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1、第九章 掺杂,掺杂：本征半导体的导电性很差，只有在硅 中加入少量杂质，使其结构和电导率发生改 变时，硅才能成为一种有用的半导体，这个 过程称为掺杂。 掺杂有两种方式：扩散和离子注入,9.1 扩散 扩散的概念 扩散是粒子从浓度较高的地方向着浓度较低的地方进行，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀，浓度的差别越大，扩散越快；温度越高，扩散也越快。,扩散的原理被引入到半导体制造工艺中，它是一种基本的掺杂技术。通过扩散将一定种类和一定数量的杂质掺入到硅片或其它晶体中，以改变其电学性质。,掺杂扩散是集成电路生产中一步重要工艺应用扩散方法改变硅和锗导电类型的想法，是在1952年提出来的。目前扩散方法已广泛用来形
2、成晶体管的基极、发射极、集电极， 双极器件中的电阻，在MOS制造中形成源和漏，互连引线，多晶硅的掺杂等,9.1.1杂质原子的微观扩散机构及其宏观描述 间隙式扩散 杂质原子从一个原子间隙运动到相邻的另一个原子间隙，是通过晶体中原子间的间隙进行的，这种依靠间隙运动方式而逐步跳跃前进的扩散机构，称为间隙式扩散。,替位式扩散 与间隙式扩散不同，替位式杂质原子从一个替位位置运动到相邻另一个替位位置，只有当近邻格点处有一个空位时，替位杂质原子才有可能进入邻近格点而填充这个空位。因此，替位原子的运动必须以其近邻处有空位存在为前提。,间隙式扩散比替位式扩散快得多。,两种扩散的扩散系数可表示为： a为晶格常数；
3、 v为振动频率,慢扩散杂质在（111）硅中的扩散系数,快扩散杂质在（111）硅中的扩散系数,7.1.2 扩散层杂质原子的浓度分布 菲克第一定律： 菲克第二定律： 物理意义：存在浓度梯度的情况下，随着时间的推 移，某点x处杂质原子浓度的增加（或减少）是扩 散杂质粒子在该点积累（或流失）的结果。,恒定表面源扩散分布 是指在扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始 终是保持不变的。 它的初始条件和边界条件为： 初始条件： 在扩散开始时，硅片内没有杂质 边界条件： 假定杂质在硅片内扩散的深度远小于硅片的 厚度,可得菲克第二定律式解的表达式 其中Ns为表面杂质恒定浓度(cm-3)，D是扩散系数 (cm2s），X
4、是由表面算起的垂直距离(cm)， t是扩散时间 (s)，erfc表示余误差函数,恒定表面源扩散的主要特点可总结如下： (1)决定杂质分布形式的主要因素 由图可以看到，在表面浓度Ns一定的情况 下，扩散时间越长，杂质扩散距离就越深，扩进到硅片内的杂质数量就越多图中各条曲线下所围的面积，可直接反应出进入硅片内的杂质数量。,如果扩散时间为t，那么通过单位表面积扩散到硅片内部的杂质数量Q(t)，可通过对 N(x，t)积分求出(或者通过扩散流密度的表达式求出)：,恒定源扩散，其表面杂质浓度Ns基本上由该杂质在扩散温度(9001200)下的固溶度决定而在这样的温度范围内，固溶度随温度变化不大，可见恒定源扩
5、散，很难通过改变温度来达到控制表面浓度Ns的目的，这也是该方法的不足之处,(2)结深 如果扩散杂质与硅片原有杂质的导电类型不同，则在两种杂质浓度相等处形成PN结其结的位置Xj可根据N(Xj，t) NB 由 式求出：,其中NB为硅片内原有杂质浓度，A仅与比值NB Ns有关的常 数， A与NB Ns之间的关系如图所示,结深是工艺控制中一个重要参数由结深公式可以看到， Xj与扩散系数D和扩散时间t的平方根成正比 D与温度T是指 数关系，所以在扩散过程中，温度通过D对扩散深度以及杂质分布情况的影响，同时间t相比更为重要,(3)杂质浓度梯度 扩散后各处的杂质浓度梯度也是一个重要工艺参数如果杂质按余误差函
