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1、第5章扩散微电子工艺4第5章扩散v杂质掺杂v掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触磷(P)、砷(As)N型硅硼(B)P型硅掺杂工艺：扩散、离子注入第5章扩散v扩散是微电子工艺中最基本的工艺之一，是在约1000的高温、p型或n型杂质气氛中，使杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一种工艺方法，也称为热扩散。v目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型，电阻率，或形成PN结。DopedRegioninaSiliconWaferOxideOxidep+SiliconsubstrateDopantgasNDi
2、ffusedregion内容题要v5.1扩散机构v5.2晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程v5.3杂质的扩散掺杂v5.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素v5.5扩散工艺条件与方法v5.6扩散工艺质量与检测v5.7扩散工艺的发展5.1扩散机构v扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。v杂质在半导体中的扩散是由杂质浓度梯度或温度梯度（物体中两相的化学势不相等）引起的一种使杂质浓度趋于均匀的杂质定向运动。v扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。v扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式，结果使其浓度趋于均匀。固相扩散工艺v微电子工艺中的扩散
3、，是杂质在晶体内的扩散，是固相扩散工艺。v固相扩散是通过微观粒子一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，主要有三种方式间隙式扩散替位式扩散间隙替位式扩散扩散的微观机制(a)间隙式扩散（interstitial）(b)替位式扩散（substitutional）间间隙扩扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg替位扩扩散杂质：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前题B，P，一般作为替代式扩散杂质，实际情况更复杂，包含了硅自间隙原子的作用，称填隙式或推填式扩散间隙式扩散间隙原子扩散势场示意图Wi=0.6-1.2eV按照玻尔兹曼统计规律，获得大于能过Wi
4、的几率正比于exp(-WikT)k：玻尔兹曼常数kT:平均振动能，0.026eV0：振动频率，1013-1014s跳跃率室温下，约每分钟一次。替位式扩散产生替位式扩散必需存在空位。晶体中空位平衡浓度相当低，室温下，替位式扩散跳跃率约每1045年一次。Ws空位浓度间隙-替位式扩散v许多杂质即可以是替位式也可以是间隙式溶于晶体的晶格中，并以间隙-替位式扩散。v这类扩散杂质的跳跃率随空位和自间隙等缺陷的浓度增加而迅速增加。间隙-替位式扩散杂质原子被从晶格位置“踢出”(Kick-out)AVA+IAi5.2晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程固体中的扩散基本特点v（1）固体中明显的质点扩散常开始于较高
5、的温度，但实际上又往往低于固体的熔点。v（2）晶体结构将以一定的对称性和周期性限制着质点每一步迁移的方向和自由行程。5.2.2扩散方程v在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积上的扩散物质流量为扩散通量（Diffusionflux，kgm2s），用J表示。v扩散通量其与该截面处的浓度梯度成正比。v比例系数D定义为杂质在衬底中的扩散系数。Fick第一扩散定律“”表示粒子从高浓度向低浓度扩散，即逆浓度梯度方向扩散菲克第二定律当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改变时，利用第一定律不容易求出。通常的扩散过程大都是非稳态扩散，为便于求出，还要从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。讨论晶体中杂质
6、浓度与扩散时间的关系，又称Fick第二定律。Fick第二扩散定律dxJ1J2Axx+dx注：J1，J2分别为流入、流出该体积元的杂质流量假设一段具有均匀横截面A的长方条材料，考虑其中长度为的一小段体积则流入、流出该段体积的流量差在非稳态扩散过程中，在距离处，杂质原子浓度随扩散时间t的变化率如果扩散系数D与浓度无关，则由Fick第一定律可得5.2.3扩散系数vD0为表观扩散系数vEa为扩散激活能(cm2s)EakT)(D)kTw(wvaDPaDxC(xt)PaPtaxaCPtaxaCJvsvvvv-=+-=-=+-=expexp2200222扩散系数(Diffusioncoefficient)D
7、是描述扩散速度的重要物理量，它相当于浓度梯度为1时的扩散通量。（以替位式扩散推导）v在低浓度下硅和砷化镓中各种掺杂剂杂质的实测扩散系数根据杂质在晶体中的扩散系数分v快扩散杂质：H，LiNaCuFeKAuHeAgv慢扩散杂质：AlPBGaTiSb，Asv在高温工艺中，如扩散、外延，掺杂元素的扩散系数小些好一些杂质在硅111面中的扩散系数5.3杂质的扩散掺杂v扩散工艺是要将具有电活性的杂质，在一定温度，以一定速率扩散到衬底硅的特定位置，得到所需的掺杂浓度以及掺杂类型。v两种方式：恒定表面源扩散和限定表面源扩散v扩散工艺重要的工艺参数包括：杂质的分布表面浓度结深掺入杂质总量恒定表面源扩散v恒定表面源
