微電子工藝(4) - PRINT

1、第第5 5章章 擴(kuò)散擴(kuò)散微電子工藝微電子工藝441第第5 5章章 擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散是微電子工藝中最基本的平面工藝之一，擴(kuò)散是微電子工藝中最基本的平面工藝之一，是在是在約約10001000的高溫、的高溫、p p或或n n型型雜質(zhì)雜質(zhì)氣氛中，氣氛中，使雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，達(dá)到一使雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，達(dá)到一定濃度，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體定濃度，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體定域、定量摻雜定域、定量摻雜的一種工的一種工藝方法，也稱為熱擴(kuò)散。藝方法，也稱為熱擴(kuò)散。 目的是通過目的是通過定域定域、定量定量擴(kuò)散摻雜改變半導(dǎo)體導(dǎo)擴(kuò)散摻雜改變半導(dǎo)體導(dǎo)電類型，電阻率，或形成電類型，電阻率，或形成PNPN結(jié)。結(jié)。2內(nèi)容題要內(nèi)容

2、題要5.15.1 擴(kuò)散機(jī)構(gòu)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)5.25.2 晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動(dòng)力學(xué)方程晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動(dòng)力學(xué)方程 5.35.3 雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜5.45.4 熱擴(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素?zé)釘U(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素5.55.5 擴(kuò)散工藝條件與方法擴(kuò)散工藝條件與方法5.6 5.6 擴(kuò)散工藝質(zhì)量與檢測(cè)擴(kuò)散工藝質(zhì)量與檢測(cè)5.7 擴(kuò)散工藝的發(fā)展擴(kuò)散工藝的發(fā)展35.1 5.1 擴(kuò)散機(jī)構(gòu)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)擴(kuò)散本質(zhì)上是物質(zhì)內(nèi)擴(kuò)散本質(zhì)上是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)（指各種微觀粒子）運(yùn)動(dòng)的基本（指各種微觀粒子）運(yùn)動(dòng)的基本方式，當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，任何物系內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)都在作方式，當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，任何

3、物系內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)都在作熱運(yùn)動(dòng)，熱運(yùn)動(dòng)，溫度溫度越高，熱運(yùn)動(dòng)越激烈，擴(kuò)散現(xiàn)象越嚴(yán)重。越高，熱運(yùn)動(dòng)越激烈，擴(kuò)散現(xiàn)象越嚴(yán)重。晶體擴(kuò)散是通過微觀粒子一系列隨機(jī)跳躍來實(shí)現(xiàn)的，這些晶體擴(kuò)散是通過微觀粒子一系列隨機(jī)跳躍來實(shí)現(xiàn)的，這些跳躍在整個(gè)三維方向進(jìn)行，主要有三種方式：跳躍在整個(gè)三維方向進(jìn)行，主要有三種方式：5.1.1替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散5.1.2間隙式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散5.1.3 間隙間隙替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散45.1.1 替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散 硅中替位式擴(kuò)散硅中替位式擴(kuò)散雜質(zhì)雜質(zhì)：As， Al，Ga，Sb，Ge替位原子的運(yùn)動(dòng)一般替位原子的運(yùn)動(dòng)一般是以近鄰處有空位為是以近鄰處有空位為前提前提B B，P P一般作為

4、替代式一般作為替代式擴(kuò)散雜質(zhì)，實(shí)際情況擴(kuò)散雜質(zhì)，實(shí)際情況更復(fù)雜，是推替式擴(kuò)更復(fù)雜，是推替式擴(kuò)散散替位式擴(kuò)散速率慢替位式擴(kuò)散速率慢5硅中替位式擴(kuò)散（硅中替位式擴(kuò)散（substitutional）示意）示意5.1.1 替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散 )/kTW(WvsevP0 產(chǎn)生替位式擴(kuò)散必需存在空位，產(chǎn)生替位式擴(kuò)散必需存在空位， 晶體中空位平衡濃度相當(dāng)?shù)途w中空位平衡濃度相當(dāng)?shù)?室溫下，替位式擴(kuò)散跳躍率約每室溫下，替位式擴(kuò)散跳躍率約每1045年一次年一次空位濃度空位濃度kTWvNen/Ws6/kTWeNn:各點(diǎn)出現(xiàn)空位概率/kTWssevW0:概率壘雜質(zhì)依靠熱張落跳過勢(shì)跳躍率：跳躍率：5.1kT:平均振

