主要的摻雜方法

8.1合金法8.2熱擴(kuò)散法8.3離子注入法8.4金擴(kuò)散復(fù)習(xí)思考題合金法制作PN結(jié)是利用合金過程中溶解度隨溫度變化的可逆性，通過再結(jié)晶的方法，使再結(jié)晶層具有相反的導(dǎo)電類型，從而在再結(jié)晶層與襯底交界面處形成所要求的PN結(jié)，如鋁硅合金。根據(jù)合金理論，當(dāng)合金溫度低于共晶溫度時(shí)，鋁和硅不發(fā)生作用(鋁硅合金的共晶溫度為577℃)，都保持原來各自的固體狀態(tài)不變。當(dāng)溫度升高到577℃時(shí)，交界面上的鋁原子和硅原子相互擴(kuò)散，在交界面處形成組成約為88.7%鋁原子和11.3%硅原子的熔體。隨著溫度的升高和時(shí)間的增加，鋁硅熔體迅速增多，最后整個(gè)鋁層都變?yōu)槿垠w。如果再提高溫度，硅在合金熔體中的溶解度增加，則熔體和固體硅的界面向硅片內(nèi)延伸。8.1合金法在達(dá)到規(guī)定溫度并恒溫一段時(shí)間后，緩慢降低系統(tǒng)溫度，硅原子在熔體中的溶解度下降，多余的硅原子逐漸從熔體中析出，以未熔化的硅單晶襯底作為結(jié)晶的核心，形成硅原子的再結(jié)晶層。再結(jié)晶層中所帶入的鋁原子的數(shù)目由它們?cè)诠柚械墓倘芏人鶝Q定。如果帶入的鋁原子多到足以使其濃度大于其中的N型雜質(zhì)濃度，則在再結(jié)晶層的前沿就形成PN結(jié)。當(dāng)溫度降到鋁-硅共晶溫度時(shí)，熔體即全部凝固成鋁硅共晶體。此后，溫度繼續(xù)降低時(shí)，合金體系保持不變，合金系統(tǒng)的最終狀態(tài)由P型硅再結(jié)晶層和鋁硅共晶體組成(見圖8-1)。顯然，這樣形成的PN結(jié)，其雜質(zhì)濃度的變化是突變的，所以合金結(jié)是一種突變結(jié)。圖8-1合金法示意圖合金法也常用來制作歐姆接觸電極。例如，在硅功率整流器等元件中，常采用鋁硅合金法制作歐姆接觸；在硅平面功率晶體管的集電極歐姆接觸中，常采用金銻合金片與硅晶片的合金燒結(jié)法來制作高電導(dǎo)歐姆接觸，等等。

硅器件電極引線金屬的合金化，雖然也是一種合金過程，但合金溫度必須低于共晶溫度。例如，鋁-硅系統(tǒng)的合金溫度一般為500～570℃；對(duì)于淺結(jié)溫度還要低一些，只有400～500℃(但恒溫時(shí)間長一些)。這是為了避免鋁膜收縮“球化”，或因活潑的鋁與SiO2薄膜反應(yīng)，造成鋁引線與SiO2層下面的元件短路。在低于共晶溫度下進(jìn)行合金，是通過鋁—硅界面附近兩種原子的互相擴(kuò)散，即所謂“固相合金”來實(shí)現(xiàn)“合金化”的，從而達(dá)到良好的歐姆接觸特性和鋁-硅接觸的機(jī)械強(qiáng)度，而且有利于熱壓或超聲鍵合引線。但此時(shí)合金時(shí)間不可太短，否則因鋁-硅界面附近的原子未能充分地互相擴(kuò)散，將造成鋁硅接觸不良，影響器件的成品率和性能。

如果襯底片是鍺片或其他半導(dǎo)體晶片，其原理和結(jié)果也是一樣的，只是采用的合金材料、成分和合金溫度不一樣。8.2.1擴(kuò)散的條件

熱擴(kuò)散方法是一種化學(xué)過程，是在1000℃左右的高溫下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。晶圓暴露在一定摻雜元素氣態(tài)下，氣態(tài)下的摻雜原子通過擴(kuò)散遷移到暴露的晶圓表面，形成一層薄膜。在芯片應(yīng)用中，因?yàn)榫A材料是固態(tài)的，熱擴(kuò)散又被稱為固態(tài)擴(kuò)散。

擴(kuò)散是微觀粒子一種極為普遍的運(yùn)動(dòng)形式，從本質(zhì)上講，它是微觀粒子作無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這種運(yùn)動(dòng)總是由粒子密度較多的區(qū)域向著濃度較低的區(qū)域進(jìn)行，所以從另一意義上講，擴(kuò)散是使?jié)舛然驕囟融呌诰鶆虻囊环N熱運(yùn)動(dòng)，它的本質(zhì)是質(zhì)量或能量的遷移。8.2熱擴(kuò)散法日常生活中經(jīng)常可以觀察到擴(kuò)散現(xiàn)象。比如，在一杯水中，滴入幾滴墨水，一開始，墨水的濃度高于周邊水的濃度，經(jīng)過一段時(shí)間后，這一杯水的顏色變得均勻一致了，表明發(fā)生了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。如果加熱杯中的水，可以觀察到墨水更快地?cái)U(kuò)散開來。

可見，擴(kuò)散現(xiàn)象必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：

(1)擴(kuò)散的粒子存在濃度梯度。一種材料的濃度必須要高于另外一種材料的濃度。

(2)一定的溫度。系統(tǒng)內(nèi)部必須有足夠的能量使高濃度的材料進(jìn)入或通過另一種材料。8.2.2典型的擴(kuò)散形式

半導(dǎo)體中的原子是按一定規(guī)則周期排列的。雜質(zhì)原子(或離子)在半導(dǎo)體材料中典型的擴(kuò)散形式有兩種：間隙式擴(kuò)散和替位式擴(kuò)散。

