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1、第5章 扩散,微电子工艺4,第5章 扩散,杂质掺杂 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,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。 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。,Doped Region in a Silicon Wafer,内容题要,5.1扩散机构 5.2晶体中扩散的
2、基本特点与宏观动力学方程 5.3杂质的扩散掺杂 5.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素 5.5扩散工艺条件与方法 5.6 扩散工艺质量与检测 5.7 扩散工艺的发展,5.1 扩散机构,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。 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。 扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。 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,微电子工艺中的扩散，是杂质在晶体内的扩散，是固相扩散工艺。 固相扩散是通过微
3、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）,间隙扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg,替位扩散杂质：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的几率正比于exp(-WikT)k：
4、玻尔兹曼常数kT:平均振动能，0.026eV0：振动频率，1013-1014/s,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。,间隙-替位式扩散,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。 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),AV,5.2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 （1）固体中明显的质点扩散常开始于较高的温度，但实际上又往往低于固体
5、的熔点。 （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,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（Diffusion flux，kg / m2 s），用J表示。 扩散通量其与该截面处的浓度梯度成正比。 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。,讨论晶体中杂质浓
6、度与扩散时间的关系，又称Fick第二定律。,Fick第二扩散定律,注：J1，J2分别为流入、 流出该体积元的杂质流量,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,D0为表观扩散系数 Ea为扩散激活能,扩散系数(Diffusion coefficient)D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）,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,快扩散杂质：H，Li, Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, 慢扩散杂质：Al, P, B, Ga, Ti, Sb，As 在高
7、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,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。 两种方式：恒定表面源扩散和限定表面源扩散 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,恒定表面源是指在扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终是保持不变的。 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。 解扩散方程：初始条件为：C(x，0)=0，x0 边界条件为：C(0，t)=CsC(，t)= 0 恒定表面源扩散杂质
8、分布情况,恒定表面源扩散,erfc称为余误差函数。 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,指杂质源在扩散前积累于硅片表面薄层内， Q为单位面积杂质总量，解扩散方程： 边界条件:C(x,0)=Q/ , 00,有限表面源扩散杂质分布情况,有限表面源扩散,杂质浓度梯度,杂质表面浓度,结深,有限源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。 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。,一步工艺 是惰性气氛下的恒定源扩散，杂质
