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1、第一页，本课件共有40页杂质掺杂v 掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到中，以达到改变半导体电学性质改变半导体电学性质，形成，形成PNPN结、结、电阻、欧姆接触电阻、欧姆接触磷磷(P)(P)、砷、砷(As)N(As)N型硅型硅硼硼(B)P(B)P型硅型硅v 掺杂工艺：扩散、离子注入掺杂工艺：扩散、离子注入第二页，本课件共有40页扩散第三页，本课件共有40页扩散v 7070年代初期以前，杂质掺杂主要通过年代初期以前，杂质掺杂主要通过高温的扩散高温的扩散实现。实现。v杂质原子通过气相源或氧化物源扩散或淀积到硅杂质原子通过气相源或氧化物源扩散或淀积到
2、硅晶片的表面。晶片的表面。v杂质浓度从表面到体内单调下降杂质浓度从表面到体内单调下降v杂质分布主要是由杂质分布主要是由温度和扩散时间温度和扩散时间决定决定 可用于形成深结（可用于形成深结（deep junctiondeep junction），如），如CMOSCMOS中的中的双阱（双阱（twin welltwin well）第四页，本课件共有40页离子注入第五页，本课件共有40页离子注入v 从从7070年代初开始，掺杂的操作改由离子注入完成年代初开始，掺杂的操作改由离子注入完成v 掺杂原子以离子束的形式注入半导体内掺杂原子以离子束的形式注入半导体内v杂质浓度杂质浓度在半导体内有在半导体内有峰值
3、分布峰值分布v杂质分布主要由杂质分布主要由离子质量和离子能量离子质量和离子能量决定决定用于形成浅结（用于形成浅结（shallow junctionshallow junction），如），如MOSFETMOSFET中中的漏极和源极的漏极和源极第六页，本课件共有40页扩散机构v 间隙式扩散间隙式扩散定义：杂质离子位于晶格间隙定义：杂质离子位于晶格间隙杂质：杂质：NaNa、K K、FeFe、CuCu、Au Au 等元素等元素势能极大位置：相邻的两个间隙之间势能极大位置：相邻的两个间隙之间势垒高度势垒高度WWi i：0.61.2eV0.61.2eV间隙杂质的振动能在室温时，只有间隙杂质的振动能在室温
4、时，只有0.026eV0.026eV；1200 1200 时为时为0.13eV0.13eV，因此间隙杂质靠热涨落越过势垒，因此间隙杂质靠热涨落越过势垒跳跃率：跳跃率：P Pi i 依赖于温度依赖于温度第七页，本课件共有40页扩散机构第八页，本课件共有40页扩散机构v替位式扩散替位式扩散定义：杂质离子占据硅原子的位定义：杂质离子占据硅原子的位杂质特点：杂质特点：III III、族元素族元素相邻晶格上出现空位才好进行替位式扩散相邻晶格上出现空位才好进行替位式扩散势能极大位置：间隙处势能极大位置：间隙处势垒高度：势垒高度：0.61.2eV0.61.2eV跳跃率：跳跃率：近邻出现空位的几率乘以跳入该空
5、位的几率，近邻出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，PvPv依赖于温度依赖于温度间隙式扩散系数要比替位式扩散大间隙式扩散系数要比替位式扩散大6 67 7个数量级个数量级第九页，本课件共有40页扩散机构第十页，本课件共有40页菲克第一定律v扩散是微观粒子热运动的统计结果，当杂质存在扩散是微观粒子热运动的统计结果，当杂质存在浓度浓度梯度梯度时，出现宏观的扩散流。杂质由高浓度区向时，出现宏观的扩散流。杂质由高浓度区向低浓度区移动，直至浓度趋于均匀，扩散流为零。低浓度区移动，直至浓度趋于均匀，扩散流为零。实验表明：扩散流的大小，正比于杂质的浓度梯实验表明：扩散流的大小，正比于杂质的浓度梯度。度。v菲克第
