集成电路工艺原理3

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1、集成电路工艺原理第三章 扩散本章概要n引言n热扩散掺杂的微观机构和宏观描述n扩散层的质量参数与扩散方法选择n影响扩散杂质分布的其他因素3.1 引言掺杂方法半导体工艺中的主要掺杂方法有： 高温扩散法 离子注入掺杂 中子嬗变掺杂 其他掺杂方法3.1 引言掺杂用途掺杂的用途： 制结（pn结）：制作二极管， 晶体管，晶闸管等； 形成欧姆接触； 作电阻、电容； 隔离； 添加“复合产生中心”； 调节器件的电参数3.1 引言高温扩散法一人抽烟，满屋充斥烟味，这就是烟分子在气 体中扩散的结果。一杯清水中滴入几滴蓝墨水，会 使整杯水变成蓝色这就是墨水分子在液体中扩散的 结果。原子(或分子)在固体中也会扩散，只不

2、过在常 温下因扩散速度太慢而不易被察觉罢了，但在高温 下是极为显著的。n扩散：扩散是微观粒子作无规则热运动的结果。n浓度差别的存在是产生扩散运动的必要条件；n环境温度的高低是决定扩散运动快慢的重要因素 。3.1 引言扩散设备P型或n型杂质气 体石英舟 石英管硅片杂质源杂质源3.1 引言扩散示意图P硅衬底SiO2SiO2N型掺杂气体N3.1 引言扩散分类n以杂质源形态分类n固源扩散：B2O3 n液源扩散：POCl3n气源扩散：PH3 、BH3n以扩散形式分类（杂质源 硅片）n以杂质扩散进入硅片的分布形式分类n气相固相扩散（三种源都可以使用） n液相固相扩散n固相固相扩散n n无限表面源杂质扩散分

3、布：余误差分布无限表面源杂质扩散分布：余误差分布n n有限表面源杂质扩散分布：高斯分布有限表面源杂质扩散分布：高斯分布3.1 引言扩散中杂质的含义杂质（相对于被掺杂的衬底而言）： 杂质源的纯度相当高，一般要6个9； 杂质为人为控制的杂质，与工艺中的污染不同； 掺入的杂质总量是“痕迹量”，是以原子个数来计算的，稍有“污染”，则扩散结果就失效；3.1 引言离子注入过程n离子注入的过程原子 离子 高能离子（100200keV）去除不需要的离子 注入硅 退火 （使杂质在硅中就位，减少缺陷）电离加速质量分析3.1 引言离子注入特点n优点n一次到位：杂质分布为高斯分布；n杂质源纯度很高，可以分离出同位素；

4、n可以精确控制结深，杂质的横向扩展比扩散方 法要小得多；n掺杂的均匀性好；n温度低：小于600； n可以注入各种各样的元素；n可以对化合物半导体进行掺杂；n缺点n注入杂质不一定激活：低温注入的离子无活性， 必须激活； n有晶格损伤；n适于浅结；n设备昂贵，上百万；3.1 引言中子嬗变掺杂中子嬗变掺杂：一般用于衬底的均匀掺杂。 高能中子流轰击Si片部分被照Si原子嬗变生 成新的杂质原子相当于掺了杂质原子n特点：n掺杂非常均匀，原子原地不动就掺了杂， 故晶格无畸变，不引入新的位错、层错和晶 格畸变。n只能用来对衬底整体均匀掺杂，不能用于制 作pn结。因为中子穿透力很强，无法控制区 域和深浅。 3.

5、1 引言扩散理论扩散是微观粒子作无规则热运动的统计结果， 总是由粒子浓度较高的地方向着浓度较低的地方进 行而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。浓度的差别越 大，扩散也越快。大量实验证明，在一维情况下， 单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子数 扩 散粒子流密度J(x,t) 与粒子的浓度梯度成正比 ，即有所谓“费克第一定律”式中负号表示扩散是由高浓度处向低浓度处进 行的；比例常数D是粒子的扩散系数(取决于粒子本 身的性质和扩散条件)。3.2热扩散微观机 构和宏观描述扩散微观机构半导体中的原子是按一定规则连续排列的。杂质原子如何才能扩散进入到半导体中去呢？典型的方式有两种：半径较小的杂质原子可以从半导体晶

