微加工的掺杂工艺

掺杂是把少量的杂质加到半导体晶体中以置换原来位置上的原子的工艺过程。

在微电子技术中，掺杂的主要目的是用来改变半导体材料的物理导电特性，而在微系统技术中，掺杂的目的（1）改变半导体材料的物理导电特性，（2）用于改变被掺杂材料局部的化学性质，即：改变材料局部的化学结构和腐蚀速度，以实现期望的各向同性腐蚀或各向异性腐蚀特性的改变，或用于腐蚀深度的控制等。

硅本身是一种IV族半导体，如果掺杂的原子是元素周期表中的lll族原子（如：硼），那么就会在硅中产生可传输正电荷的载流子，称之为空穴。当空穴是半导体材料的主要载流子时，称这种半导体为p型半导体(Positive，等效的正电载流子)。如果掺杂的原子是周期表中的v族原子，如磷、砷和锑等，就会在硅中产生可传输负电荷的载流子——“电子”，称之为n型半导体(Negative，等效的负电载流子)。

这里的电子加上引号是因为其与硅原子中的正常的价电子不同。无论是哪种类型的半导体，其载流子本身并不带电，只是具备了传输正电荷或负电荷的能力，以此来确定是Positive还是Negative。

反掺杂工艺也是微电子和微系统制造技术中的一种十分重要的工艺构成。

当材料的某个区域同时含有两种类型的掺杂物质时，那么该区域的净掺杂浓度将最终决定材料的导电类型，比如，一个原来是p型的区域可以通过加进比原来p型杂质数量更多的n型杂质将其转化成n型区，这一过程叫反掺杂。

整体掺杂：掺杂可以在制备硅片原材料时进行，比如，用CZ法制备单晶硅时，就可以在石英炉中加入不同类型和比例的掺杂材料，直接制备出所需要的导电特性和类型的硅片。

局部掺杂：在微系统和微电子器件的制造过程中，经常需要对基片的局部衬底进行掺杂。一般都需要通过两步来完成：

-第一步掺杂原子的沉积，通常采用离子注入等工艺手段把合适类型和剂量的掺杂原子注入局部衬-底指定区域的材料内部；

-第二步通过阱推扩散工艺使掺杂原子重新分布。

离子注入是利用一个特殊的粒子加速装置把一束具有足够动能的掺杂原子束直接发射到基片表面，并注入基体材料内部的工艺过程。

其本身并不需要经过高温处理，这样可以避免在基片和防护层之间产生巨大的机械内应力。

其缺点是掺杂原子密度在基片表面下呈高斯分布

若想获得均匀的分布，则需要经过阱推与扩散工艺。

离子注入的有限射程与被掺夺材料有关，于是我们可以用某些薄膜材料作为离子注入的防护掩膜层，使得离子只能注入指定的区域。·常见掺杂原子在硅中的射程

B（硼，5）、P（磷，15)、As(砷，33）这些元素的规律可以看出来随着原子量的增加其注入射程也越大。

简单估计防护掩膜层厚度的计算依据是：

一般情况下，高能离子束在二氧化硅中的射程要比在硅 中的射程小20%在光刻胶中的射程要比硅中的射程大2〜3倍。因此当使用光刻胶作为离子注入的防护掩膜层时,其厚度就要比离子在硅中需要注入的深度至少大2〜3倍。

这样估算对于很细致的器件设计来说是过于粗糙了，仅在器件设计的初始构思阶段和工艺原型阶段比较有用。

♦ 注入粒子的浓度计算：釆用离子注入杂质浓度的典型高斯分布公式。

是离子注入的总剂量(单位：原子数/ )，可以通过对工艺过程中的离子流的检测获得。 是射程(单位： )。 是射程的标准差，单位 ，可查表获得。

杂质半导体： 通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。 P型半导体的导电特性：掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。结论：多子的浓度决定于杂质浓度。少子的浓度决定于温度。 PN结的形成：将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结的特点：具有单向导电性。半导体杂质 半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产加的杂质能级。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价结合，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主，相应能级称为施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多（图2）。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是杂质能级，通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这个空位，使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子（图3）。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时，在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小，半导体热敏电阻和光敏电阻就是根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是导带中的电子，属电子型导电，称N型半导体。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电，称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子-空穴对，故N型半导体中可存在少量导电空穴，P型半导体中可存在少量导电电子，它们均称为少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。 半导体掺杂半导体之所以能广泛应用在今日的数位世界中，凭借的就是其能借由在其晶格中植入杂质改变其电性，这个过程称之为掺杂（doping）。掺杂进入本质半导体（intrinsic semiconductor）的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性产生很大的影响。而掺杂过的半导体则称为外质半导体（extrinsic semiconductor）。半导体掺杂物哪种材料适合作为某种半导体材料的掺杂物（dopant）需视两者的原子特性而定。一般而言，掺杂物依照其带给被掺杂材料的电荷正负被区分为施体（donor）与受体（acceptor）。施体原子带来的价电子（valence electrons）大多会与被掺杂的材料原子产生共价键，进而被束缚。而没有和被掺杂材料原子产生共价键的电子则会被施体原子微弱地束缚住，这个电子又称为施体电子。和本质半导体的价电子比起来，施体电子跃迁至传导带所需的能量较低，比较容易在半导体材料的晶格中移动，产生电流。虽然施体电子获得能量会跃迁至传导带，但并不会和本质半导体一样留下一个电洞，施体原子在失去了电子后只会固定在半导体材料的晶格中。因此这种因为掺杂而获得多余电子提供传导的半导体称为n型半导体（n-type semiconductor），n代表带负电荷的电子。和施体相对的，受体原子进入半导体晶格后，因为其价电子数目比半导体原子的价电子数量少，等效上会带来一个的空位，这个多出的空位即可视为电洞。受体掺杂后的半导体称为p型半导体（p-type semiconductor），p代表带正电荷的电洞。以一个硅的本质半导体来说明掺杂的影响。硅有四个价电子，常用于硅的掺杂物有三价与五价的元素。当只有三个价电子的三价元素如硼（boron）掺杂至硅半导体中时，硼扮演的即是受体的角色，掺杂了硼的硅半导体就是p型半导体。反过来说，如果五价元素如磷（phosphorus）掺杂至硅半导体时，磷扮演施体的角色，掺杂磷的硅半导体成为n型半导体。一个半导体材料有可能先后掺杂施体与受体，而如何决定此外质半导体为n型或p型必须视掺杂后的半导体中，受体带来的电洞浓度较高或是施体带来的电子浓度较高，亦即何者为此外质半导体的“多数载子”（majority carrier）。和多数载子相对的是少数载子（minority carrier）。对于半导体元件的 *** 作原理分析而言，少数载子在半导体中的行为有着非常重要的地位。

现在主要应用离子注入技术

离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。

其它掺杂大多是在半导体生长过程中加入的

比如拉制GaAs单晶过程中掺入Si

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