6、一定律菲克第一定律:如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度，则杂质将会产生如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度，则杂质将会产生扩散运动，而且杂质的扩散方向使杂质浓度梯度变小。扩散运动，而且杂质的扩散方向使杂质浓度梯度变小。第十一页，本课件共有40页扩散系数v扩散系数扩散系数其中：其中：V0代表振动频率代表振动频率 Wv代表形成一个空代表形成一个空位所需要的能量位所需要的能量 Ws代表替位杂质的势代表替位杂质的势垒高度垒高度 E为扩散激活能，对替位式为扩散激活能，对替位式杂质来说，一般为杂质来说，一般为34eV第十二页，本课件共有40页扩散方程v扩散方程（菲克第二定律）扩散方程（菲克第二定律）
7、第十三页，本课件共有40页扩散方程v 扩散方程（菲克第二定律）扩散方程（菲克第二定律）经过经过t t时间，体积元内的杂质变化量为时间，体积元内的杂质变化量为体积元内杂质的变化，是由于在体积元内杂质的变化，是由于在t t时间内，通过时间内，通过x x处和处和x xx x处的两个截面的流量差所造成处的两个截面的流量差所造成第十四页，本课件共有40页扩散方程v 扩散方程（菲克第二定律）扩散方程（菲克第二定律）假定体积元内的杂质不产生也不消失，上面两式应该相假定体积元内的杂质不产生也不消失，上面两式应该相等，得到等，得到假设扩散系数假设扩散系数DD为常数（低浓度正确），得到为常数（低浓度正确），得到第
8、十五页，本课件共有40页恒定表面源扩散v 定义：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度定义：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终不变的扩散始终不变的扩散v 边界条件和初始条件边界条件和初始条件C(0,t)=CC(0,t)=Cs s ；C(C(,t)=0,t)=0；C(x,0)=0,xC(x,0)=0,x00v 恒定表面源扩散的杂质分布：恒定表面源扩散的杂质分布：第十六页，本课件共有40页恒定表面源扩散第十七页，本课件共有40页恒定表面源扩散v杂质分布形式特点杂质分布形式特点在表面浓度在表面浓度CsCs一定的情况下，一定的情况下，扩散时间越长，杂质扩扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂
9、质数量也就越多散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。扩到硅内的杂质数量可用高为扩到硅内的杂质数量可用高为CsCs，底为，底为2 2 的三角形的三角形近似；近似；表面浓度表面浓度CsCs由杂质在扩散温度下的固溶度所决定。而由杂质在扩散温度下的固溶度所决定。而在在9001200 9001200 内，固溶度变化不大，可见内，固溶度变化不大，可见很难通过很难通过改变温度来控制改变温度来控制CsCs第十八页，本课件共有40页恒定表面源扩散v 结深结深如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的导电类型不同导电类型不同，则在，则在两种两种杂质浓度相等处形成杂质浓度相等处形成p-np-n结
10、。结。杂质浓度相等：杂质浓度相等：结的位置：结的位置：v 温度通过温度通过DD对扩散深度和杂质分布情况的影响，同时间对扩散深度和杂质分布情况的影响，同时间t t相比相比更为重要。更为重要。第十九页，本课件共有40页恒定表面源扩散v杂质浓度梯度杂质浓度梯度任意位置任意位置P-nP-n结处的杂质梯度结处的杂质梯度在在C Cs s和和C CB B一定的情况下，一定的情况下，p-np-n结越深，在结处的杂质浓结越深，在结处的杂质浓度梯度就越小。度梯度就越小。第二十页，本课件共有40页有限表面源扩散v定义：定义：扩散之前在硅片表面淀积一层杂质，在整个扩散过程中扩散之前在硅片表面淀积一层杂质，在整个扩散过
