1、 杂质工程和能带工程杂质工程和能带工程前言前言 通过对杂质品种和浓度在半导体中的空间分布的有效控制来实现半导体的使用价值，是半导体工艺的核心内容之一。通过这种方法来实现对半导体特性的精确控制（载流子密度与迁移率及少数载流子寿命）。这就被称为杂质工程 随着固溶体技术和超晶格技术的问世和发展，半导体工艺增加了对材料的能带结构进行合理剪裁的内容。通过这种方法来实现半导体内涵更加丰富的使用价值。这种被称为能带工程电阻率控制电阻率控制 两个方面：两个方面：控制导电类型，控制导电类型，控制电阻率大小；控制电阻率大小；控制半导体电阻率的掺杂方法：控制半导体电阻率的掺杂方法：一、生长过程中掺杂；一、生长过程中
2、掺杂；二、扩散法掺杂；二、扩散法掺杂；三、离子注入法掺杂；三、离子注入法掺杂；生长过程中掺杂生长过程中掺杂边生长边掺杂，分为两种：边生长边掺杂，分为两种：气相掺杂：气相杂质混入气相生长源，易气相掺杂：气相杂质混入气相生长源，易于精确控制；于精确控制；液相或熔体掺杂：杂质溶入液相生长源，液相或熔体掺杂：杂质溶入液相生长源，杂质浓度和分布均匀性较难控制（受分凝杂质浓度和分布均匀性较难控制（受分凝和杂质溶入的影响）；和杂质溶入的影响）；扩散法掺杂扩散法掺杂 一是指利用杂质原子在高温高温中的扩散能力；一是指利用杂质原子在高温高温中的扩散能力；二是指在氧化、扩散等非扩散工艺的高温过程中二是指在氧化、扩散
3、等非扩散工艺的高温过程中的杂质再扩散；的杂质再扩散；根据扩散装置分为：闭管真空扩散、开关携带气根据扩散装置分为：闭管真空扩散、开关携带气体扩散、箱扩散等；体扩散、箱扩散等；根据扩散源分为：气态扩散源、液态扩散源、固根据扩散源分为：气态扩散源、液态扩散源、固态扩散源等；态扩散源等；共同点：杂质源的有效供给、扩散环境与非选择共同点：杂质源的有效供给、扩散环境与非选择杂质有效隔离、足够高的提供扩散驱动力的温度；杂质有效隔离、足够高的提供扩散驱动力的温度；202,;221;2,;4xyxN x tN s erfcDtxerfcedyDtSxN x textDtDt 恒定表面杂质浓度扩散：其中余误差函数
4、恒定杂质总量扩散法：0expaaaaEDDkTEEE其中：扩散系数；是杂质扩散激活能，替换式杂质的填隙式杂质的；故填隙式杂质扩散更快。虽然一般不考虑电场对扩散的影响，但空间电荷对空间电荷区的扩散不能忽视；离子注入法掺杂离子注入法掺杂 利用离子加速装置将离子加速到足够高的能量后，利用离子加速装置将离子加速到足够高的能量后，强行注入半导体中；强行注入半导体中；离子能量一般在离子能量一般在30300keV，注入剂量在，注入剂量在10111016cm-2;特点：杂质掺入量和掺入深度易于控制，重复性特点：杂质掺入量和掺入深度易于控制，重复性好、方向性好，使用温度低，更适于极薄半导体好、方向性好，使用温度
5、低，更适于极薄半导体掺杂；掺杂；多用气体杂质，先经离子源发生器离化，再进入多用气体杂质，先经离子源发生器离化，再进入磁分析器筛选，然后进入加速管加速；磁分析器筛选，然后进入加速管加速；22exp22PxRxPP离子沿入射轴向的分布为：N离子注入会因为离子轰击对掺杂晶格造成严重损伤，严重时会使其变成非晶体；因此离子注入后要在适当的温度下进行适当时间的退火处理。掺杂有效性掺杂有效性 掺杂改性原理：掺杂后时近邻原子对价电掺杂改性原理：掺杂后时近邻原子对价电子之和不等于八，改变温度就会出现富余子之和不等于八，改变温度就会出现富余自由电子或空穴；自由电子或空穴；故有效掺杂浓度指富余自由电子浓度与空故有效
6、掺杂浓度指富余自由电子浓度与空穴浓度指差穴浓度指差自补偿效应自补偿效应 一些离子性较强的化合物半导体空位可以一些离子性较强的化合物半导体空位可以起到非常有效的浅施主或浅受主作用。任起到非常有效的浅施主或浅受主作用。任何相反极性杂质的掺入都会产生出等量的何相反极性杂质的掺入都会产生出等量的这种缺陷而将其补偿；这种缺陷而将其补偿；自补偿效应：伴随掺杂过程而产生与掺入自补偿效应：伴随掺杂过程而产生与掺入杂质互为补偿的电活性缺陷从而使掺杂无杂质互为补偿的电活性缺陷从而使掺杂无效的效应效的效应 具有自补偿效应的的半导体只能得到单极具有自补偿效应的的半导体只能得到单极性半导体；性半导体；少子寿命控制少子寿
7、命控制 由于掺杂引起的晶格缺陷、被动引入的深由于掺杂引起的晶格缺陷、被动引入的深能级杂质等会能级杂质等会 使载流子寿命明显下降；使载流子寿命明显下降；少子寿命控制主要途径：掺杂和辐照；少子寿命控制主要途径：掺杂和辐照；掺杂：通过掺入深能级杂质，引入复合中掺杂：通过掺入深能级杂质，引入复合中心，并通过复合中心的数目控制少子寿命；心，并通过复合中心的数目控制少子寿命；辐照：通过辐照产生空位和填隙原子起复辐照：通过辐照产生空位和填隙原子起复合中心的作用。起复合中心作用的主要是合中心的作用。起复合中心作用的主要是点缺陷与杂质的络合物。点缺陷与杂质的络合物。要根据器件特性确定少子寿命，进而寻求要根据器件
