晶閘管擴(kuò)散工藝...ppt

硅擴(kuò)散工藝 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 普通晶閘管結(jié)構(gòu) 四層三結(jié)三端電極n1基區(qū)較厚p1 p2區(qū)對(duì)稱 制作工藝 擴(kuò)散工藝 摻雜 摻雜是將所需要的雜質(zhì) 以一定的方式加入到半導(dǎo)體晶片內(nèi) 并使其在晶片中的數(shù)量和分布符合預(yù)定的要求 改變材料的導(dǎo)電能力 用途 利用摻雜技術(shù)可以制作PN結(jié) 歐姆接觸區(qū)等摻雜技術(shù)主要有 1 熱擴(kuò)散工藝 利用雜質(zhì)在高溫 800 下由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴(kuò)散來(lái)進(jìn)行硅的摻雜 2 離子注入 將雜質(zhì)轉(zhuǎn)換為高能離子的形式 直接注入進(jìn)硅 將雜質(zhì)轉(zhuǎn)換為高能離子的形式 直接注入到硅體內(nèi) 3 合金法4 中子嬗變法 雜質(zhì) n型 如P As Sb等 p型 如B Al Ga等 常規(guī)的擴(kuò)散系統(tǒng)與擴(kuò)散工藝 擴(kuò)散系統(tǒng) 氣態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng) 液態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng) 固態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng) 擴(kuò)散系統(tǒng) 1 氣態(tài)源擴(kuò)散氣態(tài)雜質(zhì)首先在硅片表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng) 生成摻雜氧化層 雜質(zhì)再由氧化層向硅中擴(kuò)散 氣態(tài)雜質(zhì)源 B2H6 PH3 AsH3運(yùn)載 稀釋氣體 氮?dú)?N2 氬氣 Ar2 反應(yīng)所需氣體 氧氣 O2 2 液態(tài)源擴(kuò)散氣體通過(guò)源瓶把雜質(zhì)源 化合物 蒸汽帶入擴(kuò)散管內(nèi) 在高溫下雜質(zhì)化合物先分解產(chǎn)生雜質(zhì)的氧化物 氧化物再與硅反應(yīng)擴(kuò)散 液態(tài)源 POCl3 BBr3 AsCl3 B CH3O 3 B CH3CH2CH2O 2 擴(kuò)散系統(tǒng) 3 固態(tài)源擴(kuò)散固態(tài)雜質(zhì)源 P2O5 As2O3 BN Al Ga運(yùn)載 稀釋氣體 氮?dú)?N2 氬氣 Ar2 固態(tài)源為雜質(zhì)氧化物或其他化合物 以雜質(zhì)化合物的形式進(jìn)行擴(kuò)散的方式要采用輔助方式解決化合物高溫分解后對(duì)硅片產(chǎn)生的不良影響 固體中的熱擴(kuò)散現(xiàn)象 1 擴(kuò)散機(jī)構(gòu) 間隙式擴(kuò)散和替位式擴(kuò)散 2 擴(kuò)散現(xiàn)象的本質(zhì)粒子流密度 在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的粒子個(gè)數(shù) 1 cm2 s 流密度由濃度差引起的 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 固體中的熱擴(kuò)散現(xiàn)象 微觀上 每個(gè)雜質(zhì)粒子 如獲得能量 總是向臨近的位置跳躍 擴(kuò)散就是大量粒子作無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果 宏觀上 大量粒子在一定條件下 如濃度差 總是由其濃度高的地方往濃度低的地方遷移 3 擴(kuò)散系數(shù)物理含義 