
在温度T，单位晶体体积中的空
位数
Nv
N
exp
Evac kT
每一格点出现空位的几率为
Nv/N，替位式原子必须越过的 势垒高度为Es; Es 约3 4 eV
跳跃几率为
Pv
exp
Evac kT
v0
exp
Es kT
v0
exp
Evac kT
Es
慢扩散杂质
4.2 扩散
本征扩散系数：当NA、ND<ni（在一定温度下）时，
xj
1
x j
1
qNx j
1
Q：从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量
4.1 掺杂
杂质固溶度（dopant solid solubility）
✓ 固溶度（solid solubility）：在平衡 条件下，杂质能溶解 在硅中而不发生反应 形成分凝相的最大浓 度。
✓ 电固溶度
✓ 超过电固溶度的杂质 可能形成电中性的聚 合物，对掺杂区的自 由载流子不贡献
4.1 掺杂
薄层电阻 RS（sheet resistance）
方块电阻
薄层电阻定义为： RS
xj
t
w l
R l
8
wt
R RS x j
4.1 掺杂
RS：表面为正方形的半导体薄层，在电流方向呈现的电阻。
单位为 /
RS：正方形边长无关
R
l A
l wx j
xj
l w
RS
l w
方块时，l＝w，R＝RS。所以，只要知道了某个掺杂区域
4.2 扩散
间隙原子
推填子
4.2 扩散
间隙式扩散： Au, Ag, Cu, Fe, Ni等
间隙原子必须越过的势垒高度 Ei Ei 约为0.6 1.2 eV
跳跃几率和温度有关
Pi
v0
exp
Ei kT
振动频率0＝1013～1014/s
快扩散杂质
T：绝对温度，k：玻尔兹曼常数
4.2 扩散
替位式扩散：B, P, As, Sb等
的方块电阻，就知道了整个掺杂区域的电阻值。
重要性：薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净
杂质总量
4.1 掺杂
物理意义： 薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅 内部的净杂质总量
qn
1 1 qn
q 电荷， 载流子迁移率，n 载流子浓度 假定杂质全部电离 ，载流子浓度 n = 杂质浓度 N 则：
RS
NMOS
BJT
BE
C
p well
p n+
p+
n-
n+
p
n+ p+
掺杂应用：MOSFET：阱、栅、源/漏、沟道等 BJT：基极、发射极、集电极等
4.1 掺杂
目的：改变晶片电学性质，实现器件和电路纵向结构。 方式：扩散（diffusion）、离子注入（ion implantation）、 合金、中子嬗变。
4.1 掺杂
As在硅中的固溶度: 21021 cm-3 As的电学可激活浓度: 21020 cm-3
4.1 掺杂
掺入的杂质是电活性的，能提供所需的载流子，使许多微结构和 器件得以实现。掺杂的最高极限约1021 atoms/cm3，最低 1013 atoms/cm3
晶片 硅 砷化镓 锗
器件
双极型晶体管及其IC
微电子工艺学
Microelectronic Processing 第四章 掺杂原理与技术
张道礼 教授 Email: zhang-daoli@ Voice: 87542894
4.1 掺杂
掺杂（doping）：将一定数量和一定种类的杂质 掺入硅中，并获得精确的杂质分布形状（doping profile）。
基本概念：结深 xj （Junction Depth）；薄层电阻 Rs
（Sheet Resistance ）；杂质固溶度（Solubility)
4.1 掺杂
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。例如，扩散可用 于形成深结(deep junction)，如CMOS中的双阱(twin well)；而离子注入可用于形成浅结(shaIlow junction)， 如MOSFET中的漏极与源极．
B，P，一般作为替位式扩 散杂质，实际情况更复杂， 包含了硅自间隙原子的作 用，称填隙式或推填式扩 散
替位扩散杂质：As， Al，Ga， Sb，Ge。 替位原子的运动一般是以近邻 处有空位为前题
4.2 扩散
填隙式（ interstitial assisted kick-out)或推填式扩散 （Interstitialcy-assited)
4.1 掺杂
4.1 掺杂
杂质分布形状（doping profile）举例
4.1 掺杂
结深的定义
xj : 当 x = xj 处 Cx（扩散杂质浓度）= CB（本体浓度） ✓器件等比例缩小k倍，等电场要求xj 同时缩小k倍
✓同时
要求xj 增大
在现代COMS技术中，采用浅结和高掺杂来同时满足两方 面的要求
Zn, Be:S, Si, Sn In-Ga, Al
4.2 扩散
扩散原理
扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在约1000℃的 高温、p型或n型杂质气氛中，杂质向衬底硅片的确定 区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺 杂的一种工艺方法，也叫热扩散。
固相扩散：扩散是一种自然现象，由物质自身的热运动引 起。微电子工艺中的扩散是杂质在晶体内的扩散，因此 是一种固相扩散。