集成电路制造工艺——扩散

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1、集成电路制造工艺扩散,扩散是微观粒子(原子、分子等)运动的普遍的物理现象。扩散的动力是浓度的梯度，粒子从高浓度区向低浓度区进行热运动，使浓度分布趋于均匀。 扩散是半导体掺杂的重要方法之一， 扩散方法首先由Pfann在1952年提出来，广泛应用于集成电路中，形成晶体管的基极、发射极、集电极，电阻，MOS工艺中形成源极、漏极、互连引线等。 硅集成电路工艺中，采用SiO2作为掩膜，进行选择性扩散。,1、杂质扩散机构 2、扩散系数与扩散方程 3、扩散杂质的分布 4、影响杂质分布的其他因素 5、扩散工艺 6、扩散工艺的发展 7、与扩散有关的测量,主要内容,1、杂质扩散机构,杂质原子的扩散方式有以下几种：

2、 交换式：两相邻原子由于有足够高的能量，互相交换位置。 空位式：由于有晶格空位，相邻原子能移动过来。 填隙式：在空隙中的原子挤开晶格原子后占据其位，被挤出的原子再去挤出其他原子。 在空隙中的原子在晶体的原子间隙中快速移动一段距离后，最终或占据空位，或挤出晶格上原子占据其位。 以上几种形式主要分成两大类：替位式扩散。间隙式扩散。,常见元素在硅中的扩散方式,杂质在硅中的固溶度： 在给定温度下的最大杂质浓度,P在硅中的扩散曲线,B在硅中的扩散曲线,多晶硅中的杂质扩散,在多晶硅薄膜中进行杂质扩散的扩散方式与单晶硅中的方式是不同的，因为多晶硅中有晶粒间界存在，所以杂质原子主要沿着晶粒间界进行扩散。 主要

3、有三种扩散模式： 晶粒尺寸较小或晶粒内的扩散较快，以至从两边晶粒间界向晶粒内的扩散相互重叠，形成如图A类分布。 晶粒较大或晶粒内的扩散较慢，所以离晶粒间界较远处杂质原子很少，形成如图B类分布。 与晶粒间界扩散相比，晶粒内的扩散可以忽略不计，因此形成如图C类分布。 所以多晶扩散要比单晶扩散快得多，其扩散速度一般要大两个数量级。,间隙式扩散,间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质。以间隙形式存在于硅中的杂质，主要是那些半径较小、不容易和硅原子键合的原子。,间隙式扩散：间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置的运动称为间隙式扩散。 间隙式杂质在硅晶体中的扩散运动主要是间隙式扩散。,对间隙杂质来说，间隙位置

4、是势能极小位置，相邻的两个间隙之间是势能极大位置。间隙杂质要从一个间隙位置运动到相邻的间隙位置上，必须要越过一个势垒，势垒高度Wi一般为0.6 1.2eV。 间隙杂质只能依靠热涨落才能获得大于Wi的能量，越过势垒跳到近邻的间隙位置。,温度越高，间隙杂质的跳跃率越高，间隙式扩散越容易。,间隙杂质的热振动频率为0，根据玻尔兹曼统计分布，热涨落获得能量大于Wi的几率正比于exp(-Wi/kT)，则得到间隙杂质的跳跃率（每秒的跳跃次数）为,替位式扩散,如果替位杂质的近邻没有空位则替位杂质要运动到近邻晶格位置上，就必须通过互相换位才能实现。这种换位会引起周围晶格发生很大的畸变，需要相当大的能量，因此只有

5、当替位杂质的近邻晶格上出现空位，替位式扩散才比较容易发生。,替位式扩散：替位杂质从一个晶格位置扩散到另一个晶格位置。,对替位杂质来说，在晶格位置上势能相对最低，而间隙处是势能最高位置。 与间隙杂质相同，替位杂质要从一个格点位置运动到近邻格点上，必须要越过一个势垒。势垒高度为Ws。 替位杂质的运动比间隙杂质更为困难，首先要在近邻出现空位，同时还要依靠热涨落获得大于势垒高度Ws的能量才能实现替位运动。,平衡时单位体积的空位数为： N是单位体积内所含的晶格数，Wv代表形成一个空位所需要的能量。 则每个格点上出现空位的几率为： 根据玻尔兹曼统计规律，替位杂质依靠热涨落跳过势垒Ws的几率为： 替位杂质的