表示粒子擴(kuò)散快慢的物理量 決定因素 Ea 擴(kuò)散所需的激活能 表示躍遷的難易 決定了擴(kuò)散的快慢 T 溫度 D D 稱為頻率因子或表觀擴(kuò)散系數(shù) 影響因素 場(chǎng)助效應(yīng) 荷電空位效應(yīng) 雜質(zhì)濃度等 lnD 1 T的關(guān)系 擴(kuò)散主要參數(shù) 1 表面處濃度及次表面濃度表面濃度是擴(kuò)散層表面的雜質(zhì)濃度次表面濃度是硅片幾何表面內(nèi)某一地方的雜質(zhì)濃度這兩個(gè)雜質(zhì)濃度可以通過(guò)計(jì)算平均電導(dǎo)率 查依爾芬曲線得到2 雜質(zhì)劑量Q0Q0指擴(kuò)入單位面積硅中的雜質(zhì)總數(shù) cm 2 3 方塊電阻R 薄層電阻RS 對(duì)正方形擴(kuò)散層 長(zhǎng)和寬分別為一個(gè)單位長(zhǎng)度 結(jié)深為xj的擴(kuò)散層電阻 與擴(kuò)散入硅中的雜質(zhì)總量Q成反比 擴(kuò)散主要參數(shù) 4 結(jié)深xj若擴(kuò)散雜質(zhì)與本底雜質(zhì)導(dǎo)電類型相反 則在C x 等于襯底雜質(zhì)濃度 CB 處就形成 結(jié) 它到表面的距離即為結(jié)深 擴(kuò)散時(shí)間估算方式 a 結(jié)深變化 b 電阻率變化 c 溫度變化 雜質(zhì)分布及其與實(shí)際擴(kuò)散行為的差異 雜質(zhì)濃度分布因雜質(zhì)的擴(kuò)散方式不同而不同 在微電子器件制造中的擴(kuò)散主要有以下幾種方式 1 恒定表面源擴(kuò)散 在擴(kuò)散過(guò)程中 硅片表面的雜質(zhì)濃度C始終保持不變 2 有限表面源擴(kuò)散 在擴(kuò)散過(guò)程中 雜質(zhì)源僅限于擴(kuò)散前淀積到表面薄層內(nèi)的雜質(zhì) 這些雜質(zhì)將全部擴(kuò)入硅片內(nèi)部 3 兩步擴(kuò)散 第一步采用恒定表面源擴(kuò)散方式 第二步采用有限表面源擴(kuò)散方式 4 固 固擴(kuò)散 恒定表面源擴(kuò)散 擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布為余誤差函數(shù)分布 特點(diǎn) 其表面濃度等于在該擴(kuò)散溫度下雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的固溶度 是T的函數(shù) 在溫度的不斷增加中有一個(gè)峰值 固溶度是指在一定溫度下雜質(zhì)能溶入固體中的最大濃度 溫度不變時(shí) 整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中 Cs保持不變 Q0隨t 不斷增加 結(jié)深不斷加深 缺點(diǎn) 采用固態(tài)源和液態(tài)源預(yù)淀積時(shí) Q0大易產(chǎn)生雜質(zhì)沉積和缺陷 雜質(zhì)的表面濃度Cs保持不變 不能滿足實(shí)際需要 工藝舉例 真空閉管擴(kuò)散 預(yù)沉積擴(kuò)散 涂層擴(kuò)散等 有限表面源擴(kuò)散 有限表面源擴(kuò)散在硅片內(nèi)形成的雜質(zhì)分布為高斯分布 雜質(zhì)濃度梯度隨時(shí)間或溫度的增加而減小 曲線變緩 兩步擴(kuò)散 第一步 采用恒定表面源擴(kuò)散方式 在硅片表面淀積一定數(shù)量的雜質(zhì)原子 稱預(yù)擴(kuò)散或預(yù)沉積 特征 溫度較低 時(shí)間較短 第二步 采用有限表面源擴(kuò)散方式 把淀積好的硅片放入較高溫的爐中推進(jìn) 使表面濃度和結(jié)深達(dá)到要求為止 稱再分布或主擴(kuò)散 推進(jìn) 特征 溫度較高 時(shí)間較長(zhǎng) 能很好地解決Cs xj與擴(kuò)散溫度 時(shí)間之間的矛盾 可以控制表面濃度和結(jié)深 