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1、硅集成电路工艺基础本讲稿第一页，共六十三页3.1、杂质扩散机构3.2、扩散系数与扩散方程3.3、扩散杂质的分布3.4、影响杂质分布的其他因素3.5、扩散工艺3.6、扩散工艺的发展3.7、与扩散有关的测量主要内容本讲稿第二页，共六十三页3.1、杂质扩散机构杂质原子的扩散方式有以下几种：交换式：两相邻原子由于有足够高的能量，互相交换位置。空位式：由于有晶格空位，相邻原子能移动过来。填隙式：在空隙中的原子挤开晶格原子后占据其位，被挤出的原子再去挤出其他原子。在空隙中的原子在晶体的原子间隙中快速移动一段距离后，最终或占据空位，或挤出晶格上原子占据其位。以上几种形式主要分成两大类：替位式扩散。间隙式扩散
2、。本讲稿第三页，共六十三页 常见元素在硅中的扩散方式扩散方式杂质替位：空位式移动P,Sb,Al,Ga,As替位：填隙式移动 B,P,As间隙：间隙式移动O替位：间隙式移动Au本讲稿第四页，共六十三页杂质在硅中的固溶度：在给定温度下的最大杂质浓度本讲稿第五页，共六十三页P在硅中的扩散曲线B在硅中的扩散曲线本讲稿第六页，共六十三页多晶硅中的杂质扩散 在多晶硅薄膜中进行杂质扩散的扩散方式与单晶硅中的方式是不同的，因为多晶硅中有晶粒间界存在，所以杂质原子主要沿着晶粒间界进行扩散。主要有三种扩散模式：晶粒尺寸较小或晶粒内的扩散较快，以至从两边晶粒间界向晶粒内的扩散相互重叠，形成如图A类分布。晶粒较大或晶
3、粒内的扩散较慢，所以离晶粒间界较远处杂质原子很少，形成如图B类分布。与晶粒间界扩散相比，晶粒内的扩散可以忽略不计，因此形成如图C类分布。所以多晶扩散要比单晶扩散快得多，其扩散速度一般要大两个数量级。本讲稿第七页，共六十三页间隙式扩散间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质。以间隙形式存在于硅中的杂质，主要是那些半径较小、不容易和硅原子键合的原子。间隙式扩散：间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置的运动称为间隙式扩散。间隙式杂质在硅晶体中的扩散运动主要是间隙式扩散。本讲稿第八页，共六十三页对间隙杂质来说，间隙位置是势能极小位置，相邻的两个间隙之间是势能极大位置。间隙杂质要从一个间隙位置运动到相邻的间隙
4、位置上，必须要越过一个势垒，势垒高度Wi一般为0.6 1.2eV。间隙杂质只能依靠热涨落才能获得大于Wi的能量，越过势垒跳到近邻的间隙位置。本讲稿第九页，共六十三页 温度越高，间隙杂质的跳跃率越高，间隙式扩散越容易。间隙杂质的热振动频率为0，根据玻尔兹曼统计分布，热涨落获得能量大于Wi的几率正比于exp(-Wi/kT)，则得到间隙杂质的跳跃率（每秒的跳跃次数）为本讲稿第十页，共六十三页替位式扩散 如果替位杂质的近邻没有空位则替位杂质要运动到近邻晶格位置上，就必须通过互相换位才能实现。这种换位会引起周围晶格发生很大的畸变，需要相当大的能量，因此只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位，替位式扩散才比较
5、容易发生。替位式扩散：替位杂质从一个晶格位置扩散到另一个晶格位置。本讲稿第十一页，共六十三页对替位杂质来说，在晶格位置上势能相对最低，而间隙处是势能最高位置。与间隙杂质相同，替位杂质要从一个格点位置运动到近邻格点上，必须要越过一个势垒。势垒高度为Ws。替位杂质的运动比间隙杂质更为困难，首先要在近邻出现空位，同时还要依靠热涨落获得大于势垒高度Ws的能量才能实现替位运动。本讲稿第十二页，共六十三页平衡时单位体积的空位数为：N是单位体积内所含的晶格数，Wv代表形成一个空位所需要的能量。则每个格点上出现空位的几率为：根据玻尔兹曼统计规律，替位杂质依靠热涨落跳过势垒Ws的几率为：替位杂质的跳跃率为出现空