6、格的间隙中“挤”进去，这就是所谓“间隙式”扩散；半径较大的杂质原子则只能替代半导体原子而占据格点的位置，再依靠周围空的格点(即空位)来进行扩散，这就是所谓“替位式”扩散。3.2热扩散微观机 构和宏观描述间隙式扩散间隙式扩散3.2热扩散微观机 构和宏观描述EiEi为间隙原子运动时必须越过的势垒高度，实验指出Ei约为1ev数量级间隙式扩散晶体中的间隙原子要由一个间隙运动到近旁的另一晶体中的间隙原子要由一个间隙运动到近旁的另一 个间隙必须越过一个势能较高的区域个间隙必须越过一个势能较高的区域势垒。势垒。在一定温度在一定温度T T下，间隙原子在间隙中心位置附近处下，间隙原子在间隙中心位置附近处 将不断

7、地进行热运动，其振动频率设为将不断地进行热运动，其振动频率设为0( (1010121210101313s s-1) )，而平均振动能量可求得为kT（在室温下， kT0.026eV；在1200下，kT 0.13eV）。间隙原子间隙原子 要能越过势垒要能越过势垒Ei ，至少需要具备能量至少需要具备能量Ei ，但但Ei比比kTkT大大 得多，因此，间隙原子必须依靠热涨落以获得大于得多，因此，间隙原子必须依靠热涨落以获得大于Ei的的 能量，才能越过势垒。按照玻尔兹曼统计，显然发生这能量，才能越过势垒。按照玻尔兹曼统计，显然发生这 种情况的几率正比于种情况的几率正比于exp(-exp(-Ei/ /kTk

8、T) )。则单位时间内间隙则单位时间内间隙 原子越过势垒跳到相邻间隙去的次数原子越过势垒跳到相邻间隙去的次数( (或几率或几率) )既跳跃率既跳跃率 为：为：可见，间隙原子的运动与温度密切有关。温度升高可见，间隙原子的运动与温度密切有关。温度升高 ，P Pi i指数式地增加。指数式地增加。3.2热扩散微观机 构和宏观描述3.2热扩散微观机 构和宏观描述间隙式扩散为了明确间隙原子的扩散系数D与温度T之间的关系， 下面进一步讨论Pi与D之间的联系。 a xx+a为简单起见，考虑一维间隙原子的扩散。设晶格常数 为a，间隙原子在x处的载流子密度为N(x)。现在考虑相邻 间隙位置的两个面，其坐标分别为x

9、和x+a。间隙式扩散3.2热扩散微观机 构和宏观描述在x处单位体积上的间隙原子数就是该处的一个轴线 平行于x轴、长度为a、截面积为1的圆柱体内的间隙原子 数即N(x)a，同样，在x+a处单位体积上的间隙原子数 为N(x+a)a。因此，间隙原子在单位时间内通过单位截 面积、由x处跳跃到x+a处的原子数目为N(x)aPi，而由x+a 处跳跃到x处的原子数目为N(x+a)aPi 。xx+a间隙式扩散3.2热扩散微观机 构和宏观描述因此在t时刻通过x面处的间隙原子扩散流 密度为（认为x增大的方向为浓度减小的方向）间隙式扩散的扩散系数3.2热扩散微观机 构和宏观描述其中D为表观扩散系数（即T时的扩散系

10、数）。对硅：Au，Ag，Cu，Fe，Ni都为间隙式原子 。由费克第一定律比较可知：替位式扩散3.2热扩散微观机 构和宏观描述Es为替位原子运动时必须越过的势垒高度Esx替位式扩散3.2热扩散微观机 构和宏观描述先来看看替位原子的运动。如果替位式杂质原子的近 邻没有空位，则替位原子的运动需要通过它与近邻晶格原 子互换位置才能实现，这要求替位原子周围的晶格有很大 的畸变，即需要相当大的能量，所以这样的过程难以实现 。实际上替位原子只有当近邻格点处有一个空位时才有可 能进入近邻格点而填充这个空位。因此替位原子的运动与 间隙原子运动不同，替位原子的运动必须以其近邻处有空 位存在为前提。在完整晶体的假设

11、下，空位是怎么产生的呢？由于热 涨落在晶体中产生两种缺陷：n肖特基缺陷：晶格原子跑到了表面，在体内形成空位；n弗伦克尔缺陷：晶格原子，跑到间隙中间，成了间隙 原子，在原位置产生空位。替位式扩散3.2热扩散微观机 构和宏观描述在热平衡下，一定晶体中的空位数目是一定的 ，它们是温度的函数。如果把一个原子从晶体的格 点上拿到晶体表面（即在晶体内形成一个空位）所 需的能量为EV（对硅晶体， EV2.3eV），晶体原 子密度为N，则根据玻尔兹曼分布，在温度T时，单 位晶体体积中的空位数目（空位密度）为：为每一个格点出现空位的几率即：替位扩散的跳跃率另外，替位原子要从一个格点位置运动到另一个格 点位置，除