5、動(dòng)能，室溫時(shí)為平均振動(dòng)能，室溫時(shí)為0.026eVv0：振動(dòng)頻率，振動(dòng)頻率，1013-1014/seV43 svWW晶體中間隙式擴(kuò)散（晶體中間隙式擴(kuò)散（interstitial）示意）示意硅中填（間）隙式擴(kuò)硅中填（間）隙式擴(kuò)散雜質(zhì)主要是堿金屬散雜質(zhì)主要是堿金屬和過渡元素，如：和過渡元素，如：O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg填（間）隙式擴(kuò)散速填（間）隙式擴(kuò)散速率快率快5.1.2 間隙式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散75.1.2 間隙式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散Wi=0.6-1.2eV8 按照玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，獲得大按照玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，獲得大于于Wi的幾率正比于的幾率正比于exp(-WikT)kTWievP/0i跳躍率

6、：跳躍率：5.1室溫下，室溫下， Pi約每分鐘一次。約每分鐘一次。在擴(kuò)散溫度（如在擴(kuò)散溫度（如1200）kT=0.13eV 跳躍率顯著提高。跳躍率顯著提高。跳躍率表征的是單位時(shí)間有效跳躍率表征的是單位時(shí)間有效跳躍次數(shù)跳躍次數(shù)5.1.3 間隙間隙-替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散許多雜質(zhì)即可以是替位式也可以是間隙式溶于晶體許多雜質(zhì)即可以是替位式也可以是間隙式溶于晶體的晶格中，并以的晶格中，并以間隙間隙-替位替位方式擴(kuò)散。方式擴(kuò)散。這類擴(kuò)散雜質(zhì)的跳躍率隨這類擴(kuò)散雜質(zhì)的跳躍率隨空位空位和和自間隙自間隙等缺陷的濃等缺陷的濃度增加而迅速增加。度增加而迅速增加。Si中大多數(shù)過度元素：中大多數(shù)過度元素：Au、Fe、Cu

7、、Pt、Ni、Ag等以等以間隙間隙-替位替位方式擴(kuò)散，如方式擴(kuò)散，如Au在在Si中中90%有電活有電活性性比替位式擴(kuò)散快比替位式擴(kuò)散快5-6個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)95.2 5.2 晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動(dòng)力學(xué)方程晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動(dòng)力學(xué)方程質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)可在三維任一方向，自由程取決于最近鄰質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)可在三維任一方向，自由程取決于最近鄰質(zhì)點(diǎn)流體質(zhì)點(diǎn)間相距遠(yuǎn)、互作用小，擴(kuò)散速率大，各向同性流體質(zhì)點(diǎn)間相距遠(yuǎn)、互作用小，擴(kuò)散速率大，各向同性固體中質(zhì)點(diǎn)間相距近、互作用大，所有質(zhì)點(diǎn)均受束縛，在固體中質(zhì)點(diǎn)間相距近、互作用大，所有質(zhì)點(diǎn)均受束縛，在三維勢(shì)阱中，明顯的質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散常開始于較高的溫度三維勢(shì)阱中，明

8、顯的質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散常開始于較高的溫度晶體中粒子（原子或離子）以一定的對(duì)稱性和周期性排列，晶體中粒子（原子或離子）以一定的對(duì)稱性和周期性排列，限制著它每一步遷移的方向和自由程。限制著它每一步遷移的方向和自由程。溫度的高低，粒子的大小、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷濃度和粒子運(yùn)溫度的高低，粒子的大小、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷濃度和粒子運(yùn)動(dòng)方式是決定擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的重要因素動(dòng)方式是決定擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的重要因素105.2.2 擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程在單位時(shí)間內(nèi)通過在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向垂直于擴(kuò)散方向的的單位面積單位面積上的擴(kuò)散物質(zhì)流上的擴(kuò)散物質(zhì)流量為量為擴(kuò)散通量擴(kuò)散通量（Diffusion flux，kg / m2 s），用），用J J表示。

9、表示。擴(kuò)散通量擴(kuò)散通量與其截面處的濃度梯度成正比。與其截面處的濃度梯度成正比。 比例系數(shù)比例系數(shù)D定義為雜質(zhì)在襯底中的定義為雜質(zhì)在襯底中的擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)。1、Fick第一定律第一定律C( ,t)( , )xJ x tDx “” 表示粒子從高濃度表示粒子從高濃度向低濃度擴(kuò)散，即逆濃度向低濃度擴(kuò)散，即逆濃度梯度方向擴(kuò)散梯度方向擴(kuò)散11當(dāng)擴(kuò)散處于非穩(wěn)態(tài)，即各點(diǎn)的濃度隨時(shí)間而改當(dāng)擴(kuò)散處于非穩(wěn)態(tài)，即各點(diǎn)的濃度隨時(shí)間而改變時(shí)，利用第一定律不容易求出變時(shí)，利用第一定律不容易求出J。 通常的擴(kuò)散過程大都是非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，為便于求通常的擴(kuò)散過程大都是非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，為便于求出出J，還要從物質(zhì)的平衡關(guān)系著手，建立第二個(gè)