1.間隙式擴(kuò)散

雜質(zhì)原子從一個(gè)原子間隙運(yùn)動(dòng)到相鄰的另一個(gè)原子間隙，依靠間隙運(yùn)動(dòng)方式而逐步跳躍前進(jìn)的擴(kuò)散機(jī)構(gòu)，稱為間隙式擴(kuò)散。晶體中的間隙原子，由一個(gè)間隙運(yùn)動(dòng)到相鄰的另一間隙，必須擠過一個(gè)較窄的縫隙，從能量來看，就是必須越過一個(gè)勢能較高的區(qū)域。根據(jù)玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，間隙原子的運(yùn)動(dòng)與溫度密切相關(guān)，用以表征這一特性的重要參數(shù)是擴(kuò)散系數(shù)D(單位為cm2/s)，D的物理意義在于它反映了在擴(kuò)散方向上凈的運(yùn)動(dòng)粒子總數(shù)和每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)速率。影響擴(kuò)散系數(shù)D的相關(guān)因素除了擴(kuò)散粒子本身的性質(zhì)以外，還包括擴(kuò)散時(shí)受到的阻力大小、勢壘高低、擴(kuò)散方式和材料性質(zhì)。D數(shù)值越大，表示擴(kuò)散得越快，在相同時(shí)間內(nèi)，在晶體中擴(kuò)散得越深。

2.替位式擴(kuò)散

替位式擴(kuò)散是替位式雜質(zhì)原子從一個(gè)替位位置運(yùn)動(dòng)到相鄰另一個(gè)替位位置，只有當(dāng)相鄰格點(diǎn)處有一個(gè)空位時(shí)，替位雜質(zhì)原子才有可能進(jìn)入鄰近格點(diǎn)而填充這個(gè)空位。因此，替位原子的運(yùn)動(dòng)必須以其近鄰處有空位存在為前提。也就是說，首先取決于每一格點(diǎn)出現(xiàn)空位的幾率。另一方面，替位式原子從一個(gè)格點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)格點(diǎn)位置，也像間隙原子一樣，必須越過一個(gè)勢壘，所以，替位式雜質(zhì)原子跳躍到相鄰位置的幾率應(yīng)為近鄰出現(xiàn)空位的幾率乘以替位雜質(zhì)原子跳入該空位的幾率。所以，替位式雜質(zhì)原子的擴(kuò)散要比間隙原子擴(kuò)散慢得多，并且擴(kuò)散系數(shù)隨溫度變化很迅速，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)數(shù)值越大，雜質(zhì)在硅中擴(kuò)散進(jìn)行得越快。在通常的溫度下，擴(kuò)散是極其緩慢的，這說明，要獲得一定的擴(kuò)散速度，必須在較高的溫度下進(jìn)行。

擴(kuò)散系數(shù)D除與溫度有關(guān)以外，還與基片材料的取向、晶格的完整性、基片材料的本體雜質(zhì)濃度以及擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度等因素有關(guān)。

對(duì)于具體的雜質(zhì)而言，其擴(kuò)散方式取決于雜質(zhì)本身的性質(zhì)，例如，對(duì)Si而言，Au、Ag、Cu、Fe、Ni等半徑較小的重金屬雜質(zhì)原子，一般按間隙式進(jìn)行擴(kuò)散，而P、As、Sb、B、Al、Ga等Ⅱ、Ⅲ族半徑較大的雜質(zhì)原子，則按替位式擴(kuò)散，前者比后者擴(kuò)散速度一般要大得多。8.2.3擴(kuò)散工藝步驟

在半導(dǎo)體晶圓中應(yīng)用固態(tài)擴(kuò)散工藝形成結(jié)需要兩步：第一步稱為預(yù)淀積，第二步稱為再分布。兩步都是在水平或垂直爐管中進(jìn)行的，所用設(shè)備和前面描述的氧化設(shè)備相同。

1.預(yù)淀積

預(yù)淀積是指采用恒定表面源擴(kuò)散的方式，在硅片表面淀積一定數(shù)量的雜質(zhì)原子。

所謂恒定表面源擴(kuò)散，是指在較低溫度下，雜質(zhì)原子自源蒸汽轉(zhuǎn)送到硅片表面，在硅片表面淀積一層雜質(zhì)原子，并擴(kuò)散到硅體內(nèi)，在整個(gè)擴(kuò)散過程中，源蒸汽始終保持恒定的表面源濃度。由于擴(kuò)散溫度較低，擴(kuò)散時(shí)間較短，雜質(zhì)原子在硅片表面的擴(kuò)散深度極淺，就如同淀積在表面。在擴(kuò)散過程中，硅片表面的雜質(zhì)濃度Ns始終保持不變，如基區(qū)、發(fā)射區(qū)的預(yù)淀積和一般箱法擴(kuò)散均屬于這種情況。

