半导体掺杂和PN结形成工艺变迁

4.1.1 晶体生长掺杂

半导体最早的可控掺杂方法，是在拉制单晶时把掺杂元素溶人锗、硅熔体中，晶体生长过程中杂质原子与基体原子一起固化。图4.1为20世纪50年代利用晶体生长过程中改变掺杂元素及其浓度的方法,制造硅npn晶体管的示意图。这种晶体生长pn结的方法也是由Shockley最先提出,并由G.K.Teal和M.Sparks在贝尔实验室试验成功,成为50年代早期制造晶体管的技术[.5。按此方法制造npn晶体管,在直拉单晶过程中,需要熔体掺人不同类型与浓度的杂质。最先生长掺杂浓度较低的n型硅,作为晶体管的集电区;接着在硅熔体中掺进浓度较高的p型杂质,生长p型导电晶体,作为晶体管基区;最后在熔体中掺人浓度更高的n型杂质,生长成为晶体管发射区。从这种直拉单晶锭中，切割出中间含有n、P、n共3层的硅片,再把硅片切割分离,就得到一个个晶体管条块。中间p型区以合金方法焊上铝导线,作为基区的引出线,条块两端与封装管壳支架上的金属电极焊接,形成发射极与集电极,就制成了最初的npn双极型晶体管产品。

4.1.2 合金pn结晶体管工艺

合金晶体管工艺是50年代初期发展的另一种半导体器件制造技术。在这种工艺中,某些受主或施主杂质元素和半导体，先在较低温度下互熔成合金,随后在冷却过程中，半导体表层可形成所需要的p型或n型掺杂区，从而形成晶体管。图4.2是利用此方法制造锗合金结pnp晶体管的示意图。在n型锗晶片的两面放上纯三价金属铟球,如图4.2(a)所示;加热到156C时金属铟就会熔化,在更高温度(550C)下,锗原子可溶人铟,形成In-Ge合金,如图4.2(b)所示;随后在晶片温度下降过程中，锗原子从合金中析出结晶,并有铟原子掺入晶片,在n型锗晶片上下都形成一层铟掺杂的p型锗,分别形成集电区和发射区,如图4.2(c)所示。与单晶生长分区掺杂方法相比，合金晶体管制造工艺简化，晶体材料利用率及生产效率显著提高，成为早期锗晶体管主要量产技术。

4.1.3 扩散掺杂工艺

20世纪50年代中后期发展的扩散掺杂，使半导体器件制造技术前进一大步。通过杂质扩散改变半导体表层的导电类型,最早由贝尔实验室的W.G.Piann提出[6]。在半导体晶片上经过一次相反类型杂质扩散,可以制造Pn结二极管结构经过两次相反类型杂质扩散,可制造Pnp或nPn晶体管。n-Si图4.3为制造npn晶体管的双扩散工艺示意图。用较低掺杂n型半导体单晶片为衬底,通过一次p型杂质高温扩散,使晶片表层形成p型基区，随后在晶片同一侧进行更高浓度的口黎杂质高温扩散,使p型导电区的表层转变为n型,成为晶体管的发射区。然后用金属合金工艺，在基片正面和背面分别形成基区、发射区与集电区的欧姆接触电极。最后通过化学腐蚀、划片等工艺,把同一晶片分割成许多分立晶体管。也可选用较高浓度n型掺杂单晶片作为衬底，通过外延工艺形成较低掺杂n型单晶薄膜,再先后经过p型和n型杂质扩散,形成基区与发射区。这种高掺杂衬底外延与扩散相结合的工艺，可显著减小集电极串联电阻,有利于改善晶体管性能。

扩散掺杂晶体管制造技术，在性能和生产效率等方面,都显著优于前述两种掺杂方法。用扩散方法可以精确控制掺杂深度，有益于形成薄基区，晶体管的工作频率显著提高。高温扩散可以同时完成大量晶体管pn结形成工艺，生产效率以及半导体晶体材料利用率也都大大提高。这样制作的晶体管还可经化学腐蚀形成边缘台面结构，并用介质钝化周围界面,常称为台面晶体管。