10、，還要從物質(zhì)的平衡關(guān)系著手，建立第二個(gè)微分方程式。微分方程式。討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系，又稱討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系，又稱Fick第二定律。第二定律。 122、Fick第二定律第二定律dxJ1J2Ax x+dxJ1，J2分別為流入、流出該體分別為流入、流出該體積元的雜質(zhì)流量積元的雜質(zhì)流量21JJJxxC( ,t)xJtx 22C( ,t)C( ,t)xxDtx在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，在在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，在x處，雜質(zhì)原子濃度隨擴(kuò)散時(shí)間處，雜質(zhì)原子濃度隨擴(kuò)散時(shí)間t的變化率的變化率 如果擴(kuò)散系數(shù)如果擴(kuò)散系數(shù)D與濃度無關(guān)，則由與濃度無關(guān)，則由Fick第一定律可得：第一定律可得：假設(shè)一

11、段具有均勻橫截面假設(shè)一段具有均勻橫截面A的長(zhǎng)方條材料，考慮其中長(zhǎng)度為的長(zhǎng)方條材料，考慮其中長(zhǎng)度為dx的一小段的一小段體積體積則流入、流出該段體積的流量差為：則流入、流出該段體積的流量差為：132、Fick第二定律第二定律5.2.3 5.2.3 擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)D0為表觀擴(kuò)散系數(shù)；為表觀擴(kuò)散系數(shù)；Ea為擴(kuò)散激為擴(kuò)散激活能活能vP,taxaC2vP,taxaC2擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)(Diffusion coefficient)D是描述擴(kuò)散速度的重要物理量，它是描述擴(kuò)散速度的重要物理量，它相當(dāng)于濃度梯度為相當(dāng)于濃度梯度為1時(shí)的擴(kuò)散通量時(shí)的擴(kuò)散通量 。（以替位式擴(kuò)散推導(dǎo)）（以替位式擴(kuò)散推導(dǎo)）14xtxCP

12、aaP,taxCaP,taxCtxJvvv),(22),(2kTWWvsvevaPaD)(022kTEDDaexp0020vaD 在低濃度下在低濃度下硅和砷化鎵硅和砷化鎵中各種摻雜中各種摻雜劑雜質(zhì)的實(shí)劑雜質(zhì)的實(shí)測(cè)擴(kuò)散系數(shù)測(cè)擴(kuò)散系數(shù) 15快擴(kuò)散快擴(kuò)散雜質(zhì)雜質(zhì)慢擴(kuò)散慢擴(kuò)散雜質(zhì)雜質(zhì)一些雜質(zhì)在硅一些雜質(zhì)在硅111111面中的擴(kuò)散系數(shù)面中的擴(kuò)散系數(shù)16第九次課問題第九次課問題摻氯氧化工藝對(duì)提高氧化膜質(zhì)量有哪些作用？摻氯氧化工藝對(duì)提高氧化膜質(zhì)量有哪些作用？氧化層中出現(xiàn)固定電荷的機(jī)理，從工藝上如何能使氧化層中出現(xiàn)固定電荷的機(jī)理，從工藝上如何能使之降低之降低 ？擴(kuò)散機(jī)構(gòu)有哪幾種？擴(kuò)散機(jī)構(gòu)有哪幾種？給出主要的快

13、擴(kuò)散雜質(zhì)和慢擴(kuò)散雜質(zhì)。給出主要的快擴(kuò)散雜質(zhì)和慢擴(kuò)散雜質(zhì)。給出由給出由FickFick定律導(dǎo)出的擴(kuò)散方程。定律導(dǎo)出的擴(kuò)散方程。175.35.3雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝是要將具有是要將具有電活性電活性的雜質(zhì)，在一定的雜質(zhì)，在一定溫度溫度，以一定以一定速率速率擴(kuò)散到襯底硅的特定位置，得到所需擴(kuò)散到襯底硅的特定位置，得到所需的的摻雜濃度摻雜濃度以及以及摻雜類型摻雜類型。 5.3.1 5.3.1 恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散5.3.2 5.3.2 限定表面源擴(kuò)散限定表面源擴(kuò)散 5.3.3 5.3.3 兩部擴(kuò)散工藝兩部擴(kuò)散工藝185.3.1 恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散恒定恒定( (表