6、跳跃率为出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，即： 对硅中的替位杂质来说，Wv+Ws约为34eV,2、扩散系数与扩散方程,2.1 菲克第一定律,1855年，菲克(Fick)，提出描述物质扩散的第一定律。 菲克第一定律：如果在一个有限的基体中杂质浓度C(x, t)存在梯度分布，则杂质将会产生扩散运动，杂质的扩散流密度 J 正比于杂质浓度梯度C/ x ，比例系数D定义为杂质在基体中的扩散系数。 扩散流密度的一维表达式为：,扩散流密度 J 定义为单位时间通过单位面积的杂质(粒子)数。 D是扩散系数，D的单位为cm2/s。 杂质的扩散方向是使杂质浓度梯度变小。如果扩散时间足够长，则杂质分布逐渐变得均匀。

7、 当浓度梯度变小时，扩散减缓。 D依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等。,首先在替位原子的势能曲线和一维扩散模型的基础上，来推导扩散粒子流密度J(x, t)的表达式。 晶格常数为a，t时刻在(x-a/2)和(x+a/2)位置处，单位面积上替位原子数分别为C(x-a/2, t)*a和C(x+a/2, t) *a。单位时间内，替位原子由(x-a/2)处跳到(x+a/2处)的粒子数目为 由(x+a/2)处单位面积上跳到(x-a/2)处的粒子数目为,2.2 扩散系数,扩散系数的推导：,则t时刻通过x处单位面积的净粒子数（粒子流密度）为： 则有： D0为表观扩散系数，E为激活能。 扩散系数由D0、E

8、及温度T决定。,1.决定氧化速率常数的两个因素： 氧化剂分压：B、B/A均与Pg成正比，那么在一定氧化条件下，通过改变氧化剂分压可改变二氧化硅生长速率。高压氧化、低压氧化 氧化温度： B(DSiO2)、B/A(ks)均与T呈指数关系，激活能不同,2.影响氧化速率的其他因素 硅表面晶向：表面原子密度，(111)比(100)氧化速率快些 仅对反应控制过程有影响，对扩散控制过程无影响 杂质：B，P，氧化速率变快 水汽、钠、氯（改善） 3.热氧化过程中杂质再分布（分凝系数与扩散系数） 4.初始氧化阶段（与D-G模型不符）和薄氧化层的生长（表面处理）,上节课内容小结,替位式扩散：替位式杂质,间隙式扩散：

9、原子半径小,二者的扩散激活能不同,1.扩散是向半导体掺杂的重要方法之一,2. 菲克第一定律： 扩散流密度的一维表达式为：,D依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等,上节课内容小结,2.3 菲克第二定律（扩散方程）,如图，沿扩散方向，从x到x+x，面积为s的一个小体积元内的杂质数量随时间的变化情况。 假设在小体积元v=xs内的杂质分布是均匀的。 在t时刻，体积元内的杂质浓度为C(x, t)，在t+t时刻杂质浓度为C(x, t+t) 。经过t时间，该体积元内杂质变化量为,扩散方程的推导（一维扩散）,设杂质在x和x+x处的扩散流密度分别为J(x,t) 和J(x+x,t)，则在t时间内，通过x处和x

10、+x处的杂质流量差为,假设体积元内的杂质不产生也不消失，可得 把菲克第一定律代入上式则得一维扩散方程 此方程就是菲克第二定律的最普遍表达式。 如果假设扩散系数D为常数，这种假设在低杂质浓度情况下是正确的，则得,3、扩散杂质的分布,3.1 恒定表面源扩散,恒定表面源扩散：整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终不变。 在恒定表面源扩散过程中，表面浓度Cs始终保持恒定， 边界条件： 假定杂质在硅内的扩散深度远小于硅片的厚度， 则另一个边界条件为,根据实际情况下的边界条件和初始条件，求解扩散方程，就可以得到扩散杂质的分布C(x,t)。,在扩散开始时，初始条件应为 根据上述的边界条件和初始条件，可求出恒

11、定表面源扩散的杂质分布情况： erfc为余误差函数。,恒定表面源扩散的杂质分布形式如图所示。 在表面浓度Cs一定的情况下，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。 如果扩散时间为t，那么通过单位表面积扩散到Si片内部的杂质数量Q(t)为： 恒定源扩散，其表面杂质浓度Cs基本上由该杂质在扩散温度(900-1200)下的固溶度所决定，在900-1200范围内，固溶度随温度变化不大，很难通过改变温度来达到控制表面浓度Cs的目的，这是该扩散方法的不足之处。,杂质分布形式,恒定表面源扩散的主要特点,结深,如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的导电类型不同，在两种杂质浓度相等处会形成p-n结。