預(yù)淀積的工藝步驟分為4步，分別是預(yù)清洗與刻蝕、爐管淀積、去釉和評(píng)估。

2.再分布

再分布是指經(jīng)預(yù)淀積的硅片放入另一擴(kuò)散爐內(nèi)加熱，使雜質(zhì)向硅片內(nèi)部擴(kuò)散，重新分布，達(dá)到所要求的表面濃度和擴(kuò)散深度(結(jié)深)。此時(shí)沒有外來雜質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)充，只有由預(yù)淀積在硅片表面的雜質(zhì)總量向硅片內(nèi)部擴(kuò)散，這種擴(kuò)散稱為有限表面源擴(kuò)散。在擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)源限定于擴(kuò)散前淀積在硅片表面及其薄層內(nèi)的雜質(zhì)總量，沒有補(bǔ)充或減少，依靠這些有限的雜質(zhì)向硅片內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散。在平面工藝中的基區(qū)擴(kuò)散和隔離擴(kuò)散，都屬于這一類擴(kuò)散。8.2.4擴(kuò)散層質(zhì)量參數(shù)

在器件生產(chǎn)研制過程中，對(duì)擴(kuò)散工藝本身來說，主要目的就是獲得合乎要求、質(zhì)量良好的擴(kuò)散層。具體來說，主要有以下5個(gè)參數(shù)。

1.結(jié)深(xj)

擴(kuò)散時(shí)，若擴(kuò)散雜質(zhì)與襯底雜質(zhì)型號(hào)不同，則擴(kuò)散后在襯底中將要形成PN結(jié)。這個(gè)PN結(jié)的幾何位置與擴(kuò)散層表面的距離稱為結(jié)深，一般用xj表示。結(jié)深是擴(kuò)散工藝中要著重控制和檢驗(yàn)的參數(shù)之一。由高斯分布的結(jié)深表達(dá)式可知：式中，D為擴(kuò)散系數(shù)，t為時(shí)間。在擴(kuò)散溫度范圍內(nèi)，用實(shí)驗(yàn)確定擴(kuò)散系數(shù)的常用表達(dá)式為式中，是頻率因子(cm2/s)，E是激活能(eV)，T是絕對(duì)溫度，K是玻耳茲曼常數(shù)(eV/K)?？梢?，影響結(jié)深的因素包括擴(kuò)散時(shí)間和擴(kuò)散溫度外，在同時(shí)進(jìn)行氧化的工藝中，結(jié)深還受到氧化生長速率的影響。

結(jié)深的測量通常分為先磨斜面和染色兩個(gè)步驟，然后用干涉顯微鏡進(jìn)行測量。常用的方法是用49%HF和幾滴HNO3的混合液，滴在1°～5°角斜面的樣品上進(jìn)行化學(xué)染色(有時(shí)可用HF滴在斜面上，后用強(qiáng)光照射1～2分鐘染色)，使P型區(qū)比N型區(qū)更黑。用Tolansky的干涉條紋技術(shù)，可精確地測量0.5～100μm的結(jié)深。對(duì)于深度較大的PN結(jié)(例如大功率器件中的結(jié))，可直接掰開片子，經(jīng)顯結(jié)后，在顯微鏡下測量，對(duì)于較淺的PN結(jié)，要在硅片側(cè)面直接測出讀數(shù)很困難，必須將測量面擴(kuò)大，或采用其他方法測量。

2.方塊電阻(R

或Rs)

方塊電阻是標(biāo)志擴(kuò)散層質(zhì)量的另一個(gè)重要參數(shù)，一般用R

或Rs表示，單位為Ω/

。如果擴(kuò)散薄層為一正方形，其邊長都等于，厚度就是擴(kuò)散薄層的結(jié)深xj，那么，在這一單位方塊中，電流從一側(cè)面流向另一側(cè)面所呈現(xiàn)的電阻值，就稱為方塊電阻，又稱薄層電阻。

方塊電阻的概念可以這樣來理解，如果擴(kuò)散層其他參數(shù)相同，那么，只要是方塊，其電阻就是相同的，如圖8-2所示，假定左邊小方塊的電阻是1kΩ，根據(jù)電阻串并聯(lián)知識(shí)可知，右邊大方塊的電阻同樣是1kΩ。圖8-2方塊電阻示意圖這樣的薄層電阻可以表示為式中，為正方形的邊長，ρ為電阻率。薄層電阻與薄層電阻率成正比，與薄層厚度(結(jié)深)成反比，而與正方形邊長無關(guān)。ρ/xj所代表的只是一個(gè)方塊的電阻，故稱為方塊電阻，符號(hào)“

”只不過是為了強(qiáng)調(diào)是一個(gè)方塊的電阻而已。由于擴(kuò)散層存在雜質(zhì)濃度分布梯度，電阻率ρ指的是平均電阻率。方塊電阻主要取決于擴(kuò)散到硅片內(nèi)的雜質(zhì)總量，雜質(zhì)總量越多，R

越小。通過逐層測量方塊電阻，可以求得擴(kuò)散層中雜質(zhì)濃度的分布。方塊電阻的測量，目前多用四探針法，表達(dá)式如下：式中，Rs是擴(kuò)散層的方塊電阻(單位為Ω/

)；V是橫跨電壓探測器的直流測量電壓(單位為V)；I是通過電流探測器的恒定直流電流(單位為A)；F是修正系數(shù)，即樣品幾何形狀和探針間距的函數(shù)。表8-1給出了簡單的圓形、矩形、正方形樣品的修正系數(shù)。表8-1四探針測量層電阻的修正系數(shù)表中，d為直徑，a為探針平行的一邊，b為探針垂直的一邊，S為探針間距。對(duì)大的d/S修正系數(shù)接近于一個(gè)二維薄板在兩個(gè)方向伸展到無窮遠(yuǎn)處，即F=4.5324。僅對(duì)單面擴(kuò)散的淺結(jié)有效，一般VLSI的擴(kuò)散都是單面淺結(jié)擴(kuò)散。