14、面表面) )源源是指在擴(kuò)散過程中，硅片表面的雜質(zhì)濃是指在擴(kuò)散過程中，硅片表面的雜質(zhì)濃度始終是保持不變的。度始終是保持不變的。硅一直處于雜質(zhì)氛圍中，硅片硅一直處于雜質(zhì)氛圍中，硅片表面達(dá)到了該擴(kuò)散溫度的固溶度表面達(dá)到了該擴(kuò)散溫度的固溶度Cs。解擴(kuò)散方程，得出解擴(kuò)散方程，得出擴(kuò)散工藝重要的工藝參數(shù)，包括：擴(kuò)散工藝重要的工藝參數(shù)，包括： 雜質(zhì)的分布雜質(zhì)的分布 表面濃度表面濃度 結(jié)深結(jié)深 摻入雜質(zhì)總量摻入雜質(zhì)總量19解恒定源擴(kuò)散方程：解恒定源擴(kuò)散方程：初始條件為：初始條件為：C(x，0)=0，x0邊界條件為：邊界條件為：C(0，t)=Cs C(，t)= 0恒定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布為：恒定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布

15、為：2022),(),(xtxCDttxC2sxC x,tC erfcDtxCBCsxj1 xj2 xj3C(x,t)t1t2t30t3t2t1erfc(y)-稱為余誤差函數(shù)。稱為余誤差函數(shù)。恒定源擴(kuò)散的解恒定源擴(kuò)散的解恒定源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度服從恒定源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度服從余誤差分布余誤差分布延長(zhǎng)擴(kuò)散時(shí)間：延長(zhǎng)擴(kuò)散時(shí)間： 表面雜質(zhì)濃度不變，為表面雜質(zhì)濃度不變，為Cs； 結(jié)深增加；結(jié)深增加； 擴(kuò)入雜質(zhì)總量增加；擴(kuò)入雜質(zhì)總量增加； 雜質(zhì)濃度梯度減小。雜質(zhì)濃度梯度減小。DtADtsCCerfc2jxB14DtxeDtsCx,txC(x,t)Dts1.13C0Dts2Cdxx,tCQ2結(jié)深結(jié)深雜質(zhì)總量雜質(zhì)總量雜

16、質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度21余誤差函數(shù)22xdexerf022)(xdexerfxerfc22)(1)(誤差函數(shù)（也稱之為高斯誤差函數(shù)）是一個(gè)非基本函數(shù)，在誤差函數(shù)（也稱之為高斯誤差函數(shù)）是一個(gè)非基本函數(shù)，在概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)以及偏微分方程中都有廣泛的應(yīng)用。自變量概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)以及偏微分方程中都有廣泛的應(yīng)用。自變量為為x的誤差函數(shù)定義為：的誤差函數(shù)定義為：且有erf（）=1和erf(-x)=-erf(x)，則余誤差函數(shù)erfc（x）定義為：5.3.2 5.3.2 限定表面源擴(kuò)散限定表面源擴(kuò)散 指雜質(zhì)源在擴(kuò)散前積累于硅片表面指雜質(zhì)源在擴(kuò)散前積累于硅片表面薄層薄層內(nèi)，內(nèi)， Q為為單位面積雜質(zhì)總量單位面積

17、雜質(zhì)總量解擴(kuò)散方程：解擴(kuò)散方程：邊界條件邊界條件: C(x,0)=Q/ , 0 x000 ,CQdxx2322),(),(xtxCDttxC0, 0C0 xxxXC(x,t)CB0 解限定源擴(kuò)散方程解限定源擴(kuò)散方程DtQCs雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度:雜質(zhì)表面濃度雜質(zhì)表面濃度:結(jié)深結(jié)深:24雜質(zhì)分布雜質(zhì)分布:DtxeDtQtxC42,XXj1 Xj2 Xj3CsCsCs”t1t2t3C(x,t)CB0 t3t2t1高斯高斯函數(shù)函數(shù))()()(x,tC2Dtxx,txx,tCDtADtxBsj21CCln2有限源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度是一種高斯函數(shù)分布。有限源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度是一種高斯函數(shù)分布。延長(zhǎng)擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)