12、了需要在另一个格点处有空位存在以外，也 必须越过一个势垒（替位原子在格点位置的势能最低， 在格点之间的间隙处势能较高）。替位原子依靠热涨落 而能够跳过势垒Es的几率显然为替位原子的跳跃率应该是近邻出现空位的几率乘以 替位原子跳入该空位的几率其中Ea=Es+Ev3.2热扩散微观机 构和宏观描述替位式扩散的扩散系数3.2热扩散微观机 构和宏观描述对Si：P，As，Sb，B，Al，Ga，In都为 替位式原子。由于Ea=Es+EvEi ，（实验指出，对硅中的替位式杂质原子Es+Ev约为3-4eV）所以替位式扩散系数小于间隙式扩散系数：D替(慢扩散杂质)h， N（x,0）=0在t0， x0时因扩散是在不

13、再加入杂质源的条件下进行的，则不会有杂质原子通过x0的表面，于是边界条件：x=0x= N（x，t）=0 解扩散方程，可得高斯分布：有限表面源扩散3.2热扩散微观机 构和宏观描述随着扩散时间的加长，虽然进入半导体的杂质总量Q不变，但扩散深度却不断增大，而且表面浓度也不断下降。特点： Q不变 t，Ns限（ 表面）t，xj有限表面源扩散3.2热扩散微观机 构和宏观描述可算t， Ns限为多少应用： （1）给定Q ， D则杂质分布确定。（3）结深xj的计算（2 ）有限表面源扩散3.2热扩散微观机 构和宏观描述由结深的公式可见，对erfc分布和扩散时间 不太长的高斯分布，扩散的结深xj都与 ( 具有长度的

14、量纲)成正比，因此，在扩散工艺中往 往把 叫做“扩散长度”或“特征长度”，它 标志着扩散深度的大小。有限表面源扩散3.2热扩散微观机 构和宏观描述（4）杂质浓度梯度在xj处的梯度：可见，随着扩散深度或结深的增大，高斯分布的浓度梯度也将减小。两步扩散法3.2热扩散微观机 构和宏观描述由上述可见，恒定表面浓度的扩散，难于制作出低表面 浓度的深结；而有限源的扩散，难于制作出高表面浓度的 浅结。因此，为了得到任意的表面浓度和结深就应当要求 既能控制扩散的杂质总量，又能控制表面浓度，这只需将 上述两种扩散结合起来便可实现。这时，整个扩散过程分 两步进行：n第一步，先在较低的温度下使衬底表面沉积上一层杂

15、质原子（称为预沉积或预扩散），这一步为恒定表面浓 度的扩散，目的是控制掺入的杂质总量；n第二步是把表面已沉积了杂质的衬底片在高温下扩散（ 称为主扩散或再分布），以控制扩散深度和表面浓度， 这可近似为有限源的扩散。3.2热扩散微观机 构和宏观描述N型杂质P型衬底 NB两步扩散法P型衬底 NB3.2热扩散微观机 构和宏观描述两步扩散法3.2热扩散微观机 构和宏观描述两步扩散法例如，硅晶体管基区的硼扩散，一般就采用两步 扩散的方法。因为硼在硅中的固溶度随温度的变化较 小（固溶度是指在一定温度下杂质所能溶入固体中的 最大浓度），一般都在1020/cm3以上，而通常要求基区 的表面浓度较低些约为1018

16、/cm3所以只得借助于第二 步的主扩散来实现对较低表面浓度的控制。由于第一 步是恒定表面浓度的扩散，则可知沉积到衬底表面上 的杂质总量为：式中Dl为预沉积温度下的杂质扩散系数，t1为预 沉积时间，Ns1为预沉积层的表面浓度（基本上等于该 沉积温度下的杂质固溶度）。3.2热扩散微观机 构和宏观描述两步扩散法经过第二步主扩散后，如果主扩散的深度比 预扩散的大得多（ ），则预扩散的 分布可近似为函数，从而就可根据前式求出再 分布后的表面杂质浓度为：其中D2为主扩散温度下的扩散系数，t2为主 扩散时间；相应地，求得最后的杂质浓度分布为两步扩散的结深3.3扩散层的质量参 数与扩散方法选择扩散结深结深结深x xj j是一个设计参量，决定了器件的几何是一个设计参量，决定了器件的几何结构。它直接影响到器件击穿电压的高低。它是结构。它直接影响到器件击穿电压的高低。它是