當(dāng)在低濃度淺擴(kuò)散層的測量時(shí)，要達(dá)到無噪聲的測量結(jié)果是有困難的，因此，有時(shí)用兩個(gè)方向的電流和電壓的測量方法來克服這個(gè)問題，然后取二次讀數(shù)的平均值，這樣可以消除一些接觸電阻的影響。如果測量時(shí)電壓的差別大，就應(yīng)該首先檢查探針和樣品表面的清潔情況。為了保證讀數(shù)的正確性，可測量2～3個(gè)電流強(qiáng)度時(shí)的方塊電阻，再來進(jìn)行平均。測量結(jié)果表明：在測量電流的范圍內(nèi)，方塊電阻是一個(gè)常數(shù)。對(duì)于高電阻率的硅樣品，在150℃的N2中退火幾分鐘后，可以提高測量讀數(shù)的精度。在測量時(shí)，我們總是盡可能使用較小的電流，以避免因熱發(fā)生穿通而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

對(duì)于離子注入的樣品，擴(kuò)散層電阻的測量是在樣品退火或擴(kuò)散后，采用檢驗(yàn)電活性的方法來測量。

3.表面濃度(Ns)

表面濃度經(jīng)常要用到的又一個(gè)重要參數(shù)。理論分析指出：表面濃度不同，雜質(zhì)分布可以有很大的差異，從而對(duì)器件特性帶來影響。根據(jù)方塊電阻與雜質(zhì)總量的關(guān)系，以及雜質(zhì)總量和結(jié)深的表達(dá)式，可以知道，在本體雜質(zhì)濃度不變的情況下，R

、Ns和xj三者之間存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系，已知其中的兩個(gè)，第三個(gè)就被唯一地確定，從而具有確定的雜質(zhì)分布，反之亦然。對(duì)于一定的分布形式，只要其中的任意兩個(gè)參數(shù)給定，雜質(zhì)分布唯一確定，并且第三個(gè)參數(shù)也自然被確定?？梢姡砻鏉舛萅s、結(jié)深xj和方塊電阻R

都是描述雜質(zhì)分布的常用參數(shù)。這三個(gè)參數(shù)中，結(jié)深和方塊電阻能方便地測得，而表面濃度的直接測量比較困難，必須采用放射性示蹤技術(shù)或其他較麻煩的手段，因此在生產(chǎn)中，常由測量R

和xj來了解擴(kuò)散層的雜質(zhì)分布，并通過調(diào)節(jié)擴(kuò)散條件來控制R

和xj的大小，從而達(dá)到控制擴(kuò)散雜質(zhì)分布的目的。

表面濃度的大小一般由擴(kuò)散形式、擴(kuò)散雜質(zhì)源、擴(kuò)散溫度和時(shí)間所決定。但恒定表面源擴(kuò)散表面濃度的數(shù)值基本上就是擴(kuò)散溫度下雜質(zhì)在硅中的固溶度。也就是說，對(duì)于給定的雜質(zhì)源，表面濃度由擴(kuò)散溫度控制。對(duì)有限表面源擴(kuò)散(如兩步擴(kuò)散中的再分布)，表面濃度則由預(yù)淀積的雜質(zhì)總量和擴(kuò)散時(shí)的溫度和時(shí)間所決定。但擴(kuò)散溫度和時(shí)間由結(jié)深的要求所決定，所以此時(shí)的表面濃度主要由預(yù)淀積的雜質(zhì)總量來控制。在結(jié)深相同的情況下，預(yù)淀積的雜質(zhì)總量越多，再分布后的表面濃度就越大。在實(shí)際生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)基區(qū)硼預(yù)淀積雜質(zhì)總量Q太大(也即Rs偏低)時(shí)，再分布時(shí)應(yīng)縮短第一次通干氧的時(shí)間(即濕氧時(shí)間提前)，造成較多的雜質(zhì)聚集到SiO2層中，使再分布后基區(qū)的表面濃度Ns符合原定的要求。表面濃度的實(shí)際大小，還與氧化溫度和時(shí)間有關(guān)。氧化溫度愈高，雜質(zhì)擴(kuò)散愈快，就愈能減弱雜質(zhì)在表面附近的堆積。氧化時(shí)間愈長，再分布所影響到的深度就愈大。因此，雜質(zhì)再分布影響到的深度和最終雜質(zhì)濃度的分布，與氧化溫度和時(shí)間有很大的關(guān)系。這當(dāng)然也包括了對(duì)表面濃度的影響。

4.擊穿電壓和反向漏電流

PN結(jié)的擊穿電壓和反向漏電流，既是擴(kuò)散層質(zhì)量的重要參數(shù)，也是晶體管的重要直流參數(shù)。對(duì)該參數(shù)的要求是反向擊穿特性曲線平直，有明顯的拐點(diǎn)，且漏電流小。

5.?β值

β為共發(fā)射極電流放大系數(shù)，它既是檢驗(yàn)晶體管經(jīng)過硼磷擴(kuò)散所形成的兩個(gè)擴(kuò)散結(jié)質(zhì)量優(yōu)劣的重要標(biāo)志，也是晶體管一個(gè)重要的電學(xué)參數(shù)。影響β值的因素很多，可以通過擴(kuò)散工藝提高β值，比如減小基區(qū)寬度、減少復(fù)合、減小發(fā)射區(qū)薄層電阻Rse與基區(qū)薄層電阻Rsb的比值以提高發(fā)射極的注入效率。8.2.5擴(kuò)散條件的選擇