12、 若CB为硅衬底原有的背景杂质浓度，根据C(xj, t)=CB，得到结的位置xj： 其中A是常数。 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，温度对扩散深度和杂质分布的影响较大。, 杂质浓度梯度,如果杂质按余误差函数分布，可求得杂质浓度梯度为 由上式可知，杂质浓度梯度大小与Cs，t和D(即温度T)有关，可以改变其中某个量来控制杂质浓度分布的梯度。 在pn结处的梯度为 由上式可以看出，在Cs和CB一定的情况下，pn结越深，在结处的杂质浓度梯度就越小。,3.2 有限表面源扩散,有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先沉积一层杂质，在整个扩散过程中这层杂质作为扩

13、散的杂质源，不再有新源补充，这种扩散方式称为有限表面源扩散。 假设扩散之前在硅片表面沉积的杂质均匀地分布在薄层h内，每单位面积上的杂质数量为Q，杂质浓度为Q/h。如果杂质在硅内要扩散的深度远大于h，则预先淀积的杂质分布可按函数考虑。 初始条件为：,假设杂质不蒸发，硅片厚度远大于杂质要扩散的深度。则边界条件为： 在上面的初始条件和边界条件下，求解扩散方程，得到有限表面源扩散的杂质分布情况： 式中，exp(-x2/4Dt)为高斯函数。,杂质分布形式,有限表面源扩散的主要特点,扩散温度相同时，扩散时间越长，杂质扩散的越深，表面浓度越低。 扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散的越深，表面浓度下降越多

14、。,温度相同时，杂质的分布情况随扩散时间的变化如图所示，有限表面源扩散在整个扩散过程中杂质数量保持不变，各条分析曲线下面所包围的面积相等。 有限源扩散的表面杂质浓度是可以控制的，任意时刻t的表面浓度： 杂质分布为：,结深,如果衬底中原有杂质与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p-n结，结深可由下式求出： 则结深为 A与比值Cs/CB有关，但因为杂质浓度Cs (t)随时间变化，所以A也随时间变化，这与恒定源扩散情况（A是常数）不同。 对于有限源扩散来说，扩散时间较短时，结深xj将随(Dt)1/2的增加而增加。 在杂质分布形式相同的情况下，CB越大，结深越浅。, 杂质浓度梯度

15、,任意位置x处的杂质浓度梯度 在p-n结处的杂质梯度为 杂质浓度梯度将随扩散结深的增加而减小。,3.3 两步扩散,实际的扩散温度一般为900-1200，在这个温度范围内，杂质在硅中的固溶度随温度变化不大，采用恒定表面源扩散很难通过改变温度来控制表面浓度，而且很难得到低表面浓度的杂质分布形式。 两步扩散：采用两种扩散结合的方式。 第一步称为预扩散或者预淀积：在较低温度下，采用恒定表面源扩散方式。在硅片表面扩散一层数量一定，按余误差函数形式分布的杂质。由于温度较低，且时间较短，杂质扩散的很浅，可认为杂质是均匀分布在一薄层内，目的是为了控制扩散杂质的数量。 第二步称为主扩散或者再分布：将由预扩散引入

16、的杂质作为扩散源，在较高温度下进行扩散。主扩散的目的是为了控制表面浓度和扩散深度。 两步扩散后的杂质最终分布形式： D预t预D主t主，主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函数分布。,4、影响杂质分布的其他因素,前面求解扩散方程时，作了一些理想化的假设，且影响杂质扩散的某些因素没有考虑，实际扩散杂质的分布与理论计算的结果有一定的差异，随着集成度的提高，器件尺寸越来越小，杂质扩散深度越来越浅，需要考虑影响杂质分布的其它因素。,硅中的点缺陷 杂质浓度对扩散系数的影响 氧化增强扩散 发射区推进效应,4.1 硅中的点缺陷,实验发现硅中杂质原子的扩散，除了与空位有关外，还与硅中其他类型的点缺陷有着密切的关系。 硅中的点缺陷分为三类： 替位缺陷：是指位于晶格位置上的杂质原子，用A表示。 空位缺陷：是指晶格位置上缺失一个硅原子，用V表示。 间隙类缺陷：包括自间隙缺陷和间隙原子团。 自间隙缺陷：硅晶格间隙位置上的硅原子，用I表示。 间隙原子团：是由两个或两个以上的间隙原子形成。组成间隙原子团的两个原子可以都是硅原子