11、程中这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充v初始条件和边界条件初始条件和边界条件C(x,0)=0,xC(x,0)=0,xhhC(C(,t)=0,t)=0C(x,0)=CC(x,0)=Cs s(0)=Q/h,0(0)=Q/h,0 x x h hv解得：解得：第二十一页，本课件共有40页有限表面源扩散第二十二页，本课件共有40页有限表面源扩散v杂质分布形式特点杂质分布形式特点当扩散当扩散温度相同温度相同时，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，时，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，表面浓度就越低。表面浓度就越低。当扩散当扩散时间相同时间相同时，扩散温度越高，杂质扩
12、散的就越深，时，扩散温度越高，杂质扩散的就越深，表面浓度下降的也就越多表面浓度下降的也就越多扩散过程中杂质量不变扩散过程中杂质量不变表面杂质浓度可以控制，有利于制作低表面浓度和较深表面杂质浓度可以控制，有利于制作低表面浓度和较深的的p-np-n结。结。第二十三页，本课件共有40页有限表面源扩散结深结深杂质浓度梯度杂质浓度梯度任意位置任意位置P-nP-n结处得杂质梯度结处得杂质梯度第二十四页，本课件共有40页两步扩散v实际方法实际方法实际生产中的实际生产中的扩散温度一般为扩散温度一般为9001200 9001200 ，在这样的温度范围内，常用杂质如硼、磷、砷等在硅在这样的温度范围内，常用杂质如硼
13、、磷、砷等在硅中的中的固溶度随温度变化不大固溶度随温度变化不大，因而采用恒定表面，因而采用恒定表面源扩散很难得到低浓度的分布形式。为了同时满足源扩散很难得到低浓度的分布形式。为了同时满足对表面浓度、杂质数量、结深以及梯度等方面的要对表面浓度、杂质数量、结深以及梯度等方面的要求，实际生产中往往采用两步扩散法求，实际生产中往往采用两步扩散法第二十五页，本课件共有40页v两步扩散两步扩散预扩散：在预扩散：在低温低温下采用下采用恒定表面源恒定表面源扩散方式，扩散方式，控制控制扩散杂质的数量，扩散杂质的数量，杂质按余误差形式分布。杂质按余误差形式分布。主扩散将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在主扩散将由预
14、扩散引入的杂质作为扩散源，在较较高温度高温度下进行扩散。下进行扩散。控制表面浓度和扩散深度。控制表面浓度和扩散深度。杂质杂质按高斯形式分布。按高斯形式分布。分布形式：分布形式：D D1 1t t1 1DD2 2t t2 2,余误差分布余误差分布DD1 1t t1 1 D D2 2t t2 2 ，高斯分布，高斯分布两步扩散第二十六页，本课件共有40页3.4 影响杂质分布的其它因素v上面推导的杂质分布形式上面推导的杂质分布形式理想化理想化v实际上理论分布与实际分布存在一定的差异实际上理论分布与实际分布存在一定的差异v主要是因为硅中掺杂原子的扩散，除了与空位有主要是因为硅中掺杂原子的扩散，除了与空位
15、有关外，还与硅中其它类型的点缺陷有密切的关系。关外，还与硅中其它类型的点缺陷有密切的关系。氧化增强扩散氧化增强扩散发射区推进效应发射区推进效应第二十七页，本课件共有40页氧化增强扩散（OED）v 实验结果表明，与中性气氛相比：实验结果表明，与中性气氛相比：杂质杂质B B在氧化气氛中的扩散存在明显的增强。在氧化气氛中的扩散存在明显的增强。B B和和P P的的增强现象比较明显增强现象比较明显杂质杂质AsAs在氧化气氛中的扩散有一定强度的增强在氧化气氛中的扩散有一定强度的增强杂质锑在氧化气氛中的扩散被阻滞杂质锑在氧化气氛中的扩散被阻滞参考参考P78 P78 图图3.143.14第二十八页，本课件共有