6、位的几率乘以跳入该空位的几率，即：对硅中的替位杂质来说，Wv+Ws约为34eV本讲稿第十三页，共六十三页3.2、扩散系数与扩散方程3.2.1 菲克第一定律1855年，菲克(Fick)，提出描述物质扩散的第一定律。菲克第一定律：如果在一个有限的基体中杂质浓度C(x,t)存在梯度分布，则杂质将会产生扩散运动，杂质的扩散流密度 J 正比于杂质浓度梯度C/x，比例系数D定义为杂质在基体中的扩散系数。扩散流密度的一维表达式为：本讲稿第十四页，共六十三页扩散流密度 J 定义为单位时间通过单位面积的杂质(粒子)数。D是扩散系数，D的单位为cm2/s。杂质的扩散方向是使杂质浓度梯度变小。如果扩散时间足够长，则
7、杂质分布逐渐变得均匀。当浓度梯度变小时，扩散减缓。D依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等。本讲稿第十五页，共六十三页 首先在替位原子的势能曲线和一维扩散模型的基础上，来推导扩散粒子流密度J(x,t)的表达式。晶格常数为a，t时刻在(x-a/2)和(x+a/2)位置处，单位面积上替位原子数分别为C(x-a/2,t)*a和C(x+a/2,t)*a。单位时间内，替位原子由(x-a/2)处跳到(x+a/2处)的粒子数目为由(x+a/2)处单位面积上跳到(x-a/2)处的粒子数目为3.2.2 扩散系数扩散系数的推导：本讲稿第十六页，共六十三页则t时刻通过x处单位面积的净粒子数（粒子流密度）为：则有：
8、D0为表观扩散系数，E为激活能。扩散系数由D0、E及温度T决定。本讲稿第十七页，共六十三页1.决定氧化速率常数的两个因素：氧化剂分压：B、B/A均与Pg成正比，那么在一定氧化条件下，通过改变氧化剂分压可改变二氧化硅生长速率。高压氧化、低压氧化氧化温度：B(DSiO2)、B/A(ks)均与T呈指数关系，激活能不同2.影响氧化速率的其他因素硅表面晶向：表面原子密度，(111)比(100)氧化速率快些 仅对反应控制过程有影响，对扩散控制过程无影响杂质：B，P，氧化速率变快 水汽、钠、氯（改善）3.热氧化过程中杂质再分布（分凝系数与扩散系数）4.初始氧化阶段（与D-G模型不符）和薄氧化层的生长（表面处
9、理）上节课内容小结本讲稿第十八页，共六十三页替位式扩散：替位式杂质间隙式扩散：原子半径小二者的扩散激活能不同1.扩散是向半导体掺杂的重要方法之一2.菲克第一定律：扩散流密度的一维表达式为：D依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等上节课内容小结本讲稿第十九页，共六十三页3.2.3 菲克第二定律（扩散方程）如图，沿扩散方向，从x到x+x，面积为s的一个小体积元内的杂质数量随时间的变化情况。假设在小体积元v=xs内的杂质分布是均匀的。在t时刻，体积元内的杂质浓度为C(x,t)，在t+t时刻杂质浓度为C(x,t+t)。经过t时间，该体积元内杂质变化量为扩散方程的推导（一维扩散）设杂质在x和x+x处的
10、扩散流密度分别为J(x,t)和J(x+x,t)，则在t时间内，通过x处和x+x处的杂质流量差为 本讲稿第二十页，共六十三页 假设体积元内的杂质不产生也不消失，可得 把菲克第一定律代入上式则得一维扩散方程 此方程就是菲克第二定律的最普遍表达式。如果假设扩散系数D为常数，这种假设在低杂质浓度情况下是正确的，则得 本讲稿第二十一页，共六十三页3.3、扩散杂质的分布3.3.1 恒定表面源扩散恒定表面源扩散：整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终不变。在恒定表面源扩散过程中，表面浓度Cs始终保持恒定，边界条件：假定杂质在硅内的扩散深度远小于硅片的厚度，则另一个边界条件为 根据实际情况下的边界条件和初始条
