概述半導體材料的獨特性質之一是它們的導電性和導電類型(N型或P型)能被產生和控制。在本章中，描述在晶圓內和表面上特別的小塊導電區(qū)和PN結的形成。介紹擴散和離子注入兩種摻雜技術的原理和工藝。

簡介

使晶體管和二極管工作的結構就是PN結。結(junction)就是富含電子的區(qū)域(N型區(qū))與富含空穴的區(qū)域(P型區(qū))的分界處。結的具體位置就是電子濃度與空穴濃度相同的地方。這個概念在以后“由擴散形成摻雜區(qū)和擴散結”中解釋。

通常在半導體晶圓表面形成結的方法是熱擴散(diffusion)或離子注入(ion implantation)。用熱擴散，摻雜材料被引入晶圓頂層暴露的表面，典型的是通過在頂層二氧化硅的孔洞。通過加熱，它們被散布到晶圓的體內。散布的量和深度由一套規(guī)則控制，說明如下。這些規(guī)則源自一套化學規(guī)則，無論何時，晶圓被加熱到一個閾值溫度，這套規(guī)則將控制摻雜劑在晶圓中的任何運動。在離子注入中，顧名思義摻雜劑材料被射入晶圓的表面，進來的大部分摻雜劑原子靜止于表面層以下。此外，擴散規(guī)則也控制注入的原子運動(參見下圖)。因此，本節(jié)以討論半導體的結開始，進行到擴散技術和規(guī)則，以描述離子注入工藝結尾。

用擴散法形成摻雜區(qū)

擴散摻雜工藝的開發(fā)是半導體生產的一個重要進步。擴散，是一種材料通過另一種材料的運動，是一種自然的化學過程，在日常生活中有很多例子。擴散的發(fā)生需要兩個必要的條件。第一，一種材料的濃度必須高于另外一種材料的濃度。第二，系統(tǒng)內部必須有足夠的能量使高濃度的材料進入或通過另一種材料。氣相擴散的一個例子就是常見的充壓噴霧罐(參見下圖)，比如房間除臭劑。按下噴嘴時，帶有壓力的物質離開罐子進入到附近的空氣中。此后，擴散過程使得氣體移動分布到整個房間。這種移動在噴嘴被按開時開始，并且在噴嘴關閉后還會繼續(xù)。只要前面的噴霧引入的濃度高于空氣中的濃度，這種擴散過程就會一直繼續(xù)。隨著物質遠離噴霧罐，物質的濃度會逐漸降低。這是擴散過程的一個特性。擴散會一直繼續(xù)，直到整個房間的濃度均一為止。

一滴墨水滴入一杯水中時，展現(xiàn)的就是液態(tài)擴散的另一個例子。墨水的濃度高于周邊水的濃度，于是立即向杯中的水擴散。擴散過程會一直繼續(xù)直到整杯水有相同的顏色為止。這個例子還可以用來說明能量對擴散過程的影響。如果杯中的水被加熱(給予水更多的能量)，墨水會更快地散布在杯中。

當摻雜的晶圓暴露接觸面比晶圓內雜質原子濃度更高時，會發(fā)生相同的擴散現(xiàn)象，稱為固態(tài)擴散。

擴散形成的摻雜區(qū)和結

擴散工藝摻雜后的晶圓中雜質的檢查，顯示了摻雜區(qū)和結的形成。初始時的情況顯示在下圖中。顯示的晶圓來自p型晶體。圖中的“+”號代表單晶生長過程中引進的p型雜質。它們均勻地分布在整片晶圓中。

晶圓經過熱氧化及圖形化工藝后，氧化層上面會留出孔洞。在擴散爐管里，晶圓在高溫條件下暴露于一定濃度的N型雜質中(參見下圖中的“一”號)。N型雜質透過氧化層上的孔洞擴散到晶圓內部。

對晶圓不同深度處發(fā)生變化的檢查，顯示了摻雜在晶圓內部引起的變化。擴散爐管中的條件設置使得擴散到晶圓內部的N型雜質原子數(shù)量高于第一層中p型原子的數(shù)量。在此演示中，N型原子比P型原子多7個，從而使其成為N型導電層。

擴散過程隨著N型原子從第一層向第二層的擴散而繼續(xù)(參見下圖)。同樣，第二層中N型雜質的數(shù)量高于P型，使第二層轉變?yōu)镹型。下圖中顯示的是每一層中N型與p型原子的計數(shù)這個過程會繼續(xù)到晶圓更深處。

11.3.1 NP結

在第4層中，N型與P型原子的數(shù)量恰好完全相同。這一層就是NP結的所在。NP結的定義就是指N型與P型雜質原子數(shù)量相同的地方。注意在結下方的第5層只有3個N型原子，不足以將該層改變?yōu)镹型。

NP結的定義指出摻雜區(qū)中N型原子的濃度較高。PN結意味著摻雜區(qū)域中P型雜質的濃度較高。電流通過半導體結的特征行為造成單個半導體器件的特殊性能表現(xiàn)。本系列的重點放在晶圓摻雜區(qū)的形成與特征上。

11.3.2固態(tài)擴散的目的

擴散工藝(熱擴散或離子注入)的目的有三個：

在晶圓表面產生具體摻雜原子的數(shù)量(濃度)。

2．在晶圓表面下的特定位置處形成NP(或PN)結。

3．在晶圓表面層形成特定的摻雜原子(濃度)分布。

11．3．3橫向擴散

上圖中的擴散摻雜工藝顯示外來雜質原子豎直進入晶圓。實際上，雜質原子朝各個方向運動。精確的截面圖(參見下圖)會顯示一部分原子進行了橫向的運動，在氧化隔離層下面形成了結。這種運動稱為橫向(lateral)或側向(side)擴散。橫向或側向擴散量約為縱向擴散結深的85％。不論擴散或離子注入，都會發(fā)生橫向擴散現(xiàn)象。橫向擴散對電路密度的影響在離子注入的介紹部分進行討論。

總結

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