6、数分布，可求得梯度为,由上式可知，梯度受Ns 、 t和D(即温度T)的影响在实际生产中，可以改变其中某个量，使杂质浓度分布的梯度满足要求例如，在其它量不变的情况下，可选用固溶度大的杂质，即通过提高Ns来增大梯度,有限表面源扩散 是指在扩散过程中，杂质源限定于扩散前 淀积在硅片表面极薄层内的杂质总量Q，没 有补充或减少，依靠这些有限的杂质向硅片 内进行的扩散。,假没扩散之前在硅片表面上 所淀积的杂质均匀地分布在一薄 层h内，每单位面积上的数量为 Q，如图所示,如果杂质在硅片内要扩散的深度远大干h，还假设杂质不蒸发以及硅片厚度远大于要扩散深度， 则有如下的初始条件和边界条件：,又由于 满足上述条件
7、，可得菲克第二定律式解的表 达式 这就是有限源扩散时杂质浓度分布的表达式,e- /4Dt 为高斯函 数,有限表面源扩散的特点可总结如下： (1)杂质分布情况 对于有限表面源扩散，当温 度相同时，杂质浓度随扩散时间 的变化情况，如下图所示,由图可以看到，扩散时间越长，杂 质扩散得就越深，表面浓度就越 低扩散时间相同时，扩散温度 越高，杂质扩散得也越深，表面 浓度下降得越多,有限表面源扩散的杂质是预先淀积的，在整个扩散过程中杂质数量保持不变上图中各条分布曲线下面所包围的面积能直接反映出预淀积杂质的数量，各条曲线下面的面积应该相等 有限源扩散的表面杂质浓度是可以控制的，这种扩散方式有利于制作表面浓度
8、低，而深度较大的PN结如果以xo代入 式 中就可求出任何时间t的表面浓度 。,因而有限源扩散的杂质分布形式也可以写为,(2)结深 如果硅片内原有杂质与新扩散的杂质具有不同的导电类型， 则在两种杂质浓度相等处形成PN结，结深可由 求出，其中NB为原硅片内的杂质浓度，Xj为 结深，,表达式为 也可写为,A与比值Ns NB有关，但因为Ns是随时间变化的，所以A也将随时间变化，这与恒定源扩散情况是不相同的 对于有限源扩散来说，扩散时间较短，结深Xj将随 的增加而增加另外，在杂质分布形式相同的情况下， NB越大结深 越浅。,(3)杂质浓度梯度 将式 对x微分，可求出任意位置上的杂质浓度梯度,在P-N结处
9、杂质浓度梯度为 杂质梯度将随扩散深度(或结深)的增加而减 小,目前制造硅双极晶体 管的扩散方法、杂质 分布及有关参数如图 所示。基区的杂质分 布是采用有限扩散方 式完成的，杂质分布 为高斯分布。发射区 是采用恒定源扩散完 成的，杂质分布是余 误差分布。集电区即 衬底中的浓度为NB。,固溶度：是指杂质在一定温度下，能溶入固体硅中的最大浓度。 在通常的扩散条件下，表 面杂质浓度可近似取其扩 散温度下的固溶度。,800 900 1000 1100 1200 1300 1400,温度（）,固溶度（cm）,杂质在硅中的固溶度,9.1.3 横向扩散 实际扩散中，杂质在通过窗口垂直向硅中扩散的同时，也将在窗
10、口边缘沿表面进行横向扩散，横向扩散的距离约为纵向扩散距离的 75%85%。 由于横向扩散的存在，实际扩散区域大于由掩模版决定的尺寸，此效应将直接影响到 VLSI 的集成度。,9.1.4 同型掺杂 一些器件需要同型的掺杂，所掺杂质与原有杂质类型相同。换言之，在N型晶圆中掺入N型杂质或在P型晶圆中掺入P型杂质。此种情况下，加入的杂质原子仅仅在限定区域中提高了杂质原子的浓度。不会形成结。,9.1.5 电场效应 高温扩散时，掺入到硅中的杂质一般处于电离状态，电离的施主和电子，或电离的受主与空穴将同时向低浓度区扩散。因电子或空穴的运动速度比电离杂质快得多，因而在硅中将产生空间电荷区，建立一个自建场，使电
11、离杂质产生一个与扩散方向相同的漂移运动，从而加速了杂质的扩散。,9.1.6扩散工艺的步骤 实际生产中的扩散温度一般为9001200，在这样的温度范围内，常用杂质，如硼、磷、砷等的固溶度变化不大，因而单纯采用恒定表面源扩散很难得到低表面浓度的杂质分布形式。为了同时满足对表面浓度、杂质数量以及结深等方面的要求，实际生产中所采用的扩散方法往往是上述两种扩散方式的结合，也就是将扩散过程分为两步来完成，其中第一步称为预扩散或预淀积，第二步称为主扩散或再分布。,影响淀积工艺的因素 一、特定杂质的扩散率。扩散率越高，杂质在晶圆中的穿越越快。扩散率随温度的上升而变大。 二、杂质在晶圆中的最大固溶度。随温度的升