擴(kuò)散層質(zhì)量參數(shù)與擴(kuò)散條件密切相關(guān)，擴(kuò)散條件合適，才可能獲得合乎質(zhì)量要求的擴(kuò)散層。擴(kuò)散條件包括擴(kuò)散方法、擴(kuò)散雜質(zhì)源和擴(kuò)散溫度和時(shí)間。

1.擴(kuò)散方法的選擇

擴(kuò)散方法分氣—固擴(kuò)散、液—固擴(kuò)散和固—固擴(kuò)散。其中常用的氣—固擴(kuò)散又可分為閉管擴(kuò)散、箱法擴(kuò)散和氣體攜帶法擴(kuò)散。閉管擴(kuò)散的特點(diǎn)是把雜質(zhì)源和將要擴(kuò)進(jìn)雜質(zhì)的襯底片密封于同一石英管內(nèi)，因而擴(kuò)散的均勻性重復(fù)性較好，擴(kuò)散時(shí)受外界影響小，在大面積深結(jié)擴(kuò)散時(shí)常采用這種方法。由于密封還能避免雜質(zhì)蒸發(fā)，對(duì)擴(kuò)散溫度下?lián)]發(fā)劇烈的材料最適用(如GaAs擴(kuò)散)。其缺點(diǎn)是工藝操作繁瑣，每次擴(kuò)散后都需敲碎石英管，石英管耗費(fèi)大。另外，每次擴(kuò)散都要重新配源。

箱法擴(kuò)散是將源和襯底片(如硅片)同置于石英管內(nèi)，這種方法只要箱體本身結(jié)構(gòu)好，源蒸汽泄漏率恒定，仍然具有閉管擴(kuò)散的優(yōu)點(diǎn)，常用于集成電路中的埋層銻擴(kuò)散。但它比閉管擴(kuò)散前進(jìn)了一步，不用每次敲碎石英管。氣體攜帶法擴(kuò)散又包括氣態(tài)源、液態(tài)源和固態(tài)源三種。氣態(tài)源(如AsH3、B2H6)可通過壓力閥精確控制，使用時(shí)間長，但穩(wěn)定性較差，毒性大。液態(tài)源擴(kuò)散不用配源，一次裝源后可用較長時(shí)間，且系統(tǒng)簡單操作方便，但受外界因素影響較大。固態(tài)源擴(kuò)散(如氮化硼片、磷鈣玻璃片擴(kuò)散法等)，源片和硅片交替平行排列，有較好的重復(fù)性，均勻性使用于大面積擴(kuò)散，但片源易吸潮變質(zhì)，在擴(kuò)散溫度較高時(shí)還容易變形。

擴(kuò)散方法多種多樣，各種方法都有自己的特點(diǎn)和問題，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的擴(kuò)散方法。

2.擴(kuò)散雜質(zhì)源的選擇考慮因素

擴(kuò)散雜質(zhì)源的要求為：

(1)對(duì)所選擇的雜質(zhì)源，SiO2膜能有效地掩蔽擴(kuò)散；

(2)在硅中的固溶度大于所需要的表面濃度；

(3)擴(kuò)散系數(shù)大小適當(dāng)，不同雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)大小應(yīng)搭配適當(dāng)，例如基區(qū)擴(kuò)散雜質(zhì)硼，發(fā)射區(qū)擴(kuò)散雜質(zhì)磷；

(4)純度高；

(5)雜質(zhì)電離能??；

(6)使用方便安全。例如，磷擴(kuò)散的時(shí)間比較短(約10min)，難以控制，重復(fù)性差，用磷來實(shí)現(xiàn)淺結(jié)高濃度擴(kuò)散很困難。如果采用砷雜質(zhì)，由于在相同溫度和相同雜質(zhì)濃度下，砷在硅中的擴(kuò)散系數(shù)比磷要小一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，可在較高溫度下進(jìn)行較長時(shí)間的擴(kuò)散，易于實(shí)現(xiàn)淺結(jié)高濃度擴(kuò)散。另外，由于砷原子的四面體半徑與硅相接近，砷擴(kuò)散到硅中后，一般不易產(chǎn)生失配

位錯(cuò)，從而不會(huì)產(chǎn)生高濃度磷擴(kuò)散所引起的“發(fā)射區(qū)陷落效應(yīng)”，可使基區(qū)寬度做到小于0.1μm，有利于提高微波晶體管的性能。因此，在微波晶體管中，通常用砷代替磷做施主

雜質(zhì)。已經(jīng)摻入的雜質(zhì)，在后續(xù)的熱處理過程中，要求雜質(zhì)分布變化小。例如，硅集成電路的埋層雜質(zhì)源，為了不致在以后的長時(shí)間隔離擴(kuò)散時(shí)，使埋層向外延層推移太多，要求埋層擴(kuò)散雜質(zhì)源的擴(kuò)散系數(shù)盡可能小。銻和砷的擴(kuò)散系數(shù)都比較小，可以用于埋層的雜質(zhì)源，從埋層擴(kuò)散對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)要求來看，采用砷比銻更理想，而且固溶度大。但砷有毒，蒸汽壓又高，在工藝操作上有一定的困難，因此一般還是不采用砷而采用銻。

可見，實(shí)際選用什么雜質(zhì)較合適，要根據(jù)不同擴(kuò)散對(duì)雜質(zhì)源的要求來選擇。

3.擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間的確定

選定擴(kuò)散方法和擴(kuò)散源后，可以根據(jù)給出的結(jié)構(gòu)參數(shù)來估計(jì)所需要的擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間。