11、件，求解扩散方程，就可以得到扩散杂质的分布C(x,t)。本讲稿第二十二页，共六十三页在扩散开始时，初始条件应为 根据上述的边界条件和初始条件，可求出恒定表面源扩散的杂质分布情况：erfc为余误差函数。本讲稿第二十三页，共六十三页恒定表面源扩散的杂质分布形式如图所示。在表面浓度Cs一定的情况下，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。如果扩散时间为t，那么通过单位表面积扩散到Si片内部的杂质数量Q(t)为：恒定源扩散，其表面杂质浓度Cs基本上由该杂质在扩散温度(900-1200)下的固溶度所决定，在900-1200范围内，固溶度随温度变化不大，很难通过改变温度来达到控制表面浓
12、度Cs的目的，这是该扩散方法的不足之处。杂质分布形式恒定表面源扩散的主要特点本讲稿第二十四页，共六十三页结深 如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的导电类型不同，在两种杂质浓度相等处会形成p-n结。若CB为硅衬底原有的背景杂质浓度，根据C(xj,t)=CB，得到结的位置xj：其中A是常数。xj与扩散系数D和扩散时间t的平方根成正比。D与温度T是指数关系，所以在扩散过程中，温度对扩散深度和杂质分布的影响较大。本讲稿第二十五页，共六十三页 杂质浓度梯度 如果杂质按余误差函数分布，可求得杂质浓度梯度为 由上式可知，杂质浓度梯度大小与Cs，t和D(即温度T)有关，可以改变其中某个量来控制杂质浓度分布的梯度。在
13、pn结处的梯度为 由上式可以看出，在Cs和CB一定的情况下，pn结越深，在结处的杂质浓度梯度就越小。本讲稿第二十六页，共六十三页3.3.2 有限表面源扩散有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先沉积一层杂质，在整个扩散过程中这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充，这种扩散方式称为有限表面源扩散。假设扩散之前在硅片表面沉积的杂质均匀地分布在薄层h内，每单位面积上的杂质数量为Q，杂质浓度为Q/h。如果杂质在硅内要扩散的深度远大于h，则预先淀积的杂质分布可按函数考虑。初始条件为：本讲稿第二十七页，共六十三页假设杂质不蒸发，硅片厚度远大于杂质要扩散的深度。则边界条件为：在上面的初始条件和边界条件下，求解
14、扩散方程，得到有限表面源扩散的杂质分布情况：式中，exp(-x2/4Dt)为高斯函数。本讲稿第二十八页，共六十三页杂质分布形式有限表面源扩散的主要特点扩散温度相同时，扩散时间越长，杂质扩散的越深，表面浓度越低。扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散的越深，表面浓度下降越多。温度相同时，杂质的分布情况随扩散时间的变化如图所示，有限表面源扩散在整个扩散过程中杂质数量保持不变，各条分析曲线下面所包围的面积相等。有限源扩散的表面杂质浓度是可以控制的，任意时刻t的表面浓度：杂质分布为：本讲稿第二十九页，共六十三页结深 如果衬底中原有杂质与扩散的杂质具有不同的导电类型，则在两种杂质浓度相等处形成p-n结，
15、结深可由下式求出：则结深为 A与比值Cs/CB有关，但因为杂质浓度Cs(t)随时间变化，所以A也随时间变化，这与恒定源扩散情况（A是常数）不同。对于有限源扩散来说，扩散时间较短时，结深xj将随(Dt)1/2的增加而增加。在杂质分布形式相同的情况下，CB越大，结深越浅。本讲稿第三十页，共六十三页 杂质浓度梯度任意位置x处的杂质浓度梯度在p-n结处的杂质梯度为杂质浓度梯度将随扩散结深的增加而减小。本讲稿第三十一页，共六十三页3.3.3 两步扩散 实际的扩散温度一般为900-1200，在这个温度范围内，杂质在硅中的固溶度随温度变化不大，采用恒定表面源扩散很难通过改变温度来控制表面浓度，而且很难得到低
