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1、第三章扩散第1页，共61页，编辑于2022年，星期二第三章 扩散 掺杂工艺（扩散与离子注入）基本思想:通过某种技术措施，将一定浓度的价元素B，或价P、As等掺入半导体衬底。通过掺杂可在硅衬底上形成不同类型的半导体区域，构成各种器件结构。n目的：改变半导体的电特性n定义:用人为方法，将所需的杂质，以一定方式掺入到半导体基片规定的区域内，达到规定的数量和符合要求的分布。n应用：制作PN结IC中的电阻欧姆接触区硅栅多晶硅互连线n方法：热扩散离子注入合金第2页，共61页，编辑于2022年，星期二扩散n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。n方法：按掺杂源 固体源扩散
2、：BN,B2O3,Sb2O3,As2O3 液态源扩散：B(CH3O)3,POCL3 气态源扩散：B2H6,PH3,ASH3 按扩散系统：开管和闭管两大类。第3页，共61页，编辑于2022年，星期二替位式扩散：杂质离子占据硅原子位置：n、族元素n高温(9501280)下进行，横向扩散严重。对设备要求较低。n磷、硼、砷等在SiO2中的D均远小于在硅中D，可用氧化层作掩蔽层。间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：nNa、K、Fe、Cu、Au 等元素n扩散系数比替位式扩散大67个量级n（绝对不许用手摸硅片防止Na+沾污）第4页，共61页，编辑于2022年，星期二 N衬底掺III价，原先N衬底电子浓度变小，
3、或N衬底变P型；N衬底掺价，提高衬底表面杂质浓度。P衬底掺价，原先P衬底空穴浓度变低，或P衬底变N型;P衬底掺III价，提高P衬底表面浓度。掺杂:热扩散法和离子注入 由光刻工艺为掺杂确定掺杂的区域，在需要掺杂处(掺杂窗口)裸露出硅衬底，非掺杂区用SiO2或SiN屏蔽。离子注入常用SiO2、光刻胶或这两层材料同时作掺杂屏蔽。第5页，共61页，编辑于2022年，星期二 热扩散掺杂热扩散掺杂利用原子在高温下的扩散运动，使杂质原子从浓度很利用原子在高温下的扩散运动，使杂质原子从浓度很高的杂质源向硅中扩散并形成一定的分布。高的杂质源向硅中扩散并形成一定的分布。热扩散通常分两个步骤：预淀积和再分布。热扩散
4、通常分两个步骤：预淀积和再分布。预淀积预淀积:高温下，利用杂质源高温下，利用杂质源B,P，对硅片的掺杂窗口扩散，在窗，对硅片的掺杂窗口扩散，在窗口处形成一层较薄但具有较高浓度的杂质层口处形成一层较薄但具有较高浓度的杂质层,恒定表面源扩散恒定表面源扩散。再分布再分布:利用预淀积所形成的表面杂质层做杂质源，在高温下将这层利用预淀积所形成的表面杂质层做杂质源，在高温下将这层杂质向硅体内扩散的过程。通常再分布时间长，再分布可在硅衬底杂质向硅体内扩散的过程。通常再分布时间长，再分布可在硅衬底上形成一定的杂质分布和结深。上形成一定的杂质分布和结深。限定表面源扩散。限定表面源扩散。第6页，共61页，编辑于2
5、022年，星期二3.1 扩散机构3.1.1 间隙式扩散定义重金属杂质Ni,Fe,Cu,Ag,Au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Wi。f(Wi)exp(-Wi/kT)玻尔兹曼统计分布 单位时间越过Wi的跃迁几率Pi=0 exp(-Wi/kT),0热振动频率 杂质r较小的原子，如H。第7页，共61页，编辑于2022年，星期二3.1 扩散机构3.1.2 替位(代位)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Ws