較高Cs 較深xj 固 固擴(kuò)散 低溫下利用CVD技術(shù)或膠體涂布的方法 在硅片表面淀積一層含有一定雜質(zhì)濃度的固體薄膜 然后以此為摻雜劑 在高溫下進(jìn)行擴(kuò)散 從而達(dá)到摻雜的目的 只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)氧化層中的雜質(zhì)濃度 通過(guò)一次擴(kuò)散就可以獲得任意低的表面雜質(zhì)濃度 克服了兩步擴(kuò)散的缺點(diǎn) 理論分布與實(shí)際分布的差異 實(shí)際擴(kuò)散是比較復(fù)雜的 不一定嚴(yán)格遵守某種形式的擴(kuò)散 但往往是比較接近于某種分布 因此 可在足夠精確的程度上采用某種分布來(lái)近似分析 同時(shí) 由于擴(kuò)散模型本身作了理想化的假設(shè) 并忽略了實(shí)際擴(kuò)散過(guò)程中的各種效應(yīng) 因此 實(shí)際分布通常偏離理論分布 1 模型的偏離 模型的假設(shè)2 場(chǎng)助效應(yīng) 內(nèi)建電場(chǎng)的作用3 荷電空位效應(yīng) 缺陷對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散的影響4 陷落效應(yīng) 雜質(zhì)的相互作用5 氧化對(duì)擴(kuò)散的影響 氧化增強(qiáng)擴(kuò)散和雜質(zhì)分凝6 橫向擴(kuò)散 或二維擴(kuò)散 擴(kuò)散窗口的理想化 理論分布與實(shí)際分布的差異 1 預(yù)沉積過(guò)程中 基片在剛開(kāi)始時(shí)是沒(méi)有雜質(zhì)的 即 當(dāng)t 0 t 0時(shí) C t 0 由0 Cs有一個(gè)建立的過(guò)程 而理論上是保持不變的2 對(duì)實(shí)際氧化氣氛下的有限源擴(kuò)散 由于Si表面存在雜質(zhì)的濃度梯度及雜質(zhì)的分凝 所以雜質(zhì)濃度分布并不完全滿足高斯分布 理論分布與實(shí)際分布的差異 場(chǎng)助效應(yīng) 在高溫下 雜質(zhì)原子處于離化狀態(tài) 離化出來(lái)的載流子與失去載流子的雜質(zhì)離子都向濃度低的方向擴(kuò)散 由于載流子的運(yùn)動(dòng)速度一般比雜質(zhì)快 結(jié)果在兩者之間就建立起局部?jī)?nèi)建電場(chǎng) 該電場(chǎng)抑制載流子擴(kuò)散 促進(jìn)雜質(zhì)離子擴(kuò)散 總效果是加強(qiáng)了雜質(zhì)向晶片內(nèi)部的擴(kuò)散 理論分布與實(shí)際分布的差異 荷電空位效應(yīng)硅中的替位式雜質(zhì) 如B P As Sb等 借助于空位而擴(kuò)散 這些電活性雜質(zhì)進(jìn)入硅中會(huì)使空位被激活而帶電 如中性空位獲得電子后帶負(fù)電 起受主作用 這些帶電空位會(huì)與雜質(zhì)相互作用 導(dǎo)致雜質(zhì)擴(kuò)散加強(qiáng) 除了場(chǎng)助效應(yīng) 荷電空位效應(yīng)對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響外 凡是能引起自由載流子 n p 和本征載流子濃度 ni 發(fā)生變化的因素 如雜質(zhì)濃度 應(yīng)力效應(yīng) 結(jié)團(tuán)效應(yīng) 缺陷等都會(huì)影響到擴(kuò)散系數(shù) 從而影響雜質(zhì)分布 發(fā)射極的陷落效應(yīng)發(fā)射區(qū)高濃度擴(kuò)散時(shí) 基區(qū)雜質(zhì)的繼續(xù)擴(kuò)散受到發(fā)射區(qū)雜質(zhì)的影響 使發(fā)射區(qū)正下方的集電結(jié)發(fā)生陷落的現(xiàn)象 陷落效應(yīng)形成原因 磷擴(kuò)散時(shí)產(chǎn)生了大量的過(guò)剩的間隙硅原子 