18、擴(kuò)散時(shí)間( (提高擴(kuò)散溫度提高擴(kuò)散溫度T T ) )： 雜質(zhì)表面濃雜質(zhì)表面濃度迅速減??；雜質(zhì)總量不變；度迅速減??；雜質(zhì)總量不變； 結(jié)深增加；結(jié)深增加； 雜質(zhì)濃度梯度減小雜質(zhì)濃度梯度減小。 255.3.3 兩步擴(kuò)散工藝兩步擴(kuò)散工藝實(shí)際擴(kuò)散工藝實(shí)際擴(kuò)散工藝:一步工藝一步工藝 :是惰性氣氛下的恒定源擴(kuò)散，雜質(zhì)分布服從余是惰性氣氛下的恒定源擴(kuò)散，雜質(zhì)分布服從余誤差函數(shù)；誤差函數(shù)；兩步工藝：兩步工藝：分為預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）、再分布（主擴(kuò)散）分為預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）、再分布（主擴(kuò)散）兩步。兩步。預(yù)淀積預(yù)淀積是惰性氣氛下的是惰性氣氛下的恒定源擴(kuò)散恒定源擴(kuò)散，目的是在擴(kuò)散窗口硅表層擴(kuò)，目的是在擴(kuò)散窗口硅表層擴(kuò)入總量

19、入總量Q一定的雜質(zhì)。一定的雜質(zhì)。再分布再分布是氧氣氛或惰性氣氛下的是氧氣氛或惰性氣氛下的限定源擴(kuò)散限定源擴(kuò)散，將窗口雜質(zhì)再進(jìn)一，將窗口雜質(zhì)再進(jìn)一步向片內(nèi)擴(kuò)散，目的是使雜質(zhì)在硅中具有一定的表面濃度步向片內(nèi)擴(kuò)散，目的是使雜質(zhì)在硅中具有一定的表面濃度Cs、分、分布布C（x）、且達(dá)到一定的結(jié)深）、且達(dá)到一定的結(jié)深xj，有時(shí)還需生長(zhǎng)氧化層。，有時(shí)還需生長(zhǎng)氧化層。26兩步工藝兩步工藝預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）: :同常為低溫、短時(shí)，雜質(zhì)擴(kuò)散同常為低溫、短時(shí)，雜質(zhì)擴(kuò)散很淺，雜質(zhì)數(shù)量可控很淺，雜質(zhì)數(shù)量可控恒定源擴(kuò)散恒定源擴(kuò)散主擴(kuò)散（再分布）主擴(kuò)散（再分布）: : 高溫，擴(kuò)散同時(shí)伴隨氧化高溫，擴(kuò)散同時(shí)伴隨

20、氧化控控制表面濃度和擴(kuò)散深度制表面濃度和擴(kuò)散深度 兩步擴(kuò)散之后的雜質(zhì)最終分布形式為兩個(gè)擴(kuò)散兩步擴(kuò)散之后的雜質(zhì)最終分布形式為兩個(gè)擴(kuò)散過程結(jié)果的累加過程結(jié)果的累加: :D D1 1t t1 1D D2 2t t2 2預(yù)擴(kuò)散起決定作用，雜質(zhì)按余誤差函數(shù)預(yù)擴(kuò)散起決定作用，雜質(zhì)按余誤差函數(shù)形式分布形式分布D D1 1t t1 1 Ci 1019/cm3) ，將使擴(kuò)散系數(shù)顯著提高。，將使擴(kuò)散系數(shù)顯著提高。非本征擴(kuò)散系數(shù)非本征擴(kuò)散系數(shù)D：302302323iiiiiiiiiVVVVDDDDDDVVVV非本征荷電非本征荷電空位的院子空位的院子百分?jǐn)?shù)百分?jǐn)?shù)本征荷電空位本征荷電空位的原子百分?jǐn)?shù)的原子百分?jǐn)?shù)2 2、

21、間隙原子（團(tuán)）影響、間隙原子（團(tuán)）影響 b）踢出與間隙機(jī)制擴(kuò)散）踢出與間隙機(jī)制擴(kuò)散31a）硅原子踢出晶格位置上的）硅原子踢出晶格位置上的雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子 實(shí)際上硼和磷等雜質(zhì)往往是靠?jī)煞N機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，哪一實(shí)際上硼和磷等雜質(zhì)往往是靠?jī)煞N機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，哪一種擴(kuò)散機(jī)制占主要地位將取決于具體工藝。種擴(kuò)散機(jī)制占主要地位將取決于具體工藝。5.45.4.2 5.4.2 氧化增強(qiáng)擴(kuò)散氧化增強(qiáng)擴(kuò)散 (OED)硼在氧化氣氛中的擴(kuò)散存在明顯增強(qiáng)現(xiàn)象，磷、砷也有此硼在氧化氣氛中的擴(kuò)散存在明顯增強(qiáng)現(xiàn)象，磷、砷也有此現(xiàn)象?，F(xiàn)象。原因是氧化誘生堆垛層錯(cuò)產(chǎn)生大量自填隙原因是氧化誘生堆垛層錯(cuò)產(chǎn)生大量自填隙Si，間隙，間隙