6、。跃迁几率Pv=0 exp-(Wv+Ws)/kT,Wv-形成空位所需的能量第8页，共61页，编辑于2022年，星期二nIII-V 族，r大，替位式，慢扩散，不改变晶体结构n金属杂质，r小，间隙式，快扩散(105-106)复合中心第9页，共61页，编辑于2022年，星期二3.2 扩散系数与扩散方程扩散本质：微观粒子无规则热运动的统计结果扩散规律：高浓度向低浓度扩散扩散条件：温度，浓度梯度3.2.1 菲克第一定律 J(x,t)=-DD扩散系数(cm2/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。第10页，共61页，编辑于2022年，星期二3.2 扩散系数
7、与扩散方程3.2.2 扩散系数 D=D0 exp(-E/kT)nD0表观扩散系数，既1/kT 0时的扩散系数nE激活能；间隙扩散：E=Wi，替位扩散：E=Ws+WvnD是描述粒子扩散快慢的物理量，是微观扩散的宏观描述。第11页，共61页，编辑于2022年，星期二3.2 扩散系数与扩散方程nD0、E、T决定D(D=D0 exp(-E/kT)D与E成反比 替位扩散：E=Ws+Wv，能量高，慢扩散；间隙扩散：E=Wi，能量低，快扩散。D与T成正比 a.高温扩散：T=800-1000；b.精确控温：若T=1，则D=5%-10%。第12页，共61页，编辑于2022年，星期二 n扩散杂质种类 B,Pn晶向
8、，材料缺陷n本体浓度NB,Dn杂质源表面浓度Ns,DnD不是常数，实际工艺修正。第13页，共61页，编辑于2022年，星期二第14页，共61页，编辑于2022年，星期二3.2 扩散系数与扩散方程n3.2.3 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),质量守恒：单位时间内，相距dx两个平面(单位积)间，杂质数的变化量等于通过两个平面的流量差。故 -扩散方程第15页，共61页，编辑于2022年，星期二3.3 扩散杂质的浓度分布3.3.1 恒定表面源(浓度)扩散 (constant-surface-concentration)n定义:扩散过程中，Si片表面杂质浓度
9、始终不变(等于杂质在Si中的溶解度)。例如：预淀积工艺，箱法扩散工艺n初始条件：t=0，N(x,0)=0；n边界条件：N(0,t)=Ns，N(,t)=0；n解扩散方程，第16页，共61页，编辑于2022年，星期二3.3.1 恒定表面源扩散 简化，余误差分布 扩散长度；Ns=NSi(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)；第17页，共61页，编辑于2022年，星期二3.3.1 恒定表面源扩散n余误差函数性质：erfc(x)；erfc(x)1-erf(x)；erfc(0)1；e
10、rfc()0；erfc(x)，当x1；erfc(x)，当x1；第18页，共61页，编辑于2022年，星期二3.3.1 恒定表面源扩散n杂质总量 T一定,t Q；t 一定,TQ 结深 第19页，共61页，编辑于2022年，星期二3.3.1 恒定表面源扩散第20页，共61页，编辑于2022年，星期二3.3.2 有限表面源扩散/恒定杂质总量 扩散(constant-total-dopant)n定义：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，也不减少n如：再分布工艺n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；N(x,0)=Q/=Ns,0 x；N(x,
11、0)=0,x；n边界条件：N(,t)=0；第21页，共61页，编辑于2022年，星期二3.3.2 有限表面源扩散/恒定杂质总量 扩散(constant-total-dopant)n解扩散方程，高斯分布 表面浓度n结深T一定,t Xj Ns;t一定,T Xj Ns;Q不变第22页，共61页，编辑于2022年，星期二第23页，共61页，编辑于2022年，星期二3.3.3 两步扩散工艺1预淀积:较低温度(800-900)，短时间浅结恒定源扩散2再分布:预淀积的晶片在较高温度下(1000-1200)深结 扩散，达到所要求的表面浓度及结深。如：双极器件基区要求Ns=1017-1018 cm-3,Xj=2