9、分布服从余误差函数； 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,预淀积（预扩散） 低温，短时，恒定表面源扩散杂质扩散很浅，杂质数量可控 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
10、布 D1t1Ci 1019/cm3) ，将使扩散系数显著提高。 本征扩散系数Di： 非本征扩散系数De ：,间隙原子（团）,a）硅原子踢出晶格位置上的杂质原子 b）踢出与间隙机制扩散,5.4.2 氧化增强扩散 (OED),与中性气氛相比，硼在氧化气氛中的扩散存在明显增强现象（OED），磷、砷也有此现象。 原因是氧化诱生堆垛层错产生大量自填隙Si，间隙-替位式扩散中的“踢出”机制提高了扩散系数。,氧化增强扩散产生的原因,硅氧化时，在Si-SiO2界面附近产生大量的间隙硅原子，这些过剩的间隙硅原子在向硅内扩散的同时不断与空位复合（锑主要靠空位机制扩散，氧化时会降低锑的扩散），使这些过剩的间隙硅原子
11、的浓度随深度而降低。表面附近过剩的间隙硅原子可以和替位硼相互作用，使原来处于替位的硼变为间隙硼。当间隙硼邻近晶格没有空位时间隙硼以间隙方式运动。如果间隙硼近邻有空位时，间隙硼又可以进入空位变为替位硼。杂质硼以替位间隙交替的方式运动，其扩散速度比单纯由替位到替位要快。,氧化阻滞扩散,锑扩散是以替位方式进行，氧化堆垛层错带来的自填隙硅填充了空位，减少了空位浓度。锑在氧化气氛中的扩散却被阻滞。,5.4.3发射区推进效应,发射区推进效应：在NPN窄基区晶体管制造中，在基区和发射区分别掺硼、磷，发现在发射区正下方硼的扩散深度大于不在发射区正下方硼的扩散深度。也称为发射区陷落效应,发射区推进效应产生的机制
12、,。B扩散的增强是由于磷与空位相互作用形成的PV对，发生分解所带来的复合效应。 发射区正下方硼扩散的增强是由于磷与空位相互作用形成的PV对发生分解，磷附近PV对的分解会增加空位浓度，加快B的扩散。此外磷扩散区正下方PV对的分解存在过饱和的间隙硅原子，这些间隙硅原子与硼相互作用也会增强B的扩散，出现发射区推进效应。,5.4.4横向扩散效应,横向扩散的线度是纵向扩散的0.75-0.85倍，浓度高时是纵向的0.65-0.7倍,横向扩散,影响；横向扩散的存在，实际扩散区域要比二氧化硅窗口的尺寸大，硅内扩散区域之间的实际距离比由光刻版所确定的尺寸小，会影响到ULSI的集成度,5.4.5 场助扩散效应,杂
13、质(施主或受主杂质)在硅中扩散时，是以电离施主或受主和电子或空穴各自进行扩散运动的。 在硅片内形成一内建电场E，它的方向正好起着帮助运动较慢的杂质离子加速扩散的作用，这种现象称为场助扩散效应。,衬底其它影响因素,与衬底材料、晶向及晶格完整性有关， 有D（100）D（111） 晶格缺欠越多，扩散速率也越大。,5.5扩散工艺条件与方法,扩散设备多是炉丝加热的热壁式扩散炉。和氧化炉相类似。 扩散方法：开管扩散，闭管扩散；箱法扩散； 根据扩散源的不同有三种扩散工艺：固态源扩散，液态源扩散，气态源扩散。 选择源必需满足固溶度、扩散系数要求。 选择好掩蔽膜。,Typical Dopant Sources
14、for Diffusion,固态源扩散,扩散方式 开管扩散 箱式扩散 涂源扩散 闭管扩散 固态源（杂质的氧化物或其他化合物） 陶瓷片或粉体：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等,扩散工艺,箱法扩散；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扩散。 涂源法扩散：把溶于溶剂中的杂质源直接涂在待扩散的硅片表面，在高温下由惰性气体保护下进行扩散。溶剂为聚乙烯醇，杂质源为氧化物或杂质氧化物与惰性氧化物（SiO2、BaO、CaO）的混合物。,液态源扩散,液态源 POCl3、BBr3、B(CH3O)3（TMB）,液态源,由携带气体（N2）通过源瓶，把杂质蒸气带入扩散炉管内。盛放液体源的密
15、封容器浸在一个恒温槽中。有POCl3，BBr3等。 POCl3+O2P2O5+Cl2（无氧时POCl3分解为PCl5，腐蚀性强 P205+SiP+SiO2 BBr32B+3Br2， 4B+3O22B2O3 2B2O3+3Si4B+3SiO2如BBr3相对于O2浓度过高，Si表面会形成不挥发的硼化物，导致掺杂不均并难去除，影响器件接触电阻。 缺点：腐蚀性高、有爆炸危险，易形成硅化物,气态源扩散,气态源 BCl3、B2H6、PH3、AsH3,运输方便、纯净度高、污染少、但有剧毒，使用时应非常小心,5.5.3 常用杂质的扩散工艺 NPN管的硼扩散,原理 2 B2O3 + 3Si 4B +3SiO2 选源 固态BN源使用最多，必须活化 活化： 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 特点 B与Si原子半径相差较大，有伴生应力缺陷，能造成晶格损伤。硼在硅中的最大固溶度达4*1020/cm3，但浓度在1020/cm3以上有结团现象。 工艺 两步工艺，预淀积为恒定源扩散，用氮气保护，再分布有限源扩散，生长氧化层（干氧-湿氧-干氧）,