8、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。v恒定表面源扩散指硅一直处于杂质氛围中，硅片表面达到了该扩散温度的固溶度Cs。v解扩散方程：v初始条件为：C(x，0)=0，x0v边界条件为：C(0，t)=CsC(，t)=0恒定表面源扩散杂质分布情况xCBCsxj1xj2xj3C(xt)t1t2t30t3t2t1恒定表面源扩散verfc称为余误差函数。v恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布，延长扩散时间：表面杂质浓度不变；结深增加；扩入杂质总量增加；杂质浓度梯度减小。结深杂质数量杂质浓度梯度有限表面源扩散v指杂质源在扩散前积累于硅片表面薄层内，Q为为单位面积杂质总量，解扩散方程：边界条件:C(
9、x0)=Q0t2t1有限表面源扩散杂质浓度梯度杂质表面浓度结深v有限源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。v延长扩散时间(提高扩散温度T)：杂质表面浓度迅速减小；杂质总量不变；结深增加；杂质浓度梯度减小。v一步工艺是惰性气氛下的恒定源扩散，杂质分布服从余误差函数；v两步工艺分为预淀积（预扩散）、再分布（主扩散）两步。预淀积是惰性气氛下的恒定源扩散，目的是在扩散窗口硅表层扩入总量Q一定的杂质。再分布是氧气氛或惰性气氛下的有限源扩散，将窗口杂质再进一步向片内扩散，目的是使杂质在硅中具有一定的表面浓度Cs、分布C（x）、且达到一定的结深xj，有时还需生长氧化层。实际扩散工艺两步扩散v预淀积（预扩散）低温
10、，短时，恒定表面源扩散杂质扩散很浅，杂质数量可控v主扩散（再分布）高温，扩散同时伴随氧化控制表面浓度和扩散深度两步扩散之后的杂质最终分布形式，为两个扩散过程结果的累加。D1t1D2t2预扩散起决定作用，杂质按余误差函数形式分布D1t1D2t25.6扩散工艺质量与检测v工艺指标杂质表面浓度Cs结深xj薄层电阻Rs分布曲线C(x)v工艺条件(Tt)的确定解析扩散方程获得工艺条件，目前用计算机模拟获得工艺参数。扩散质量检测v工艺参数：结深、杂质分布方块电阻、电阻率染色法测结深阳极氧化测分布函数四探针法测电阻率、方块电阻v电参数测量I-V曲线Xj=Lsin5.6.1结深的测量（染色法测结深）原理：Si
11、的电极电位低于Cu，Si能从硫酸铜染色液中把Cu置换出来，而且在Si表面上形成红色Cu镀层，又由于N型Si的标准电极电位低于P型Si的标准电极电位，因此会先在N型Si上先有Cu析出，这样就把P-N结明显的显露出来。染色液：CuSO45H2O：48%HF：H2O=5g：2mL：50mL5.6.2表面浓度的确定四探针法测电阻率、方块电阻v四探针法是目前广泛采用的标准测电阻率方法，它具有操作方便，精度较高，对样品的几何形状无严格要求等优点。I-V曲线测量v由不良的pn结反向特性I-V曲线了解工艺情况5.7扩散工艺的发展v快速气相掺杂(rapidvapor-phasedopingRVD)：掺杂剂从气相
12、直接向硅中扩散、并能形成超浅结的快掺杂工艺。v气体浸没激光掺杂(gasimmersionlaserdopingGILD)快速气相掺杂vRVD利用快速热处理过程将处在掺杂气氛中的硅片快速均匀地加热，同时掺杂剂发生反应产生杂质原子，杂质原子直接从气态转变为被硅表面吸附的固态，固相扩散，能形成超浅结。v杂质分布是非理想的指数形式，类似固态扩散，峰值在表面v快速气相掺杂在硅片表面不形成含有杂质的玻璃层。气体浸没激光掺杂vGILD是高能激光照射处于气态源(PF5或BF3)中的硅表面，使其表面熔融，通过液相扩散（比在固相快约8个数量级），杂质快速并均匀地扩散到整个熔化层中。激光照射停止，熔体固相外延转变为
13、晶体。由熔体变为晶体的速度非常快(3ms)。气体浸没激光掺杂特点v特点；在液体中杂质扩散快，分布均匀，可以形成陡峭的杂质分布、突变型杂质分布、超浅深度及极低的串联电阻vGILD利用准分子激光（308nm）器产生高能量密度（0.52.0Jcm2）的短脉冲（20-100ns），照射处于气态源中的硅表面，硅表面因吸收能量变为液体层，同时掺杂源热解或光解产生杂质原子，通过液相扩散杂质原子进入这个很薄的液体层。激光停照后，掺有杂质的液体层通过固相外延转变为固态结晶体。掺杂发生在表面一薄层。控制激光能量密度和脉冲时间控制掺杂深度DiffusionProcessEightStepsforSuccessful
14、Diffusion:1.Runqualificationtesttoensurethetoolmeetsproductionqualitycriteria.2.Verifywaferpropertieswithalotcontrolsystem.3.Downloadtheprocessrecipewiththedesireddiffusionparameters.4.Setupthefurnaceincludingatemperatureprofile.5.CleanthewafersanddipinHFtoremovenativeoxide.6.Perpredeposition:loadwafersintothedepositionfurnaceanddiffusethedopant.7.Perdrive-in:increasefurnacetemperaturetodrive-inandactivatethedopantbondsthenunloadthewafers.8.Measureuateandrecordjunctiondepthandsheetresistivity.本章重点v扩散机理：三种扩散机构v扩散方程：Fick定律，恒定源扩散（余误差分布），有限元扩散（高斯分布）v扩散系数：主要影响因素v扩散工艺：源、方法，工艺参数T，t；v测量参数R、Xj、Cs、Q参数