12、-3m。采用恒定源一次扩散掺B(900-1200),最大固溶度NSi=51020cm-3,Ns无法达到要求。掺P,NSi=1021cm-3 Si:51022cm-3第24页，共61页，编辑于2022年，星期二3.3.3 两步扩散工艺n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。n目的:准确控制表面杂质总量Q。n 余误差分布；n 第25页，共61页，编辑于2022年，星期二3.3.3 两步扩散工艺再分布高温、深结目的：达到所需Ns和Xja.若预淀积的Xj1再分布Xj2，或 高斯分布表面浓度第26页，共61页，编辑于2022年，星期二3.3.3 两步扩散工艺b.若预淀积的Xj1与再
13、分布Xj2相近，n Smith分布n ，第27页，共61页，编辑于2022年，星期二1 扩散第28页，共61页，编辑于2022年，星期二3.4 影响杂质分布的其他因素3.4.1 硅中的点缺陷n缺陷：任何对周期晶格形成扰动都称为“缺陷”面缺陷：层错、多晶的晶粒间界等；线缺陷：位错等；点缺陷：杂质原子产生的缺陷，如空位、间隙、间隙 原子团。n空位缺陷：晶格上缺失一个Si原子。n中性空位V0 带一个负电荷的空位V-带两个负电荷的空位V-带一个正电荷的空位V+第29页，共61页，编辑于2022年，星期二图3.13 硅中空位的能带图第30页，共61页，编辑于2022年，星期二3.4 影响杂质分布的其他因
14、素3.4.2 扩散系数与杂质浓度的关系n Nni,D与N有关，称非本征扩散系数De。n空位浓度与掺杂浓度V0与N无关；高掺杂施主可使V-和V-2浓度增加；高掺杂受主可使V+浓度增加。n各种空位以不同方式与离化的掺杂原子相互作用，具有不同的E和D。n扩散系数与空位浓度成正比第31页，共61页，编辑于2022年，星期二3.4 影响杂质分布的其他因素n总的扩散系数 低掺杂(本征扩散系数)nDi=Di0+Di+Di-+Di-高掺杂(非本征扩散系数)nDe=Di0+Di+(p/ni)+Di-(n/ni)+Di(n/ni)2 ni-本征载流子浓度；p-空穴浓度；n-电子浓度 第32页，共61页，编辑于20
15、22年，星期二第33页，共61页，编辑于2022年，星期二3.4 影响杂质分布的其他因素3.4.3 氧化增强扩散(EOD)n实验结果：P、B、As等在氧化气氛中扩散增强。n氧化增强机理替位-间隙交替的双扩散：Si-SiO2界面产生大量间隙Si与替位B、P等相互作用，使替位B、P变为间隙B、P；B、P在近邻晶格有空位时以替位方式扩散，无空位时以间隙方式扩散；B、P的间隙扩散作用更强；扩散速度比单纯替位方式快。nSb氧化扩散是减弱的：Sb是替位扩散为主。nAs氧化增强低于B、P：替位-间隙两种扩散作用相当第34页，共61页，编辑于2022年，星期二第35页，共61页，编辑于2022年，星期二3.4
16、 影响杂质分布的其他因素3.4.4 发射区推进(陷落)效应n实验现象：NPN 管的工艺中，发射区下方的内基区B的扩散深度大于发射区外的基区扩散深度。n推进(陷落)机理：P与空位作用形成PV对,发生分解带来的综合效应。P+V-2 P+V-2 P+V-2 P+V-+e 大量过饱和V-扩散较远，深入基区，增强B扩散速度;P+V-2的分解导致大量的间隙Si，增强了B扩散。第36页，共61页，编辑于2022年，星期二3.4 影响杂质分布的其他因素n3.4.5 二维扩散(横向扩散)n实际扩散：杂质在垂直Si表面扩散的同时，也进行平行Si表面的横向扩散。n横向扩散深度:硅内浓度比Ns小两个数量级，纵向扩散的