16、表面浓度的杂质分布形式。两步扩散：采用两种扩散结合的方式。第一步称为预扩散或者预淀积：在较低温度下，采用恒定表面源扩散方式。在硅片表面扩散一层数量一定，按余误差函数形式分布的杂质。由于温度较低，且时间较短，杂质扩散的很浅，可认为杂质是均匀分布在一薄层内，目的是为了控制扩散杂质的数量。第二步称为主扩散或者再分布：将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在较高温度下进行扩散。主扩散的目的是为了控制表面浓度和扩散深度。两步扩散后的杂质最终分布形式：D预t预D主t主，主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函数分布。本讲稿第三十二页，共六十三页3.4、影响杂质分布的其他因素 前面求解扩散方程时，作了一些理想化的假设，
17、且影响杂质扩散的某些因素没有考虑，实际扩散杂质的分布与理论计算的结果有一定的差异，随着集成度的提高，器件尺寸越来越小，杂质扩散深度越来越浅，需要考虑影响杂质分布的其它因素。u硅中的点缺陷u杂质浓度对扩散系数的影响u氧化增强扩散u发射区推进效应本讲稿第三十三页，共六十三页3.4.1 硅中的点缺陷 实验发现硅中杂质原子的扩散，除了与空位有关外，还与硅中其他类型的点缺陷有着密切的关系。硅中的点缺陷分为三类：替位缺陷：是指位于晶格位置上的杂质原子，用A表示。空位缺陷：是指晶格位置上缺失一个硅原子，用V表示。间隙类缺陷：包括自间隙缺陷和间隙原子团。自间隙缺陷：硅晶格间隙位置上的硅原子，用I表示。间隙原子
18、团：是由两个或两个以上的间隙原子形成。组成间隙原子团的两个原子可以都是硅原子(I缺陷)；或者是一个硅原子和一个掺杂原子(AI缺陷)。本讲稿第三十四页，共六十三页杂质与空位的反应：替位型杂质扩散机制：杂质原子运动到近邻的空位上 Ai：间隙位置上的一个杂质原子 AV：空位附近的一个杂质原子AI：间隙原子团中的一个杂质原子 在扩散的过程中，晶格上的杂质原子（A）与缺陷之间的结合方式为：AV，AI，Ai，可用以下反应来描述。本讲稿第三十五页，共六十三页 一个间隙硅原子把一个处在晶格位置上的替位杂质“踢出”，使这个杂质处在晶体间隙位置上，而这个硅原子却占据了晶格位置。硅原子“踢出”处在晶格位置上杂质的示
19、意图替位杂质与间隙的反应：本讲稿第三十六页，共六十三页被“踢出”的杂质以间隙方式进行扩散运动。当它遇到空位时可被俘获，成为替位杂质；也可能在运动过程中“踢出”晶格位置上的硅原子进入晶格位置，成为替位杂质，被“踢出”硅原子变为间隙原子。原来认为B和P是只能靠空位机制才能运动的杂质，实际上，考虑到点缺陷，B和P是靠空位扩散和间隙扩散两种机制进行扩散运动的。“踢出”与间隙机制扩散示意图本讲稿第三十七页，共六十三页3.4.2 扩散系数与杂质浓度的关系 前面的求解扩散方程时，都假定扩散系数是与杂质浓度无关的常数，但实验发现扩散系数与杂质浓度是有关的。只有当杂质浓度比扩散温度下的本征载流子浓度低时，才可认
20、为扩散系数与掺杂浓度无关，这种情况的扩散系数叫做本征扩散系数，用Di表示。把依赖于掺杂(包括衬底杂质和扩散杂质)浓度的扩散系数称为非本征扩散系数，用De表示。本讲稿第三十八页，共六十三页 、族元素在硅中扩散运动的理论是建立在杂质与空位相互作用的基础上，即杂质原子通过跳入邻近的空位实现扩散，因此，扩散系数和空位浓度成正比。扩散系数依赖于杂质浓度的一种可能的解释是：掺入的施主或受主杂质诱导出大量荷电态空位，空位浓度增加，因而扩散系数增大。硅中的荷电态空位主要有四种：V0，V+，V-，V2-。其中V0浓度不依赖于杂质浓度，而 V+、V-和 V2-与掺杂浓度有关。空位的能带图如图。扩散系数与杂质浓度有