所選定的溫度，必須使它所對(duì)應(yīng)的固溶度大于所要求的表面濃度，對(duì)于B、P、Sb等在硅中的固溶度，在900～1200℃范圍內(nèi)變化不大，因此，預(yù)淀積的溫度最低可選取至900℃；要易于控制，具體地說，就是溫度不可太高，以免擴(kuò)散時(shí)間太短，難于控制，影響擴(kuò)散的重復(fù)性和均勻性；在所選定的溫度范圍附近，雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)、固溶度、化合物源的分解速率等方面隨溫度的變化要小，以便使溫度的偏離對(duì)擴(kuò)散結(jié)果的影響較小。根據(jù)上述考慮，對(duì)于硅中硼基區(qū)預(yù)淀積的溫度一般選取900～980℃。如果要求較大的擴(kuò)散結(jié)深和較高的表面濃度，為縮短擴(kuò)散時(shí)間，也可以選得高一些，如隔離硼預(yù)淀積和埋層銻擴(kuò)散等。再分布考慮的主要問題是獲得一定的結(jié)深。擴(kuò)散溫度和時(shí)間必須統(tǒng)籌考慮。一般來說，要求擴(kuò)散時(shí)間不要太長，溫度也不宜太高，以免影響器件的性能。對(duì)于表面濃度較高和擴(kuò)散結(jié)深較大的慢擴(kuò)散雜質(zhì)，在不影響PN結(jié)性能及表面不出現(xiàn)合金點(diǎn)的前提下，可適當(dāng)提高溫度，以縮短擴(kuò)散時(shí)間。對(duì)于結(jié)深較淺的擴(kuò)散，溫度選擇不宜太高，以免擴(kuò)散時(shí)間太短，結(jié)深不易控制，以滿足器件設(shè)計(jì)的要求，即達(dá)到一定的結(jié)深和表面濃度。方塊電阻的大小主要靠調(diào)節(jié)預(yù)淀積的溫度和時(shí)間，特別是調(diào)節(jié)溫度來實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)預(yù)淀積和再分布的溫度與時(shí)間以及SiO2層的厚度，就可以調(diào)整和控制擴(kuò)散層的方塊電阻。但必須指出，至于再分布的溫度和時(shí)間，因?yàn)闆Q定著器件所要求的結(jié)深，一般不應(yīng)變動(dòng)，因此用以調(diào)節(jié)R

的余地很小。調(diào)節(jié)再分布時(shí)通干氧和濕氧的時(shí)間比例，也可以調(diào)節(jié)R

，但往往對(duì)SiO2層的厚度有一定的要求，所以調(diào)節(jié)的幅度也是有限的。離子注入是一個(gè)物理變化過程。晶圓被放在離子注入機(jī)的一端，氣態(tài)摻雜離子源在另一端。摻雜離子被電場加到超高速，穿過晶圓表層，好像一粒子彈從槍內(nèi)射入墻中。

注入離子在靶片中分布的情況與注入離子的能量、性質(zhì)和靶片的具體情況等因素有關(guān)。對(duì)于非晶靶，離子進(jìn)入靶時(shí)，將與靶中的原子核和電子不斷發(fā)生碰撞。碰撞過程中，離子的運(yùn)動(dòng)方向?qū)⒉粩喟l(fā)生偏折，能量不斷減少，最終在某一點(diǎn)停下來。離子從進(jìn)入靶起，到最終停止下來的點(diǎn)之間所通過路徑的總距離稱為入射離子的射程。8.3離

子

注

入

法在入射離子進(jìn)入靶時(shí)，每個(gè)離子的射程是無規(guī)則的，但大量以相同能量入射的離子仍然存在一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，在一定條件下，其射程具有確定的統(tǒng)計(jì)平均值。為了確定注入離子的濃度(或射程)分布，首先應(yīng)考慮入射離子如何與靶片中的原子核和電子發(fā)生相互作用的過程。有人認(rèn)為，在離子進(jìn)入靶的過程中，與靶原子核和電子發(fā)生碰撞而損失能量時(shí)，這兩種碰撞機(jī)構(gòu)的情況是不同的。當(dāng)離子與靶原子核碰撞時(shí)，由于兩者的質(zhì)量一般屬于同一數(shù)量級(jí)，散射角較大，經(jīng)過碰撞，離子運(yùn)動(dòng)方向?qū)l(fā)生較大的偏折。同時(shí)，在每次碰撞中，離子傳遞給靶原子核的能量也較大。在離子與靶原子碰撞時(shí)傳遞的能量大于晶格中原子的結(jié)合能時(shí)，靶原子將從其格點(diǎn)位置上脫出，同時(shí)留下一個(gè)空位，這些空位將形成晶格缺陷。而入射離子與靶電子碰撞時(shí)，由于電子質(zhì)量比離子質(zhì)量小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故在一次碰撞中，離子損失的能量要小得多，而且碰撞時(shí)離子的散射角也很小，可以忽略不計(jì)，即可以認(rèn)為離子與靶中電子碰撞時(shí)其運(yùn)動(dòng)方向不變。所以，可以把入射離子能量的損失分為入射離子與原子核的碰撞過程和束縛電子與自由電子的碰撞過程是兩個(gè)彼此獨(dú)立的過程，即核阻擋過程和電子阻擋過程。8.3.1離子注入法的特點(diǎn)

