第十一章 掺杂

1、结的定义：结（junction）就是富含电子区域（N型区）与富含空穴区域（P型区）的分界处，具体位置就是电子浓度和空穴浓度相同的地方，靠热扩散或离子注入可形成结；
2、掺杂区和结的扩散形成：
a.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。两个必要条件一是一种材料的浓度必须高于另外一种材料的浓度，其次是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；
b.NP结：掺杂区中N型原子的浓度较高，反之PN结掺杂区中P型原子的浓度较高；
c.扩散工艺的目的:
■在晶圆表面产生具体掺杂原子的数量（浓度）；
■在晶圆表面下的特定位置处形成NP（或）PN结；
■在晶圆表面层形成特定的掺杂原子（浓度）分布。
d.横向（lateral）或侧向（side）扩散、同型掺杂（不会形成结）；
e.结的图形显示、浓度随深度变化的曲线；
3、扩散工艺的步骤：固态扩散工艺（solid-state diffusion）形成结需要两步：淀积（deposition）和推进氧化（drive-in-oxidation），均在水平或垂直的炉管中进行。
a.淀积:预淀积（predeposition、dep、predep），受制约因素一是特定杂质的扩散率（diffusivity），另一个因素是杂质在晶圆材质中的最大固浓度（maximum solid solubility），还有一个就是温度及掺杂源材料；
b.淀积步骤：预清洗与刻蚀—炉管淀积—去釉—评估；
c.扩散源：液态源（BBr3、POCl3…）、气态源（AsH3、B2H6…）、固态源（匙、近邻固态源solid neighbor source、旋转涂抹）；
d.封闭炉管淀积：IBM开发的，在抽真空、密封低压的石英舱中进行淀积，成本太高；
e.推进氧化：推进（drive-in）、扩散（diffusion）、再氧化（reoxidation、reox）作用如下:
■杂质在晶圆中向深处的再分布；
■氧化晶圆的暴露表面；
f.氧化的影响：N型的堆积效应（pile-up）和P型的耗尽效应；
4、离子注入：传统热扩散对先进电路的生产有所限制，集中在以下五个问题：横向扩散、超浅结、粗劣的掺杂控制、表面污染的阻碍和错位的产生。离子注入克服了扩散的限制，同时也提供了额外的优势。
a.离子注入的概念：扩散是化学过程，离子注入是物理过程，不依赖于杂质与晶圆材质的反应，类似火炮将炮弹打入墙中；
b.离子注入系统：一台离子注入机是多个极为复杂精密的分系统的集成。离子注入机可分为：中等束流和高束流设备（晶圆电荷积累问题）、高能量与氧离子注入机等；
5、离子注入系统组成：
a.离子注入源：气态为主（PF5、AsF5、BF3、SbF3、PF3…），偶尔有固态源（P2O5）；
b.离化反应室：离化反应腔中进行，或者采用冷阴极的方法；
c.质谱分析和离子选择：分析（analyzing）、质谱分析（mass analyzing）、选择（selection）、离子分离（ion separation）；
d.加速管：将离子加速到足够高速度获取高动量（momentum）以穿透晶圆表面；
e.束流聚焦：用静电或磁透镜将离子聚焦为小尺寸束流或平行束流带；
f.束流中和：抑制中性粒子流的方法是通过静电场板的方法；
g.束流扫描、机械扫描和模板，一般用前二者结合的方式；
h．靶室：又称为终端舱室，包括扫描系统与进出机械装置
6、离子注入掩膜：离子注入的一个优点是多种类型的掩膜都可以有效地阻止离子束流，使用光刻胶薄膜而不是刻蚀开的氧化层作为掩膜提供了与垂直工艺相同的尺寸控制优势，取消了刻蚀步骤以及它所引入的变化；
7、离子注入区域的杂质浓度：原子数量由束流密度、和注入时间决定，其具体位置与离子能量、晶圆取向、离子的停止机制有关，停止机制基于晶体内部带负电的电子的减速以及与晶圆原子核的碰撞的交互作用，由此带来的问题是：
a.晶体损伤：晶格损伤、损伤群簇、空位-间隙；
b.退火：可修复晶体损伤和注入杂质的电激活，采用RTP技术；
c.沟道效应：可通过以下几种技术最小化：表层的不定型阻碍层、晶圆方向的扭转、以及在晶圆表面形成损伤层；
8、离子注入的评估：
a.四探针测试仪用于测试该层的方块电阻（扩散电阻技术、容-压技术、决定剖面浓度、剂量和结深），结深也可以用斜角染色法来决定；
b.对于注入层，一种被称为Van Der Pauw结构的特殊结构有时被用来替代四探针测试仪；
c.离子注入的特殊测试技术是光学剂量测定，要求旋转涂有光刻胶的圆盘形成等高线图；
9、离子注入的应用：离子注入可成为任何淀积的替代工艺，一个特别的挑战是超浅结，一个主要应用是MOS栅阀值电压的调整。在双极技术中离子注入被用来形成各种晶体管部件，离子注入适合MOS和双极电路中的电阻形成。
10、掺杂的前景展望：一种新技术是等离子掺杂（plasma doping），也称为PLAD，目前为止离子注入将半导体工业带入亚0.10微米的掺杂技术，其好处有：
■10的10次方至16次方每平方厘米范围内的精确剂量控制；
■大面积区域的均匀性；
■通过能量的选择控制杂质的分布剖面；
■较容易地注入所有杂质元素；
■最小化的侧向扩散；
■注入非掺杂原子；
■可透过表面层注入；
■对于不同的掺杂可选择不同的掩膜材质；
■深阱区（倒退区）的特别分布剖面。