21、关的原因本讲稿第三十九页，共六十三页在低掺杂情况下，硅中各种空位的实际浓度是非常低的，可认为各种荷电空位之间不发生相互作用，总的扩散系数就是各跳跃过程单独贡献的扩散系数之和。其中 分别表示杂质通过与V0，V+，V-，V2-空位作用的扩散系数。在高掺杂情况下，非本征扩散系数可以看成是杂质与各种荷电空位相互作用所贡献的扩散系数的总和，差别仅在于各种荷电空位对扩散系数的相对贡献发生了变化。在高掺杂情况下的扩散系数为：本讲稿第四十页，共六十三页3.4.3 氧化增强扩散杂质在氧化气氛中的扩散，与中性气氛相比，存在明显的增强，这种现象称为氧化增强扩散(OED)。杂质硼和磷的增强现象最为明显，杂质砷也有一定
22、程度的增强，而锑在氧化气氛中的扩散却被阻滞。对于硼扩散，从图可以看到，在氧化区下方，硼的扩散结深大于保护区下方的结深，这说明在氧化过程中，硼的扩散被增强。本讲稿第四十一页，共六十三页 硅氧化时，在Si-SiO2界面附近产生了大量的间隙Si原子，这些过剩的间隙Si原子在向硅内扩散的同时，不断与空位复合，使这些过剩的间隙Si原子的浓度随深度而降低。在表面附近，过剩的间隙Si原子可以和替位B相互作用，从而使原来处于替位的B变为间隙B。当间隙B的近邻晶格没有空位时，间隙B就以间隙方式运动；如果间隙B的近邻晶格出现空位时，间隙B又可以进入空位变为替位B。这样，杂质B就以替位-间隙交替的方式运动，其扩散速
23、度比单纯的替位式扩散要快。而在氮化硅保护下的硅不发生氧化，这个区域中的杂质扩散只能通过空位机制进行扩散，所以氧化区正下方B的扩散结深大于氮化硅保护区正下方的扩散结深。磷在氧化气氛中的扩散也被增强，其机制与硼相同。氧化增强扩散(OED)机理本讲稿第四十二页，共六十三页 用锑代替硼的扩散实验表明，氧化区正下方锑的扩散结深小于保护区下方的扩散结深，说明在氧化过程中锑的扩散被阻滞。这是因为控制锑扩散的主要机制是空位。在氧化过程中，所产生的过剩间隙硅原子在向硅内扩散的同时，不断地与空位复合，使空位浓度减小，从而降低了锑的扩散速度。锑的氧化扩散阻滞本讲稿第四十三页，共六十三页3.4.4 发射区推进效应 在
24、npn窄基区晶体管制造中，如果基区和发射区分别扩硼和扩磷，则发现在发射区正下方(内基区)硼的扩散深度，大于不在发射区正下方(外基区)硼的扩散深度。称为发射区推进效应，或发射区下陷效应。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对发生分解所带来的复合效应。硼附近PV对的分解会增加空位的浓度，因而加快了硼的扩散速度。另一方面，在磷的扩散区的正下方，由于PV的分解，存在过剩的间隙Si原子，这些间隙Si原子与B相互作用增强了B的扩散。本讲稿第四十四页，共六十三页3.4.5 二维扩散 实际扩散过程中，杂质通过窗口以垂直硅表面扩散的同时，也将在窗口边缘附近的硅内进行平行表面的横向横向扩散扩散
25、。如果考虑二维扩散，并假定扩散系数与杂质浓度无关（低浓度），横向扩散与纵向扩散都近似以同样方式进行，如果衬底中杂质浓度是均匀的，对于恒定源扩散和有限源扩散两种情况下，硅内杂质浓度与表面浓度的比值曲线如图。由图中曲线可以看到，硅内浓度比表面浓度低两个数量级以上时，横向扩散的距离约为纵向扩散距离的75-85，这说明横向结的距离要比垂直结的距离小。如果是高浓度扩散情况，横向扩散的距离约为纵向扩散距离的65-70%。本讲稿第四十五页，共六十三页 由于横向扩散的存在，实际扩散区域要比二氧化硅窗口的尺寸大，其结果是硅内扩散区域之间的实际距离比由光刻版所确定的尺寸要小。图中L表示由光刻工艺所决定的两个区域之