與熱擴(kuò)散工藝相比，離子注入法有如下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：

(1)可在較低溫度下(低于750℃)將各種雜質(zhì)摻入到不同半導(dǎo)體中，避免由于高溫產(chǎn)生的不利影響；

(2)能精確控制基片內(nèi)雜質(zhì)的濃度、分布和注入濃度，對(duì)淺結(jié)器件的研制有利；

(3)所摻雜質(zhì)是通過分析器單一地分選出來后注入到半導(dǎo)體基片中去的，可避免混入其他雜質(zhì)；

(4)能在較大面積上形成薄而均勻的摻雜層；

(5)獲得高濃度擴(kuò)散層不受固濃度限制。

離子注入法也有如下幾個(gè)明顯的缺點(diǎn)：

(1)在晶體內(nèi)產(chǎn)生的晶格缺陷不能全部消除；

(2)離子束的產(chǎn)生、加速、分離、集束等設(shè)備價(jià)格昂貴；

(3)制作深結(jié)比較困難。8.3.2離子注入設(shè)備

離子注入設(shè)備示意圖如圖8-3所示。

離子注入設(shè)備包括以下幾個(gè)主要部件：

1.離子源

離子源是產(chǎn)生注入離子的發(fā)生器。常用的離子源有高頻離子源、電子振蕩型離子源和濺射型離子源等。把引入離子源中的雜質(zhì)，經(jīng)離化作用電離成離子。用于離化的物質(zhì)可以是氣體也可以是固體，相對(duì)應(yīng)的就有氣體離子源和固體離子源。為了便于使用和控制，偏向于使用氣態(tài)源，但氣態(tài)源大多有毒且易燃易爆，使用時(shí)必須注意安全。圖8-3離子注入設(shè)備示意圖

2.分析器

從離子源引出的離子束一般包含有幾種離子而需要注入的只是某一種，需要通過分析器將所需要的離子分選出來。

分析器有磁分析器和正交電磁場分析器。磁分析器用得較多。分析器的末端是一個(gè)只能讓一種離子通過的狹縫，通過調(diào)整磁場強(qiáng)度大小獲得所需離子。

3.加速器

離化物質(zhì)失去電子變成離子后，還必須利用一強(qiáng)電場來吸引離子，使離子獲得很大的速度，以足夠的能量注入靶片內(nèi)。

4.掃描器

通常，離子束截面比較小，約為mm2數(shù)量級(jí)，且中間密度大，四周密度小，這樣的離子束流注入靶片，注入面積小且不均勻，根本不能用。掃描就是使離子在整個(gè)靶片上均勻注入而采取的一種措施。

掃描方式有：靶片靜止，離子束在x、y兩方向上做電掃描；離子束在y方向上做電掃描，靶片沿x方向做機(jī)械運(yùn)動(dòng)；離子束不掃描，完全由靶片的機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)全機(jī)械掃描。1.3.2廣義傳輸線方程

在靜態(tài)場和低頻穩(wěn)態(tài)場中，電壓定義為兩點(diǎn)間電場關(guān)于路徑的積分。由于這時(shí)的場為位場，兩點(diǎn)間的電壓與積分路徑無關(guān)，所以電壓的定義是唯一的。這一概念也可用于TEM波傳輸線，因?yàn)門EM波傳輸線的橫向問題也是位場問題(滿足Laplace方程)。但是對(duì)于非TEM波傳輸線，橫向問題不再是位場問題，上述方法定義的電壓不再唯一，需要尋找新的定義方法。為了唯一地定義電壓和電流，規(guī)定：

(1)對(duì)于傳輸線的某一模式而言，電壓U與該模式的橫向電場Et成正比；電流I與該模式的橫向磁場Ht成正比，即U∝Et，I∝Ht。

(2)電壓與電流的共軛乘積的實(shí)部代表該模式的傳輸功率P，即Re{UI*}=P。

(3)傳輸行波時(shí)，電壓與電流之比等于傳輸線的特性阻抗Z0，即。根據(jù)規(guī)定(1)，設(shè)傳輸線中某一模式的橫向場為

令

則從傳輸線橫截面s入射的功率為(1.3.6)(1.3.7)(1.3.8)恰好滿足規(guī)定(2)。注意，在式(1.3.6)中已設(shè)e、h為實(shí)函數(shù)。由于式(1.3.6)是根據(jù)場模式定義的，所以稱U(z)為模式電壓，I(z)為模式電流，e、h分別為電場和磁場模式矢量函數(shù)。應(yīng)當(dāng)指出，規(guī)定(1)和(2)并不能唯一確定電壓和電流。例如，令U′=AU，I′=I/A，則式(1.3.8)成為

仍滿足規(guī)定(1)和(2)，但規(guī)定(3)不再滿足，而是

因此，還必須滿足規(guī)定(3)才能唯一確定電壓和電流。由于橫向電場模值和橫向磁場模值之比等于波阻抗Zw，即

所以，根據(jù)規(guī)定(3)，在行波狀態(tài)下，以式(1.3.6)代入式(1.3.9)，得(1.3.9)(1.3.10)由于e×h為方向，所以

這樣，剩下的問題就是如何確定特性阻抗Z0了。通常，需要根據(jù)具體問題而定。(1.3.11)

5.偏束板

離子束在快速行進(jìn)過程中，有可能與系統(tǒng)中的殘留中性氣體原子或分子相碰撞，進(jìn)行電荷交換，使中性氣體分子或原子成為正離子，而束流電子成為中性原子，并保持原來的速度和方向，與離子束一同前進(jìn)成為中性束。中性束不受靜電場作用，直線前進(jìn)而注入靶片的某一點(diǎn)，因而嚴(yán)重影響注入層的均勻性。為此，在系統(tǒng)中設(shè)有靜電偏轉(zhuǎn)電極，使離子束流偏轉(zhuǎn)5°左右再到達(dá)靶室，中性束因直線前進(jìn)不能到達(dá)靶室，從而解決了中性束對(duì)注入均勻性的影響。

6.靶室

靶室也稱工作室，室內(nèi)有安裝靶片的樣品架，可以根據(jù)需要做相應(yīng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