12、高而升高。,预淀积 在较低温度下采用恒定表面源扩散的方式在 硅片表面淀积一定量Q的杂质原子。由于扩散温度低，扩散时间短，杂质原子在硅片表面的扩散深度极浅。杂质浓度遵循余误差函数分布，即 杂质总量可表示为：,预扩散步骤 预清洗与刻蚀 扩散 去除氧化物 评估,开管扩散 开管扩散系统如图所示,杂质源和准备扩散的硅片相距一定距离放在石英管内，一般是通过情性气体把杂质源蒸气输运到硅片表而在扩散温度下杂质的化合物与硅反应，生成单质 的杂质原子并向硅内扩散在硅片表面上经化学反应产生的杂质浓度虽然很高，但浓度还是受杂质在硅中的固溶度所决定，因此， 温度对浓度有直接影响开管扩散的重复性和稳定性都很好。,如果把固
13、态源做成片状，其尺寸可与硅片相等或略大寸硅片， 源片和硅片相同并均匀的放在石英舟上，在扩散温度下，杂质源 蒸气包围硅片并发生化学反应释放出杂质这种方法本身并不需 要携带气体，但为了防止逆扩散和污染，扩散过程中也通入一定 量的氮或氩作为保护气体,箱法扩散 箱法扩散是把杂质源和硅片装在由石英或者硅做成的箱内， 在氮气或氩气保护下进行扩散杂质源可以焙烧在箱盖的内壁， 或者放在箱内，其源多为杂质的氧化物在高温下，杂质源的蒸气充满整个箱内空间，并与硅表面反应，形成一层含有杂质的薄 氧化层，杂质由氧化层直接向硅中扩散箱法扩散的硅表面浓度 基本由扩散温度下杂质在硅中的固溶度决定，均匀性较好为了保持箱内杂质源
14、蒸气压的恒定和防止杂质源大量外泄，要求箱子 要有一定的密封。因为氧化物,杂质源的吸水性较强，如果两次扩散相隔时间较长，那么在扩散之前要进行一次脱水处理，即在一 定温度下，由惰性气体保护进行一定时间的热处理 个别的杂质源(加CaO：P205)对石英有腐蚀作用，需要把 源放到白金坩埚中另外为了保证扩散的重复性和稳定性，要根据源量损失情况加入新源，使用一定时间后要全部换成新源从 扩散系统来看。箱法扩散既具有闭管扩散的特点，也具有开管扩 散的优点,涂源法扩撤 涂源法扩散是把杂质源直接涂在待扩散的硅片表面，在高温 下由情性气体保护进行扩散涂在硅片表面上的杂质源一般是溶 于聚乙烯醇中的杂质氧化物或者是杂质
15、与惰性氧化物(如SiO2， BaO，CaO)的混合物当溶剂挥发之后就在硅表面形成一层杂质源这种扩散方法的表面浓度很难控制而且又不均匀，目前很少采用,扩散源,1.液态源 为所掺杂元素的氯化物或溴化物，硼的液态源为BBr3， 磷的为POCL3。 优点：成本低、连续 掺杂,进入扩散炉管内的气体一般为两部分，除了携带气体外，还 有一部分不通过源瓶而直接进入炉内，起稀释杂质源蒸气和控制 浓度的作用虽然也可以通过调节源温来改变杂质源蒸气浓度 ，但为了保证稳定性和重复性，扩散时源温通常控制在零度液态的杂质源容易水解而变质，所以携带气体和稀释气体要进行纯化和干燥处理,液态源扩散的系统简单，操作方便。成本低，效
16、率高重复性和均匀性都很好，是目前常用的一种扩散方法扩散过程中应 准确控制炉温、扩散时间、气体流量和源温等源瓶的密封性要好。扩散系统不能漏气,2.气态源 杂质原子为氢化物。 优点：精确控制、洁净度好,对气态源扩散来说虽然可以通过调节各气体流量来控制表面的杂质浓度，但实际上因杂质总是过量的，所以调节各路流量来控制表面浓度是不灵敏的。 气态源多为杂质的氢化物或卤化物，这些气体的毒性很大，而且易燃易爆，操作上要十分小心。,3.固态源 最原始的淀积源。杂质原子为氧化物。 远程固态源 近邻固态源 直接涂抹,常用杂质的扩散方法 1.硼扩散,B2O3是无色透明的固体粉末，性硬而脆，能 溶于酸和醇中，热稳定性很好，熔点577， 沸点为1860 在高温下B2O3蒸气与石英 管接触，可使石英管失