26、间的距离，L表示实际距离，这种效应直接影响ULSI的集成度。本讲稿第四十六页，共六十三页3.5、扩散工艺 扩散的目的：向晶体中掺入一定数量的某种杂质，并且希望杂质按要求分布。扩散工艺分类：按原始杂质源在室温下的相态分类，可分为固态源扩散，液态源扩散和气态源扩散。本节讨论不同相态源的扩散系统和特点。本讲稿第四十七页，共六十三页3.5.1固态源扩散杂质源放在坩埚内，硅片插在石英舟中。坩埚与石英舟相距一定距离放在扩散炉管内，通过惰性气体把杂质源蒸气输运到硅片表面。在扩散温度杂质化合物与硅反应，生成单质杂质原子并向硅内扩散。温度对杂质浓度有着直接影响。1开管扩散本讲稿第四十八页，共六十三页优点：开管扩
27、散的重复性和稳定性都很好。两段炉温法：如果杂质源的蒸气压很高，一般采用两段炉温法，杂质源放在低温区，而杂质向硅内扩散是在高温区完成。片状杂质源：如果把固态源做成片状，其尺寸可与硅片相等或略大于硅片，源片和硅片相间并均匀的放在石英舟上，在扩散温度下，杂质源蒸气包围硅片并发生化学反应释放出杂质并向硅内扩散，这种方法本身并不需要携带气体，但为了防止逆扩散相污染，扩散过程中以一定流速通入氮气或氩气作为保护气体。本讲稿第四十九页，共六十三页2 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进行扩散。杂质源可以焙烧在箱盖的内壁，或者放在箱内，其源多为杂质的氧化物。为了保持箱内杂质源蒸
28、气压的恒定和防止杂质源大量外泄，要求箱子具有一定密封性。在高温下，杂质源的蒸气充满整个箱内空间，与硅表面反应，形成一层含有杂质的薄氧化层，杂质由氧化层直接向硅内扩散。箱法扩散的硅表面浓度基本由扩散温度下杂质在硅中的固溶度决定，均匀性较好。本讲稿第五十页，共六十三页3 涂源法扩散涂源法扩散：是把溶于溶剂中的杂质源直接涂在待扩散的硅片表面，在高温下由情性气体保护进行扩散。溶剂一般是聚乙烯醇，杂质源一般是杂质的氧化物或者是杂质的氧化物与惰性氧化物的混合物。当溶剂挥发之后就在硅表面形成一层杂质源。缺点：这种扩散方法的表面浓度很难控制，而且又不均匀。旋转涂源工艺：把硅片放在旋转盘上，再把溶于溶剂中的杂质
29、源涂在待扩散的硅片表面上，旋转盘以每分2500-5000转的速度旋转，在离心力的作用下，杂质源在硅表面形成几千埃厚的薄层，可得到比较均匀的掺杂层。这种方法只适合于对杂质浓度控制要求不高的器件制造。硅片表面上的杂质源也可以采用化学气相淀积法淀积，这种方法的均匀性、重复性都很好，还可以把片子排列很密，从而提高生产效率，其缺点是多了一道工序。本讲稿第五十一页，共六十三页3.5.2 液态源扩散携带气体(通常是氮气)通过源瓶，把杂质源蒸气带入扩散炉管内。载气除了通过携带杂质气体进入扩散炉内之外，还有一部分直接进入炉内，起稀释和控制浓度的作用。在液态源扩散中，为了保证稳定性和重复性，扩散时源温通常控制在0
30、。液态源扩散优点：系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性和均匀性都很好。扩散过程中应准确控制炉温、扩散时间、气体流量和源温等。源瓶的密封性要好，扩散系统不能漏气。本讲稿第五十二页，共六十三页3.5.3 气态源扩散进入扩散炉管内的气体，除气态杂质源外，有时还需通入稀释气体，或者是气态杂质源进行化学反应所需要的气体。气态杂质源多为杂质的氢化物或者卤化物，这些气体的毒性很大，且易燃易爆，操作上要十分小心。气态杂质源一般先在硅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。本讲稿第五十三页，共六十三页3.6、扩散工艺的发展一种掺杂剂从气相直接向硅中扩散、并能形成超浅结的快速掺杂工艺。利用