7.其它設(shè)備

其它設(shè)備主要包括真空排氣系統(tǒng)、電子控制設(shè)備等。8.3.3晶體損傷和退火

注入離子在靶片中的分布情況與注入離子的能量、性質(zhì)和靶片的具體情況等因素有關(guān)，可以把整個(gè)過程看成是核阻擋過程(離子和原子核的碰撞)和電子阻擋過程(束縛電子和自由電子碰撞)兩個(gè)過程共同作用的結(jié)果。

對(duì)于非晶靶，射程分布決定于入射離子的能量、質(zhì)量和原子序數(shù)，靶原子的質(zhì)量，原子序數(shù)和原子密度，注入離子的總劑量和注入期間靶的溫度。對(duì)于單晶靶，射程分布還依賴于晶體取向。離子沿溝道前進(jìn)時(shí)，來自靶原子的阻止作用要小得多，因此射程也大得多，這種現(xiàn)象稱為“溝道效應(yīng)”。在利用離子注入技術(shù)制備半導(dǎo)體器件的PN結(jié)時(shí)，為了精確控制結(jié)深，常采用注入方向相對(duì)于晶片的晶軸方向偏離8°。

雜質(zhì)離子注入到半導(dǎo)體樣品的過程中，要與靶原子發(fā)生多次猛烈的碰撞。如果入射離子與靶原子在碰撞時(shí)傳遞給靶原子的能量大時(shí)，則靶原子從晶格的平衡位置脫出，成為移位原子，同時(shí)在晶格中留下一個(gè)空位，而移位原子和注入離子則停留在間隙或替位位置上。因此，離子注入在固體內(nèi)形成了空位、間隙原子、間隙雜質(zhì)原子和替位雜質(zhì)原子等缺陷。這些缺陷的相互作用，還會(huì)形成大量的復(fù)合缺陷。我們把晶體損傷分為晶格損傷、損傷群簇和空位—間隙等幾種情況。修復(fù)晶體損傷和注入雜質(zhì)的電激活可以通過加熱的步驟來實(shí)現(xiàn)，稱為退火。退火的溫度應(yīng)低于擴(kuò)散摻雜時(shí)的溫度，以防止橫向擴(kuò)散。通常爐管中的退火在600～1000℃之間的氫環(huán)境中進(jìn)行。退火方法有熱退火、激光退火和電子束退火等。

對(duì)于熱退火，因?yàn)殡x子注入形成的穩(wěn)定缺陷群，在熱處理時(shí)分解成點(diǎn)缺陷和結(jié)構(gòu)簡單的缺陷，在熱處理溫度下，能以較高的遷移率在晶體中移動(dòng)，逐漸消滅，或被原來晶體中的位錯(cuò)、雜質(zhì)或表面所吸收，從而使損傷消除，晶格完整性得以恢復(fù)。一般，按這種方式恢復(fù)晶格時(shí)，需要的退火溫度較低，通常只需要在600～650℃下退火20min即可。但如果注入劑量不大，則退火溫度較高，例如850℃以上。為了使注入層的損傷得到充分消除，也有把退火溫度提高到950℃或1000℃以上，退火時(shí)間增加到數(shù)小時(shí)的。熱退火能夠滿足一般的要求，但也存在較大的缺點(diǎn)：一是熱退火消除缺陷不完全，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使將退火溫度提高到1100℃，仍然能觀察到大量的殘余缺陷；二是許多注入雜質(zhì)的電激活率不夠高。

激光退火是用功率密度很高的激光束照射半導(dǎo)體表面，使其中離子注入層在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度，從而實(shí)現(xiàn)消除損傷的目的。激光退火時(shí)整個(gè)加熱過程進(jìn)行得非?？焖伲訜醿H僅限于表面層，因而能減少某些副作用。激光退火目前有脈沖激光退火和連續(xù)激光退火兩種。

電子束退火是用電子束照射半導(dǎo)體表面，其退火機(jī)理一般認(rèn)為與脈沖激光退火一樣，也是液相外延再生長過程。它與激光退火相比，束斑均勻性較好，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)50%，比激光退火的1%高得多。金擴(kuò)散的主要目的是減少晶體管集電區(qū)的少數(shù)載流子壽命，縮短儲(chǔ)存時(shí)間，提高開關(guān)速度。合理的金擴(kuò)散，能有效地提高開關(guān)速度，對(duì)質(zhì)量不太好的外延片來說，金擴(kuò)散還有改善集電結(jié)反向特性的作用。金擴(kuò)散工藝是某些硅器件和集成電路所特有的一道工藝。

金在硅中的擴(kuò)散，一般認(rèn)為是以間隙—替位分解擴(kuò)散方式進(jìn)行的。所謂間隙—替位分解擴(kuò)散，就是擴(kuò)散既有間隙式又有替位式的，但主要是以間隙式機(jī)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)散，間隙式擴(kuò)散約占90%左右。間隙式金原子遇到晶格空位時(shí)，可以被空位俘獲，成為替位式的金原子，當(dāng)然，如果過程反過來也是一樣。8.4金擴(kuò)散金在硅中的擴(kuò)散是一個(gè)復(fù)雜的過程，它的擴(kuò)散系數(shù)除了與溫度有關(guān)外，還與缺陷濃度和摻雜濃度等因素有關(guān)。摻入硅中的金原子大部分是占據(jù)替位位置，這樣，當(dāng)一些空位被金原子占據(jù)后，在一定溫度下，為了保持空位在熱平衡時(shí)的數(shù)目，就要求額外增加空位。金在硅