16、40页发射区推进效应v在在npnnpn窄基区晶体管制造中，如果基区和发射区分别扩窄基区晶体管制造中，如果基区和发射区分别扩B B和扩和扩P P，则发现在发射区正下方（内基区）则发现在发射区正下方（内基区）B B的扩散深度，大于不在发射的扩散深度，大于不在发射区正下方（外基区）区正下方（外基区）B B的扩散深度，该现象称为发射区推进效的扩散深度，该现象称为发射区推进效应，或发射区下陷效应。应，或发射区下陷效应。第二十九页，本课件共有40页发射区推进效应第三十页，本课件共有40页二维扩散v实际扩散实际扩散在掩蔽层的边缘，横向扩散与纵向扩散在掩蔽层的边缘，横向扩散与纵向扩散同时进行同时进行第三十一页
17、，本课件共有40页二维扩散v 实际扩散实际扩散低浓度扩散低浓度扩散假定：假定：DD与杂质浓度无关，横向扩散与纵向扩散都与杂质浓度无关，横向扩散与纵向扩散都近似以同样方式进行近似以同样方式进行L L横横=75%85%L=75%85%L纵纵高浓度扩散：高浓度扩散：DD与杂质浓度相关，与杂质浓度相关，L L横横=65%70%L=65%70%L纵纵第三十二页，本课件共有40页杂质横向扩散示意图第三十三页，本课件共有40页杂质横向扩散示意图v 由于横向扩散作用，结包含由于横向扩散作用，结包含一个中央平面区一个中央平面区一个近似圆柱、曲率半径为一个近似圆柱、曲率半径为r rj j的边的边如果扩散掩蔽层有尖
18、锐的角，在这角处的结将因横向扩如果扩散掩蔽层有尖锐的角，在这角处的结将因横向扩散而近似于圆球状。散而近似于圆球状。v 电场强度在圆柱和圆球结处较强，该处雪崩击穿电场强度在圆柱和圆球结处较强，该处雪崩击穿电压将远低于有相同衬底掺杂的平面结处。电压将远低于有相同衬底掺杂的平面结处。第三十四页，本课件共有40页实际扩散区域大于窗口影响集成度第三十五页，本课件共有40页扩散工艺（1）固态源扩散扩散物质：杂质的氧化物或其他化合物扩散物质：杂质的氧化物或其他化合物通过惰性气体把杂质源蒸气输运到硅片表面通过惰性气体把杂质源蒸气输运到硅片表面温度决定固溶度，对浓度有直接影响温度决定固溶度，对浓度有直接影响固态
19、源扩散：如固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等等第三十六页，本课件共有40页扩散工艺（2）液态源扩散v方法：方法：携带气体经过源瓶，将杂质源蒸气（杂质携带气体经过源瓶，将杂质源蒸气（杂质化合物）带入扩散炉管内与硅反应，或分解后与化合物）带入扩散炉管内与硅反应，或分解后与硅反应。硅反应。v条件：条件：源温控制在源温控制在0 0 ，以保证稳定性和重复性，以保证稳定性和重复性携带气体进行纯化和干燥，以防止杂质源水解而变质携带气体进行纯化和干燥，以防止杂质源水解而变质v特点：特点：系统简单，操作方便，成本低，效率高，系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性和均匀性好，较常用。重复性和均匀性好，较
20、常用。第三十七页，本课件共有40页利用液态源进行扩散的装置示意图利用液态源进行扩散的装置示意图液态源扩散液态源扩散第三十八页，本课件共有40页扩散工艺（3）气态源扩散v方法：气态杂质源一般先在硅片表面进行化学反应方法：气态杂质源一般先在硅片表面进行化学反应生成掺杂氧化层，杂质再由氧化层向硅中扩散。生成掺杂氧化层，杂质再由氧化层向硅中扩散。v杂质源：多为杂质的氢化物或卤化物，毒性大易燃杂质源：多为杂质的氢化物或卤化物，毒性大易燃易爆。易爆。u 稀释气体稀释气体u 气态杂质源进行化学反应气态杂质源进行化学反应所需气体所需气体第三十九页，本课件共有40页各种杂质源v B B的杂质源的杂质源大多数杂质源都是先分解或化合生成大多数杂质源都是先分解或化合生成B B2 2OO3 3，B B2 2OO3 3再再与表面与表面SiSi反应产生反应产生B B并向并向SiSi内扩散。内扩散。v P P的杂质源的杂质源大多数大多数P P源都是经化学反应先生成源都是经化学反应先生成P2O5P2O5，P2O5P2O5再与再与表面表面SiSi反应产生反应产生P P并向并向SiSi内扩散。内扩散。第四十页，本课件共有40页