它與B原子相互作用 增強(qiáng)了B擴(kuò)散 磷與硅中的空位相互作用 形成雜質(zhì) 空位 P V 對(duì) P V 對(duì)分解時(shí)提供的空位 能擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)處 在增強(qiáng)P擴(kuò)散同時(shí) 也增強(qiáng)B擴(kuò)散 理論分布與實(shí)際分布的差異 硼 氧化層下方硼擴(kuò)散結(jié)深增加 氧化增強(qiáng)擴(kuò)散雜質(zhì)B通過(guò)雙擴(kuò)散機(jī)制 即空位 間隙 兩種方式進(jìn)行擴(kuò)散 在硅 二氧化硅界面存在過(guò)剩的間隙硅原子 間隙硅與替位硼雜質(zhì)相互作用 使得B以替位 間隙交替方式運(yùn)動(dòng) 其擴(kuò)散速度比單純的替位 替位要快 磷與硼相似橫向擴(kuò)散指靠近窗口邊緣的區(qū)域 除了垂直于表面的擴(kuò)散作用外 還有平行于表面的擴(kuò)散 屬于二維擴(kuò)散 考慮橫向擴(kuò)散后 必須求解二維的 D為常系數(shù) 擴(kuò)散方程 所以 應(yīng)采用二維情況來(lái)描述雜質(zhì)濃度分布 橫向擴(kuò)散模型 假設(shè) 擴(kuò)散窗口是理想的 邊緣陡直 且雜質(zhì)只能由裸露的窗口擴(kuò)入硅中 窗口形狀是長(zhǎng)條狀寬矩形 即Wd xj 擴(kuò)散系數(shù)D與雜質(zhì)濃度C無(wú)關(guān) 理論分布與實(shí)際分布的差異 兩種典型擴(kuò)散的雜質(zhì)分布及主要參數(shù) 兩步擴(kuò)散的雜質(zhì)分布及主要參數(shù) 常見(jiàn)擴(kuò)散質(zhì)量問(wèn)題分析 1 表面合金點(diǎn) 在顯微鏡下觀察 前者是一些黑色的小圓點(diǎn)由于有過(guò)多的雜質(zhì)原子堆積在一起與硅片生成合金點(diǎn) 是一種玻璃體結(jié)構(gòu) 形成表面合金點(diǎn)的主要原因是表面濃度過(guò)高 A 合金點(diǎn)引起加速擴(kuò)散而導(dǎo)致結(jié)面不平整 使PN結(jié)低擊穿或 分段擊穿 B 由于合金點(diǎn)處不容易生長(zhǎng)氧化膜而形成氧化層針孔 通常是由下述原因引起的 1 預(yù)擴(kuò)時(shí)攜帶源的氣體流量過(guò)大 如預(yù)擴(kuò)時(shí)源的濃度過(guò)高 液態(tài)源通的氣體流量過(guò)大或在通氣時(shí)發(fā)生氣體流量過(guò)沖 2 源溫度過(guò)高 使擴(kuò)散源的蒸汽壓過(guò)大 3 源的純度不高 含有雜質(zhì)或水分 4 預(yù)擴(kuò)時(shí)擴(kuò)散溫度過(guò)高 時(shí)間太長(zhǎng) 為了改善高濃度擴(kuò)散的表面 常在濃度較高的預(yù)擴(kuò)氣氛中加一點(diǎn)氯氣 防止合金點(diǎn)產(chǎn)生 常見(jiàn)擴(kuò)散質(zhì)量問(wèn)題分析 2 表面黑點(diǎn)或白霧一般在顯微鏡下觀察是密布的小黑點(diǎn) 在聚光燈下看是或濃或淡的白霧 這種現(xiàn)象大多發(fā)生在液態(tài)源磷擴(kuò)散 因?yàn)榱讛U(kuò)散時(shí)雜質(zhì)濃度過(guò)高及石英管中存在偏磷酸 在擴(kuò)散時(shí)會(huì)有大量煙霧噴射到硅片表面 在快速冷卻過(guò)程中 就產(chǎn)生了白霧 這些白霧使得光刻膠和硅片粘附不好 同樣會(huì)產(chǎn)生浮膠或鉆蝕現(xiàn)象 解決的辦法是控制好擴(kuò)散溫度 不要擴(kuò)散的太濃 冷卻時(shí)要慢 因此源瓶溫度很重要 另通氧氣量直接影響偏磷酸量 需關(guān)注 另外產(chǎn)生的原因主要還有有以下幾種 1 硅片表面清晰不良 有殘留的酸性水汽 2 純水或化學(xué)試劑過(guò)濾孔徑過(guò)大 