8、特性确定少子寿命，进而寻求优化的复合中心位置和浓度。优化的复合中心位置和浓度。4.2 嬗变掺杂嬗变掺杂 原因：克服普通掺杂的杂质不均匀分布；原因：克服普通掺杂的杂质不均匀分布；嬗变：一种化学元素变成另一种化学元素嬗变：一种化学元素变成另一种化学元素的变化；一般通过核反应；的变化；一般通过核反应；嬗变掺杂：本体晶格原子俘获慢中子，嬗嬗变掺杂：本体晶格原子俘获慢中子，嬗变为具有施主或受主杂质；变为具有施主或受主杂质；多用的是天然同位素的嬗变，天然同位素多用的是天然同位素的嬗变，天然同位素均匀分布，故嬗变掺杂可以实现均匀掺杂。均匀分布，故嬗变掺杂可以实现均匀掺杂。目前对硅的目前对硅的NTD技术较成熟
9、，主要利用技术较成熟，主要利用 为消除中子吸收的影响，采用旋转辐射法；为消除中子吸收的影响，采用旋转辐射法；N型硅的型硅的NTD效应比效应比P型硅效果好；型硅效果好；303131,Si nSiP NTD硅会不可避免地由于高能粒子的攻击硅会不可避免地由于高能粒子的攻击引入缺陷，一般可以通过在适当温度退火引入缺陷，一般可以通过在适当温度退火适当时间消除；适当时间消除；硅硅NTD中的副反应：中的副反应：31P会继续嬗变为会继续嬗变为32P，而而32P具有放射性，对人体有伤害；且嬗变具有放射性，对人体有伤害；且嬗变浓度越高，浓度越高，32P的含量越高。需要反应后在的含量越高。需要反应后在反应堆中静置冷
10、却的时间也越长；反应堆中静置冷却的时间也越长；外加磁场下的单晶生长外加磁场下的单晶生长 区熔法纯度高，但是不能得到大直径晶体；区熔法纯度高，但是不能得到大直径晶体；直拉法可以制得大直径晶体，但纯度和均直拉法可以制得大直径晶体，但纯度和均匀性差；匀性差；克服直拉法缺陷的方法：克服直拉法缺陷的方法：一是用新型坩埚，一是用新型坩埚，二是外加磁场。二是外加磁场。新型坩埚：新型坩埚：一、采用内壁镀氮化硅膜的石英坩埚；一、采用内壁镀氮化硅膜的石英坩埚；二、采用高密度石墨坩埚，先用二、采用高密度石墨坩埚，先用CVD法镀法镀厚约厚约300um的的SiC膜，再镀厚约膜，再镀厚约500um的的的无定形氮化硅；的无
11、定形氮化硅；三、直接用硅做坩埚，但要采用高效率的三、直接用硅做坩埚，但要采用高效率的强制冷却方式，防止硅坩埚溶化。强制冷却方式，防止硅坩埚溶化。直拉法生长中主要的对流形式：直拉法生长中主要的对流形式：一、强迫对流：外力作用下的流动，如拉一、强迫对流：外力作用下的流动，如拉晶棒或坩埚旋转等外力作用下的流动；晶棒或坩埚旋转等外力作用下的流动；二、自由对流：由于熔体内部因素引起的二、自由对流：由于熔体内部因素引起的流动，如温度梯度、杂质浓度梯度等。流动，如温度梯度、杂质浓度梯度等。32RelGrgvl 衡量对流强弱的格拉晓夫数：衡量层流强弱的雷诺数：通过增大粘滞系数减小通过增大粘滞系数减小Gr和和R
12、e，能显著降，能显著降低层流和对流，改善晶体性能；低层流和对流，改善晶体性能；方法：外加磁场；方法：外加磁场；原理：熔融体具有类似金属熔体的性质，原理：熔融体具有类似金属熔体的性质，在磁场中受罗伦磁力的作用，可以增大粘在磁场中受罗伦磁力的作用，可以增大粘滞系数；滞系数；效果：显著抑制对流和层流，弱化了熔体效果：显著抑制对流和层流，弱化了熔体与坩埚间的作用，温度场更均匀，杂质含与坩埚间的作用，温度场更均匀，杂质含量减少，分布更均匀。量减少，分布更均匀。半导体固溶体半导体固溶体 半导体固溶体：由两种或两种以上同种类半导体固溶体：由两种或两种以上同种类型的半导体材料组成的合金，且多为组分型的半导体材
13、料组成的合金，且多为组分连续的无限固溶体。连续的无限固溶体。主要有：硅锗固溶体和主要有：硅锗固溶体和-、-化合物化合物固溶体；固溶体；固溶体的基本特征固溶体的基本特征211ABABABABggggaxax axEx EEabxcx晶格常数满足的关系：某些固溶体的直接能隙满足关系：E但大都满足如下统一模型：固溶体的禁带展宽与跃迁类型的转变固溶体的禁带展宽与跃迁类型的转变 固溶体技术：利用一种窄带隙直接禁带材固溶体技术：利用一种窄带隙直接禁带材料和一种宽带隙间接禁带材料形成固溶体，料和一种宽带隙间接禁带材料形成固溶体，通过调节组分比，改变禁带宽度，并得到通过调节组分比，改变禁带宽度，并得到直接禁带；直接禁带；通过固溶体技术，可以改变折射率、载流通过固溶体技术，可以改变折射率、载流子迁移率等基本参数；子迁移率等基本参数；