31、快速热处理过程(RTP)将处在掺杂气氛中的硅片快速均匀地加热至所需要的温度，同时掺杂剂发生反应产生杂质原子，杂质原子直接从气态转变为被硅表面吸附的固态，然后进行固相扩散，完成掺杂目的。同普通扩散炉中的掺杂不同，快速气相掺杂在硅片表面上并未形成含有杂质的玻璃层。3.6.1快速气相掺杂(RVD,Rapid Vapor-phase Doping)本讲稿第五十四页，共六十三页同离子注入相比(特别是在浅结的应用上)，RVD技术的潜在优势是：它并不受注入所带来的一些效应的影响，如：沟道效应、晶格损伤或使硅片带电。快速气相掺杂在ULSI工艺中得到广泛地应用，例如对DRAM中电容的掺杂，深沟侧墙的掺杂，甚至在
32、CMOS浅源漏结的制造中也采用快速气相掺杂技术。对于选择扩散来说，采用快速气相掺杂工艺仍需要掩膜。另外，快速气相掺杂仍然要在较高的温度下完成。杂质分布是非理想的指数形式，类似固态扩散，其峰值处于表面处。本讲稿第五十五页，共六十三页3.6.2 气体浸没激光掺杂(GILD:Gas Immersion Laser Doping)气体浸没激光掺杂：用准分子激光器(308nm)产生高能量密度(0.52.0J/cm2)的短脉冲(20-100ns)激光，照射处于气态源中的硅表面硅表面因吸收能量而变为液体层同时气态掺杂源由于热解或光解作用产生杂质原子通过液相扩散，杂质原子进入这个很薄的液体层，溶解在液体层中的
33、杂质扩散速度比在固体中高八个数量级以上，因而杂质快速并均匀地扩散到整个熔化层中。当激光照射停止后，已经掺有杂质的液体层通过固相外延转变为固态结晶体。由液体变为固态结晶体的速度非常快(3ms)。在结晶的同时，杂质也进入激活的晶格位置，不需要近一步退火过程，而且掺杂只发生在表面的一薄层内。本讲稿第五十六页，共六十三页 由于硅表面受高能激光照射的时间很短，而且能量又几乎都被表面吸收，硅体内仍处于低温状态，不会发生扩散现象，体内的杂质分布没有受到任何扰动。硅表面溶化层的深度由激光束的能量和脉冲时间所决定。因此，可根据需要控制激光能量密度和脉冲时间达到控制掺杂深度的目的。本讲稿第五十七页，共六十三页 如
34、图所示，在液体中杂质扩散速度非常快，杂质的分布也就非常均匀，因此可以形成陡峭的杂质分布形式。采用这种方法可以得到突变型杂质分布、超浅深度和极低的串联电阻。气体浸没激光掺杂技术对工艺作出了极大的简化，成功地应用于MOS和双极器件的制造中。本讲稿第五十八页，共六十三页1.薄层电阻的测量 薄层电阻(方块电阻)测量广泛采用四探针方法测试。电流经过外面两根探针测量，中间两根探针测量电压，由如下公式计算出电阻率：R=c V/I式中，c是修正因子。在待测样品远远大于探针间距时，c为固定值4.53。而样品较小时，则要查得相应的c值代入公式计算。3.7、与扩散有关的测量本讲稿第五十九页，共六十三页2.电阻率R与
35、P和B的杂质浓度关系霍尔效应测试仪电阻率载流子浓度本讲稿第六十页，共六十三页3.扩散结深的测量 扩散结深常用磨角染色法和磨槽染色法测量。如图所示。显结液如下：对PN结显示P区，用HF:HNO3:H2O=500:1:500，红外灯照射1min后，P区变暗；对PN结显示N区，用CuSO45H2O:HF:H2O=5g:2ml:50ml，红外线照10s，N区染上铜。本讲稿第六十一页，共六十三页4.杂质浓度分布的测量 杂质浓度分布可以用C-V法测量，它的原理是利用测得的电容与耗尽层的厚度有关，从而可以算出杂质浓度，如图示出了几种测量结构。本讲稿第六十二页，共六十三页1.描述菲克第一定律,给出扩散流密度的一维表达式,并说明杂质在半导体中的扩散系数与什么因素有关?2.杂质原子的扩散方式（两大类）3.简述两步扩散工艺过程及作用4.考虑Si中的点缺陷,说明B和P杂质在Si中的扩散机制.5.什么是氧化增强扩散?说明B和P的氧化增强扩散机理.6.扩散工艺分类及其特点7.什么是快速气相掺杂与气体浸没激光掺杂？说明他们各自的特点及二者的异同点。第三章作业第三章作业本讲稿第六十三页，共六十三页