使純水或化學(xué)試劑中含有大量的懸浮小顆粒 肉眼觀察不出 3 預(yù)擴(kuò)氣體中含有水分 4 擴(kuò)散N2中含有水分 5 硅片在擴(kuò)散前暴露在空氣中時(shí)間過(guò)長(zhǎng) 表面吸附酸性氣體 常見(jiàn)擴(kuò)散質(zhì)量問(wèn)題分析 3 表面凸起物主要是由較大粒徑的顆粒污染經(jīng)過(guò)高溫處理后形成的 如灰塵 頭屑 纖維等落在硅片表面 或石英管內(nèi)的粉塵 硅屑等在進(jìn) 出濺到硅片表面 表面凸起物一般在日光燈下用肉眼可以看到 4 表面氧化層顏色不一致通常是預(yù)擴(kuò)時(shí)氧化層厚度不均勻 有時(shí)也可能是擴(kuò)散時(shí)氣體管路泄露引起氣流紊亂或氣體含有雜質(zhì) 使擴(kuò)散過(guò)程中生長(zhǎng)的氧化層不均勻 造成氧化層表面發(fā)花 常見(jiàn)擴(kuò)散質(zhì)量問(wèn)題分析 5 硅片表面滑移線或硅片彎曲這是由硅片在高溫下的熱效應(yīng)引起的 一般是由于進(jìn) 出舟速度過(guò)快 硅片間隔太小或石英舟開(kāi)槽不合適等引起的 6 硅片表面劃傷 邊緣缺損或硅片開(kāi)裂通常是由于操作不當(dāng)造成的 也有石英舟制作不良的因素 放片子的槽不在同一平面上或槽開(kāi)得太窄 卡片子等 常見(jiàn)擴(kuò)散質(zhì)量問(wèn)題分析 7 薄層電阻偏差 a 擴(kuò)散爐溫失控或不穩(wěn)定 b 預(yù)擴(kuò)時(shí)氣體流量不穩(wěn)定或溫度不穩(wěn)定 c 預(yù)擴(kuò)或在擴(kuò)散時(shí)氣體管路泄露或氣體含有雜質(zhì) d 光刻腐蝕后有殘留氧化膜或在清洗過(guò)程中產(chǎn)生較厚的自然氧化膜阻礙了雜質(zhì)擴(kuò)散 e 擴(kuò)散過(guò)程中設(shè)備的故障 誤動(dòng)作或操作人員的操作不當(dāng) 常見(jiàn)擴(kuò)散質(zhì)量問(wèn)題分析 8 漏電流大a 表面沾污 主要是重金屬離子和堿金屬離子 引起的表面漏電 b Si SiO2界面的正電荷 如鈉離子 氧空位及截面態(tài)等引起的表面溝道效應(yīng) 在P型區(qū)形成反型層或耗盡層 造成漏電流偏大 c 氧化層缺陷 如針孔等 破壞了氧化層在雜質(zhì)擴(kuò)散時(shí)的掩蔽作用d 硅片的缺陷引起雜質(zhì)擴(kuò)散時(shí)產(chǎn)生管道穿通擊穿 e 隔離擴(kuò)散深度和濃度不夠造成隔離島間漏電流大 嚴(yán)重時(shí)穿通 f 基區(qū)擴(kuò)散前有殘留氧化膜或基區(qū)擴(kuò)散濃度偏低 在擴(kuò)散后表現(xiàn)為基區(qū)寬度小 反向擊穿電壓低 漏電流大 常見(jiàn)擴(kuò)散質(zhì)量問(wèn)題分析 9 擴(kuò)散的均勻性和重復(fù)性在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)同一爐擴(kuò)散出來(lái)的硅片其薄層電阻相差特大 特別是在低濃度擴(kuò)散時(shí)更為明顯 這就是擴(kuò)散的均勻性問(wèn)題 當(dāng)用同樣的條件進(jìn)行擴(kuò)散時(shí) 發(fā)現(xiàn)各次擴(kuò)散的結(jié)果有差異 這就是擴(kuò)散的重復(fù)性問(wèn)題 1 不均勻主要原因 a 首先是襯底材料本身存在著差異 b 恒溫區(qū)有變化或太短 如果恒溫區(qū)短 會(huì)使石英舟各處溫度有差異 從而造成擴(kuò)散結(jié)果不均勻 如果恒溫區(qū)變化未及時(shí)調(diào)整 同樣會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題 因此 在生產(chǎn)上是經(jīng)常測(cè)量恒溫區(qū)的 并且恒溫區(qū)制的特別長(zhǎng) c 雜質(zhì)蒸汽壓的影