单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,集成电路制造技术,第三章 扩散,西安电子科技大学,微电子学院,戴显英,201,2,年9月,7,日,本章主要内容,扩散机理,扩散系数与扩散方程,扩散杂质的浓度分布,影响杂质分布的其他因素,扩散工艺,扩散层质量参数,关于掺杂,目的：改变半导体的电特性,定义,:,将所需的杂质，以一定的方式掺入到半导体基,片规定的区域内，并达到规定的数量和符合要,求的分布应用：制作,PN,结,IC,中的电阻欧姆接触区,硅栅互连线,方法：（热,扩散,）离子注入,关于扩散,定义：将掺杂气体导入放有硅片的高温炉中，从而,达到将杂质扩散到硅片内的目的方法：,按掺杂源,固体源扩散：开管扩散、箱法扩散、涂源法扩散,液态源扩散：,气态源扩散,按扩散系统：开管和闭管两大类扩散掺杂示意,掺杂剂,3.1,扩散机理,3.1.1 间隙式扩散,定义-杂质在晶格间的间隙中运动（扩散）,势垒,间隙位置的势能相对极小，相邻两间隙之间是势,能极大位置，必须越过一个势垒W,i,(图3.1)f(W,i,)exp(-W,i,/kT),玻尔兹曼统计分布,单位时间越过W,i,的跃迁几率（跳跃率）,P,i,=,0,exp(-W,i,/kT),0,杂质振动频率,（室温下，P,i,为1次每秒）,间隙式杂质,半径较小的原子，如H。
3.1.2 替位式扩散,定义-杂质原子从一个晶格点替位位置运动到另一个替位,位置前提-邻近格点有空位,势垒-与间隙式相反，势能极小在晶格位置，间隙处是势,能极大位置，必须越过一个势垒W,s,跃迁几率：,P,v,=,0,exp-(W,v,+W,s,)/kT,W,v,-形成空位所需的能量,杂质,半径与Si相近的原子，如B、P、As、Sb等3.1,扩散机构,3.2,扩散系数与扩散方程,本质上：扩散是微观粒子做无规则热运动的统计结果,方向上：高浓度向低浓度扩散,3.2.1 菲克第一定律,J=-D,D,扩散系数（cm,2,/s)，,浓度梯度,“,-,”,从高浓度向低浓度扩散,J,扩散流密度：单位时间内通过单位面积的杂质数3.2.2 扩散系数,D=D,0,exp(-,E/kT),D,0,表观扩散系数，既1/kT 0时的扩散系数,E,激活能；间隙扩散：,E=W,i,，,替位扩散：,E=W,s,+W,v,D是描述粒子扩散快慢的物理量，是微观扩散的宏观描述3.2,扩散系数与扩散方程,D,0,、,E、T决定D,D=D,0,exp(-,E/kT),D与,E成反比,替位扩散：,E=W,s,+W,v,，能量高，慢扩散；,间隙扩散：,E=W,i,，能量低，快扩散。
D与T成正比,a.高温扩散：T=800-1000；,例如，室温下Si中替位杂质要等,10,45,年,才能跃迁一步b.精确控温：若T=,1，则D=5%-10%3.2,扩散系数与扩散方程,硅中杂质的平均扩散系数,引自李乃平,微电子器件工艺,3.2.3,菲克第二定律,扩散方程,对,Si,平面工艺，扩散流近似沿垂直,Si,表面方向（,x,方向）,则,质量守恒：,单位时间内，在相距,dx,的两个平面,(,单位面积）之间，杂质数的变化量等于通过两个平面的流量差，即,故,-,扩散方程,3.2,扩散系数与扩散方程,3.3,扩散杂质的浓度分布,3.3.1,恒定表面源扩散,/,恒定表面浓度扩散（,constant-surface-concertration),定义,:,在扩散过程中，,Si,片表面的杂质浓度始终不变（等于杂质在,Si,中的溶解度）工艺举例：预淀积工艺,初始条件：,t=0,时，,N(x,0)=0,；,边界条件：,N(0,t)=N,s,，,N(,t)=0,；,解扩散方程，得,3.3.1,恒定表面源扩散,简化，得,余误差分布,式中，,扩散长度；,N,s,=N,Si,(,杂质在,Si,中的固溶度,),erf(x),误差函数,error