17、75%-85%。高浓度掺杂，为纵向扩散的65%-70%。第37页，共61页，编辑于2022年，星期二 杂质横向扩散示意图杂质横向扩散示意图柱面柱面平面平面球面球面xJxJScSc横向扩展宽度横向扩展宽度=0.8xj立体图立体图剖面图剖面图第38页，共61页，编辑于2022年，星期二第39页，共61页，编辑于2022年，星期二3.4 影响杂质分布的其他因素n横向扩散的影响nULSI集成度减小：设计尺寸如沟道长度L，大于实际尺寸。n横向穿通效应第40页，共61页，编辑于2022年，星期二3.5 扩散工艺n分类n扩散系统形式：开管、闭管n扩散系统环境：真空扩散、保护气体扩散 N2，Ar2n按杂质源形
18、态：固态源、液态源、气态源对扩散系统的要求：有一定长度的恒温区(600以上，波动小于0.5)对NS、xj 易控制；不能使Si片变形和表面损伤；一次(一炉)能扩散几十、上百片，均匀性和重复性好第41页，共61页，编辑于2022年，星期二扩散杂质源的选择n杂质导电类型；np,III族 B Al Ga Innn,V族 (N)P As SbnB:可选nAl:D大,不易控制(深结，功率器件中)nGa:DSiO2 DSin In:深能级,不易全电离(Ge中0.011eV,0.16eV)nP：发射区DPDBnAs：微波管发射区,无基区下陷效应,与Si晶格匹配,固溶度大,D小,易控制 nSb：D小,毒性小n扩
19、散系数D；先扩散小D,后扩散大D,基区宽度好调解n杂质固溶度NS；P 1.31021cm-3 Sb 41019cm-3 n易获得，纯度高，蒸汽压高，使用期长，毒性小第42页，共61页，编辑于2022年，星期二n杂质源(热分解化学反应)n杂质氧化物沉积硅片上(与硅发生化学反应)n单质杂质原子n扩散进入硅片内。第43页，共61页，编辑于2022年，星期二3.5 扩散工艺n3.5.1 固态源扩散n组成：掺杂元素的氧化物B2O3,P2O5,BN,Sb2O3,As2O3n形态：片状、粉状、乳胶状、薄膜(掺杂多晶硅)n扩散方式：n开管:杂质源片状和粉状,杂质源与Si平分开,不接触n特点：工艺简便，重复性、
20、稳定性好。第44页，共61页，编辑于2022年，星期二3.5 扩散工艺n箱法：杂质源和Si片放在有盖的石英箱里。n特点：恒定表面源扩散NS=NSi；兼有开管和闭管优点。n涂源法：将掺有扩散杂质的乳胶源旋涂在Si片上。n特点：适于各种扩散杂质；表面浓度难控制，不均匀。n薄膜法：用CVD方法先在Si片上淀积一层含扩散杂质的薄膜，如SiO2、Poly-Si、Si3N4。n特点：均匀性重复性好，密排，工艺灵活。第45页，共61页，编辑于2022年，星期二铂铂固态源扩散：如固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等等第46页，共61页，编辑于2022年，星期二3.5 扩散工艺n3.5.2 液态源扩散n掺杂
21、源：液态化合物，如POCl3、PCl3、AsCl3、n方法：掺杂源通过携带气体(N2)进入扩散炉；n特点：相比固态源扩散，掺杂量控制精确(炉温，扩散时间，气体流量，源温)，均匀性、重复性好。n3.5.3 气态源扩散n掺杂源：气态化合物，如PH3、AsH3、B2H6、BCl等，毒性较大；为了安全及便于控制，需用N2、Ar2稀释到1%-2%。n特点：相比液态源扩散，操作更方便。第47页，共61页，编辑于2022年，星期二液态源扩散液态源扩散第48页，共61页，编辑于2022年，星期二3.5 扩散工艺3.5.4 杂质源1.B掺杂源固态：粉状B2O3 、BN；陶瓷片BN、B2O3+SiO2+Al2O3
22、；BN+O2 B2O3+N2(BN不易挥发，高温1000氧气活化0.5-1h)B2O3+Si B+SiO2；B2O3+SiO2 BSG(硼硅玻璃)液态：B(CH3O)3、BBr3；B(CH3O)3 B2O3+CO2+H2O+C C+O2 CO2气态：乙硼烷B2H6、BCl3；B2H6+O2B2O3+H2O B2H6+CO2B2O3+CO+H2OnB2O3性质：无色粉末、熔点577，沸点1860能溶于酸和醇第49页，共61页，编辑于2022年，星期二3.5 扩散工艺2.P掺杂源固态：粉状P2O5；陶瓷片 P3N5、SiP2O7+Al(PO3)3nP3N5+O2 P2O5+N2nP2O5+Si P
