掺杂工艺（一）

简介

使晶体管和二极监工作的构培养是PN结。

结（junction）便是富含电子的区域（N型区）与富含空穴的区域（P型区）的分界处。
结的详细位置便是电子浓度与空穴浓度相同的地方。
这个观点在往后“由扩散形成掺杂区和扩散结”中阐明。

常日在半导体晶圆表面形成结的方法是热扩散（diffusion）或离子注入（ion implantation）。
用热扩散，掺杂材料被引入晶圆顶层暴露的表面，范例的是通过在顶层二氧化硅的孔洞。
通过加热，它们被散布到晶圆的体内。
散布的量和深度由一套规则掌握，解释如下。
这些规则源自一套化学规则，无论何时，晶圆被加热到一个阈值温度，这套规则将掌握掺杂剂在晶圆中的任何运动。
在离子注入中，顾名思义掺杂剂材料被射入晶圆的表面，进来的大部分掺杂剂原子静止于表面层以下。
此外，扩散规则也掌握注入的原子运动（拜会下图）。
因此，本节以谈论半导体的结开始，进行到扩散技能和规则，以描述离子注入工艺结尾。

用扩散法形成掺杂区

扩散掺杂工艺的开拓是半导体生产的一个主要进步。
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，在日常生活中有很多例子。
扩散的发生须要两个必要的条件。
第一，一种材料的浓度必须高于其余一种材料的浓度。
第二，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。
气相扩散的一个例子便是常见的充压喷雾罐（拜会下图），比如房间除臭剂。
按下喷嘴时，带有压力的物质离开罐子进入到附近的空气中。
此后，扩散过程使得气体移动分布到全体房间。
这种移动在喷嘴被按开时开始，并且在喷嘴关闭后还会连续。
只要前面的喷雾引入的浓度高于空气中的浓度，这种扩散过程就会一贯连续。
随着物质阔别喷雾罐，物质的浓度会逐渐降落。
这是扩散过程的一个特性。
扩散会一贯连续，直到全体房间的浓度均一为止。

一滴墨水点入一杯水中时，展现的便是液态扩散的另一个例子。
墨水的浓度高于周边水的浓度，于是立即向杯中的水扩散。
扩散过程会一贯连续直到整杯水有相同的颜色为止。
这个例子还可以用来解释能量对扩散过程的影响。
如果杯中的水被加热（给予水更多的能量），墨水会更快地散布在杯中。

当掺杂的晶圆暴露打仗面比晶圆内杂质原子浓度更高时，会发生相同的扩散征象，称为固态扩散。

扩散形成的掺杂区和结

扩散工艺掺杂后的晶圆中杂质的检讨，显示了掺杂区和结的形成。
初始时的情形显示不才图中。
显示的晶圆来自p型晶体。
图中的“+”号代表单晶成长过程中引进的p型杂质。
它们均匀地分布在整片晶圆中。

晶圆经由热氧化及图形化工艺后，氧化层上面会留出孔洞。
在扩散炉管里，晶圆在高温条件下暴露于一定浓度的N型杂质中（拜会下图中的“一”号）。
N型杂质透过氧化层上的孔洞扩散到晶圆内部。

对晶圆不同深度处发生变革的检讨，显示了掺杂在晶圆内部引起的变革。
扩散炉管中的条件设置使得扩散到晶圆内部的N型杂质原子数量高于第一层中p型原子的数量。
在此演示中，N型原子比P型原子多7个，从而使其成为N型导电层。

扩散过程随着N型原子从第一层向第二层的扩散而连续（拜会下图）。
同样，第二层中N型杂质的数量高于P型，使第二层转变为N型。
下图中显示的是每一层中N型与p型原子的计数这个过程会连续到晶圆更深处。

11.3.1 NP结

在第4层中，N型与P型原子的数量恰好完备相同。
这一层便是NP结的所在。
NP结的定义便是指N型与P型杂质原子数量相同的地方。
把稳在结下方的第5层只有3个N型原子，不敷以将该层改变为N型。

NP结的定义指出掺杂区中N型原子的浓度较高。
PN结意味着掺杂区域中P型杂质的浓度较高。
电流利过半导体结的特色行为造成单个半导体器件的分外性能表现。
本系列的重点放在晶圆掺杂区的形成与特色上。

11.3.2固态扩散的目的

扩散工艺（热扩散或离子注入）的目的有三个：

在晶圆表面产生详细掺杂原子的数量（浓度）。

2．在晶圆表面下的特定位置处形成NP（或PN）结。

3．在晶圆表面层形成特定的掺杂原子（浓度）分布。

11．3．3横向扩散

上图中的扩散掺杂工艺显示外来杂质原子竖直进入晶圆。
实际上，杂质原子朝各个方向运动。
精确的截面图（拜会下图）会显示一部分原子进行了横向的运动，在氧化隔离层下面形成了却。
这种运动称为横向（lateral）或侧向（side）扩散。
横向或侧向扩散量约为纵向扩散结深的85％。
不论扩散或离子注入，都会发生横向扩散征象。
横向扩散对电路密度的影响在离子注入的先容部分进行谈论。