function,erfc(x),余误差函数,complementary error function,3.3,扩散杂质的浓度分布,3.3.1,恒定表面源扩散,杂质总量,结深：,N(x,t)=N,B,时所对应的扩散距离（位置）,特点,：（,1,）表面浓度,N,s,不随时间改变；,（,2,）结深和杂质总量随时间而变化；,3.3.1,恒定表面源扩散,3.3.2,有限表面源扩散,/,恒定杂质总量 扩散,(constant-total-dopant),定义：在扩散过程中，杂质源限定于扩散前淀积在晶片表面极薄层内的杂质总量,Q,，没有补充，也不会减少。
例如：再分布工艺,初始条件：（假设扩散开始时，杂质总量均匀分布在厚度为,的薄层内；）,0 x,，,N(x,0)=Q/=Ns,；,x,，,N(x,0)=0,；,边界条件：,N(,t)=0,；,3.3.2,有限表面源扩散,/,恒定杂质总量 扩散,(constant-total-dopant),解扩散方程，得掺杂浓度分布,高斯分布,式中，,表面浓度,结深,特点,：（,1,）表面浓度,N,s,随扩散时间而改变；,（,2,）杂质总量不随扩散时间而改变3.3.3,两步扩散工艺,第一步：在较低温度（,800,900,）下，短时间得,浅结恒定源扩散，即,预淀积（预扩散）；,第二步：将预淀积的晶片在较高温度下（,1000,1200,）进行深结扩散，最终达到所要求,的表面浓度及结深，即,再分布（主扩散）例如：双极器件的基区，要求,N,s,=10,17,-10,18,cm,-3,，,X,j,=2-3m,若：采用恒定源一次扩散，掺杂,B,，则最大固溶度,N,Si,=5x 10,20,cm,-3,，无法使,N,s,达到要求两步法的浓度分布：,预淀积恒定源扩散，温度低，时间短，扩散浅目的,:,准确控制表面杂质总量,Q,。
余误差分布；,3.3.3,两步扩散工艺,再分布（主扩散）,高温、深结,目的：,达到所需的,N,s,和,X,j,a.,若,D,1,t,1,D,2,t,2,），再分布起决定作用，则,或,高斯分布,表面浓度,b.,若,D,2,t,2,600,）下，,POCl,3,P,2,O,5,+PCl,5,PCl,5,+O,2,P,2,O,5,+Cl,2,P,2,O,5,的性质：白色粉末，熔点,420,，,300,升华，,吸水性强3.7,扩散工艺,3.8,扩散层质量参数,包括：结深,x,J,，方块电阻,R,(R,S,),，表面浓度,N,S,，击穿电压,BV,等结深,x,j,定义：,pn,结的几何位置与扩散层表面的距离,.,设衬底的杂质浓度为,N,B,，即,N(X,J,t)=N,B,，得,结深的测量（参阅,微电子实验,，实验,30,）,a.,磨角染色法：,b.,滚槽法：,染色：,电解水氧化,Si,片，由于,P,区和,N,区电导率不同（掺杂浓度不同），电解时的电流密度不同，氧化厚度不同，故显示的颜色不同3.8,扩散层质量参数,方块电阻,R,(R,S,),定义,:,结深为,X,j,的一个正方形扩散层的薄层电阻即,(,/),扩散层存在浓度分布梯度，,应由 代替，,式中，,电阻率，,q,电子电量，,载流子平均迁移率，,Q,杂质总量。
参阅,微电子实验,，实验,2,）,3.8,扩散层质量参数,R,(R,S,),的测量,四探针,V,2,3,探针间电压,I,1,4,探针间电流,C,修正因子，与,Si,片大小、,形状等有关的测量,霍尔效应,3.8,扩散层质量参数,3.9,扩散的局限性,扩散是,各向同性,的，掩膜下方也会有杂质,横向扩散,不能独立控制结深和掺杂浓度：,掺杂浓度与结深有关,高温、深结,：不适于深亚微米器件及电路,横向扩散,本章小结,扩散机理：间隙式与替位式,浓度分布：恒定表面源与有限表面源,两步扩散工艺：预淀积和再分布,氧化增强扩散,发射区推进（陷落）效应,横向扩散,扩散层质量参数：结深与方块电阻,扩散的局限性,。