22、-替位式替位式擴(kuò)散中的擴(kuò)散中的“踢出踢出”機(jī)制提高了擴(kuò)散系數(shù)。機(jī)制提高了擴(kuò)散系數(shù)。氧化層氧化層B限定源擴(kuò)散限定源擴(kuò)散氮化物氮化物p-Sin-Si氮化物氮化物n-Si氧化層氧化層摻摻BCB1019O2I+B IB32氧化阻滯擴(kuò)散氧化阻滯擴(kuò)散銻擴(kuò)散是以替位方式進(jìn)行，氧化堆垛層錯(cuò)帶來的自填隙硅銻擴(kuò)散是以替位方式進(jìn)行，氧化堆垛層錯(cuò)帶來的自填隙硅填充了空位，減少了空位濃度。填充了空位，減少了空位濃度。銻在氧化氣氛中的擴(kuò)散卻銻在氧化氣氛中的擴(kuò)散卻被阻滯。被阻滯。氮化物氮化物n-Sip-Si氧化層氧化層氮化物氮化物p-Si氧化層氧化層Sb有限源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散CBD（111）晶格缺欠越多，擴(kuò)散速率也越大。晶格

23、缺欠越多，擴(kuò)散速率也越大。395.5 5.5 擴(kuò)散工藝條件與方法擴(kuò)散工藝條件與方法5.5.1 5.5.1 擴(kuò)散方法的選擇擴(kuò)散方法的選擇5.5.2 5.5.2 雜質(zhì)源選擇雜質(zhì)源選擇5.5.3 5.5.3 常用雜質(zhì)的擴(kuò)散工藝常用雜質(zhì)的擴(kuò)散工藝 405.5.1 擴(kuò)散方法的選擇擴(kuò)散設(shè)備：擴(kuò)散設(shè)備：多是爐絲加熱的熱壁式擴(kuò)散爐。和氧化多是爐絲加熱的熱壁式擴(kuò)散爐。和氧化爐相類似，有臥式（水平式）和立式擴(kuò)散爐。爐相類似，有臥式（水平式）和立式擴(kuò)散爐。擴(kuò)散方法：擴(kuò)散方法：開管擴(kuò)散；開管擴(kuò)散；閉管擴(kuò)散；閉管擴(kuò)散；箱法擴(kuò)散；箱法擴(kuò)散；涂源擴(kuò)散涂源擴(kuò)散415.55.5.2 雜質(zhì)源選擇1、固態(tài)源擴(kuò)散、固態(tài)源擴(kuò)散采用的方

24、式采用的方式開管擴(kuò)散開管擴(kuò)散箱式擴(kuò)散箱式擴(kuò)散涂源擴(kuò)散涂源擴(kuò)散固態(tài)源固態(tài)源 陶瓷片或粉陶瓷片或粉體：體：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等等石英管石英管接排風(fēng)接排風(fēng)閥和流量計(jì)閥和流量計(jì)載載氣氣鉑源舟鉑源舟石英舟和硅片石英舟和硅片開管固態(tài)源擴(kuò)散開管固態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)系統(tǒng)422、液態(tài)源擴(kuò)散、液態(tài)源擴(kuò)散液態(tài)源液態(tài)源 POCl3、BBr3、B(CH3O)3 （TMB）接排風(fēng)接排風(fēng)閥和流量計(jì)閥和流量計(jì)載載氣氣石英舟和硅片石英舟和硅片石英管石英管溫度控制溫度控制池池源瓶和源瓶和液相源液相源液相源擴(kuò)散系統(tǒng)液相源擴(kuò)散系統(tǒng)433、氣態(tài)源擴(kuò)散、氣態(tài)源擴(kuò)散氣態(tài)源氣態(tài)源 BCl3、B2H6、PH3、AsH3石英管石英管

25、接排風(fēng)接排風(fēng)閥和質(zhì)量閥和質(zhì)量流量計(jì)流量計(jì)氣氣源源石英舟和硅片石英舟和硅片氣態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)氣態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)44源的選擇原則：源的選擇原則：對(duì)所選擇的雜質(zhì)：對(duì)所選擇的雜質(zhì)：Ga、B、P、Sb、As ，SiOSiO2 2掩膜掩膜應(yīng)能起著有效的掩蔽擴(kuò)散作用；應(yīng)能起著有效的掩蔽擴(kuò)散作用；在硅中的固溶度足夠高，要大于所需要的表面濃度；在硅中的固溶度足夠高，要大于所需要的表面濃度；擴(kuò)散系數(shù)的大小要適當(dāng)，雜質(zhì)擴(kuò)散便于控制，擴(kuò)散系數(shù)的大小要適當(dāng)，雜質(zhì)擴(kuò)散便于控制，必需必需滿足滿足固溶度固溶度、擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)要求。要求。相繼擴(kuò)散的不同雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，其大小應(yīng)搭配適相繼擴(kuò)散的不同雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，其大小應(yīng)搭配適當(dāng)。當(dāng)。