23、+SiO2；P2O5+SiO2 PSG(磷硅玻璃)液态：POCl3、PCl5、PBr3、P(CH3O)3。n高温(600)下，POCl3 P2O5+PCl5 PCl5+O2 P2O5+Cl2气态：PH3；PH3+O2P2O5+H2OP2O5性质：白色粉末，熔点420，300升华，吸水性强第50页，共61页，编辑于2022年，星期二3.6 扩散工艺的发展n快速气相掺杂RVD(Rapid Vapor-phase Doping)n掺杂剂从气相直接向硅中扩散，形成超浅结的快速掺杂工艺。n替换离子注入(沟道效应，晶格损伤，硅片带电)，短沟CMOS特性好。n高温，需要掩膜，杂质分布非理想指数分布，峰值在表
24、面。第51页，共61页，编辑于2022年，星期二n气体浸没激光掺杂GILD (Gas Immersion Laser Doping)n准分子激光(308nm)器产生高能量密度(0.5-2.0J/cm2)的短脉冲(20-100nm)激光，照射处于气态源(PF5,BF3)中的硅表面，硅表面因为吸收能量变为液体层。掺杂源由于热分解,光解产生杂质原子，通过液相扩散，杂质进入很薄的液体层。n扩散快，分布均匀，陡峭，突变结，超浅深度，极底的串连电阻。激光能量和脉冲时间控制掺杂浓度。第52页，共61页，编辑于2022年，星期二3.7 扩散层质量参数包括:结深xJ，方块电阻R(RS)，表面浓度 NS 击穿电压
25、BV等。结深xj n定义：pn结几何位置与扩散层表面的距离.衬底杂质浓度NB,N(XJ,t)=NB，第53页，共61页，编辑于2022年，星期二3.6 扩散层质量参数n恒定源结深：,余误差分布n有限源分布：，高斯分布第54页，共61页，编辑于2022年，星期二结深的测量nXj小,m,直接测量困难，磨角滚槽侧面放大n硫酸铜染色，阳极氧化法，a.磨角染色法：Xj深:3-5 石蜡、磨角器b.滚槽染色法：Xj浅 x=y/3y/2第55页，共61页，编辑于2022年，星期二n1CuSO4光照染色Si置换出Cu,n-Si化学势高,红色度层,CuSO4.5H2O：HF(48%):H2O=1g:2ml:50m
26、ln2HF溶液染色HF+浓HNO3，n区亮，p区暗n3阳极氧化剥层法Si表面生长 SiO2，HF剥除，测Si的RS,RS,L,连续，RS,突然，nSi剥除厚度0.43ndi第56页，共61页，编辑于2022年，星期二第57页，共61页，编辑于2022年，星期二3.6 扩散层质量参数方块电阻R(RS)n定义:结深为Xj的一个正方形扩散层的薄层电阻,反映导电性能，载流子总量(e,p)决定。(/)扩散层存在浓度分布梯度，应由 代替，电阻率，q电子电量，载流子平均迁移率，Q杂质总量 第58页，共61页，编辑于2022年，星期二3.6 扩散层质量参数nR(RS)测量四探针V2,3探针间电压；I1,4探针
27、间电流C修正因子，与Si片大小、形状 (长L,宽a,厚d,)间距S等有关。n 测量霍尔效应n金半接触形成阻挡层，接触电阻大，I通过接触处，压降大，产生接触势垒。n金半接触处少子注入现象，半导体电阻改变。n四探针可消除上述现象。修正：接触电阻(阻挡层)，注入效应第59页，共61页，编辑于2022年，星期二条件n硅片面积大，可忽略边界影响；n薄层厚度探针间距；n四探针一条线，等间距；n电流不通过大于Xj地方；n探针尖，接触良好；n满足小注入和弱电场测试条件；n正反测量求平均，减小误差。第60页，共61页，编辑于2022年，星期二作业作业1.某硅晶体管基区硼预淀积温度为950，要求预淀积后的方块电阻为120/，确定预淀积所需要的时间(取p 55cm2/Vs)2.硅IC采用的n型外延片电阻率为0.4cm，要求基区硼扩散的结深为2m，方块电阻为200/，现在采用两步扩散法，试分别确定硼预沉积和再分布的温度和时间。第61页，共61页，编辑于2022年，星期二