26、例如：例如：晶體管的基區(qū)擴(kuò)散和發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，前者的雜質(zhì)擴(kuò)晶體管的基區(qū)擴(kuò)散和發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，前者的雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)小于后者；散系數(shù)應(yīng)小于后者；ICIC埋層雜質(zhì)源，的擴(kuò)散系數(shù)盡可能埋層雜質(zhì)源，的擴(kuò)散系數(shù)盡可能小。小。 455.5第九次課主要問題:什么是恒定源擴(kuò)散什么是恒定源擴(kuò)散?其雜質(zhì)濃度服從什么分其雜質(zhì)濃度服從什么分布函數(shù)布函數(shù)?什么是限定源擴(kuò)散什么是限定源擴(kuò)散?其雜質(zhì)濃度服從什么分其雜質(zhì)濃度服從什么分布函數(shù)布函數(shù)?為什么實(shí)際擴(kuò)散常采用兩步工藝為什么實(shí)際擴(kuò)散常采用兩步工藝?B或或P擴(kuò)散的氧化增強(qiáng)效應(yīng)是指什么？擴(kuò)散的氧化增強(qiáng)效應(yīng)是指什么？什么是場(chǎng)助擴(kuò)散？什么是場(chǎng)助擴(kuò)散？465.5.3 5.5.3 常用雜質(zhì)

27、的擴(kuò)散工藝常用雜質(zhì)的擴(kuò)散工藝原理原理 2 B2O3 + 3Si 4B +3SiO2 選源選源 固態(tài)固態(tài)BN源使用最多，必須活化源使用最多，必須活化 活化：活化： 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2特點(diǎn)特點(diǎn) B與與Si原子半徑相差較大，有伴生應(yīng)力缺陷，能造成原子半徑相差較大，有伴生應(yīng)力缺陷，能造成晶格損傷。硼在硅中的最大固溶度達(dá)晶格損傷。硼在硅中的最大固溶度達(dá)4*1020/cm3，但濃度在，但濃度在1020/cm3以上有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。以上有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。工藝工藝 兩步工藝，預(yù)淀積為恒定源擴(kuò)散，用氮?dú)獗Ｗo(hù)，再分兩步工藝，預(yù)淀積為恒定源擴(kuò)散，用氮?dú)獗Ｗo(hù)，再分布有限源擴(kuò)散，生長(zhǎng)氧化層（干氧布有限源擴(kuò)散

28、，生長(zhǎng)氧化層（干氧-濕氧濕氧-干氧）硼擴(kuò)散干氧）硼擴(kuò)散900-1100 471、硼擴(kuò)散（、硼擴(kuò)散（NPN管為例）管為例）B擴(kuò)散工藝流程擴(kuò)散工藝流程預(yù)淀積，一般預(yù)淀積溫度較低，時(shí)間也較短。氮預(yù)淀積，一般預(yù)淀積溫度較低，時(shí)間也較短。氮?dú)獗Ｗo(hù)。氣保護(hù)。漂硼硅玻璃，予淀積后的窗口表面有薄薄的一層漂硼硅玻璃，予淀積后的窗口表面有薄薄的一層硼硅玻璃，用硼硅玻璃，用HF漂去。漂去。再分布，溫度較高，時(shí)間也較長(zhǎng)。通氧氣，直接再分布，溫度較高，時(shí)間也較長(zhǎng)。通氧氣，直接生長(zhǎng)氧化層。生長(zhǎng)氧化層。測(cè)方塊電阻測(cè)方塊電阻，方塊電阻是指表面為正方形的薄膜，方塊電阻是指表面為正方形的薄膜，在電流方向的電阻值。在電流方向的電阻

29、值。 482、磷擴(kuò)散、磷擴(kuò)散（以（以NPN管為例）管為例）原理原理 2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2選源選源 固態(tài)固態(tài)P2O5陶瓷片源使用最多，無須活化。陶瓷片源使用最多，無須活化。 特點(diǎn)特點(diǎn) 磷是磷是n型替位雜質(zhì)，型替位雜質(zhì)， B與與Si原子半徑接近，原子半徑接近，雜質(zhì)濃度可達(dá)雜質(zhì)濃度可達(dá)1021/Cm3，該濃度即為電活性濃，該濃度即為電活性濃度。度。工藝工藝 與硼擴(kuò)相近兩步工藝，不漂磷硅玻璃。與硼擴(kuò)相近兩步工藝，不漂磷硅玻璃。49NPN管結(jié)構(gòu)管結(jié)構(gòu)Nx5*102010183*1016N+PNN型型erfc分布分布P型高斯分布型高斯分布N型襯底型襯底0 Xebj XbcjNx發(fā)射

30、區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)B擴(kuò)：擴(kuò)：D1t1D2t2503、砷與銻D DAsAs、D DSbSb是是D DP P、D DB B的十分之一，因此適于作前擴(kuò)散雜的十分之一，因此適于作前擴(kuò)散雜質(zhì)，如質(zhì)，如埋層擴(kuò)散埋層擴(kuò)散或或前結(jié)擴(kuò)散前結(jié)擴(kuò)散的雜質(zhì)。的雜質(zhì)。AsAs一般是采用一般是采用閉管式擴(kuò)散閉管式擴(kuò)散方式，方式，源源為為3%3%砷粉，固溶砷粉，固溶度最高度最高Cs=2Cs=210102121/cm/cm3 3。SbSb一般是采用一般是采用箱式擴(kuò)散箱式擴(kuò)散方式，源為方式，源為SbSb2 2O O5 5固態(tài)源，固固態(tài)源，固溶度最高溶度最高Cs=2-5Cs=2-510101919/cm/cm3 3。5

31、15.55.6 5.6 擴(kuò)散工藝質(zhì)量與檢測(cè)擴(kuò)散工藝質(zhì)量與檢測(cè)工藝指標(biāo)：雜質(zhì)表面濃度工藝指標(biāo)：雜質(zhì)表面濃度Cs，結(jié)深，結(jié)深xj，方塊電阻，方塊電阻R（或稱薄層電阻（或稱薄層電阻Rs)，分布曲線，分布曲線C(x)工藝條件工藝條件(T, t)的確定：解析擴(kuò)散方程獲得工藝條的確定：解析擴(kuò)散方程獲得工藝條件，目前用計(jì)算機(jī)模擬獲得工藝參數(shù)。件，目前用計(jì)算機(jī)模擬獲得工藝參數(shù)。本節(jié)內(nèi)容：本節(jié)內(nèi)容：5.6.1結(jié)深的測(cè)量結(jié)深的測(cè)量5.6.2 表面濃度的確定表面濃度的確定5.5.3 器件的電學(xué)特性與擴(kuò)散工藝的關(guān)系器件的電學(xué)特性與擴(kuò)散工藝的關(guān)系525.6.15.6.1 結(jié)深的測(cè)量結(jié)深的測(cè)量53jxA Dt12()Bs

32、CAerfcC122(ln)sBCACC(x,t)為余誤差分布時(shí)為余誤差分布時(shí)：C(x,t)高斯分布時(shí)高斯分布時(shí)：。 sBCC與A值之間的關(guān)系曲線 Xj測(cè)量方法：測(cè)量方法：染色法，擴(kuò)展電阻法，陽染色法，擴(kuò)展電阻法，陽極氧化剝離法極氧化剝離法染色法測(cè)結(jié)深染色法測(cè)結(jié)深54原理原理：Si的電極電位低于的電極電位低于Cu，Si能從硫酸銅染色液中把能從硫酸銅染色液中把Cu置置換出來，而且在換出來，而且在Si表面上形成紅色表面上形成紅色Cu鍍層，又由于鍍層，又由于N型型Si的的標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于P型型Si的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，因此會(huì)先在的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，因此會(huì)先在N型型Si上先有上先有Cu析出，這樣

33、就把析出，這樣就把P-N結(jié)明顯的顯露出來。結(jié)明顯的顯露出來。染色液染色液：CuSO45H2O：48% HF：H2O=5g：2mL：50mLXj=Lsin 5.65.6.2表面濃度的確定 1jx R55Ns與與R，xj三者之間存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系，已知其中的兩個(gè)，第三個(gè)就三者之間存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系，已知其中的兩個(gè)，第三個(gè)就唯一地被確定，從而具有確定的雜質(zhì)分布。唯一地被確定，從而具有確定的雜質(zhì)分布。查表獲得查表獲得Ns5.6.2表面濃度的確定 NsNs由由擴(kuò)散形式擴(kuò)散形式、擴(kuò)散雜質(zhì)源擴(kuò)散雜質(zhì)源、擴(kuò)擴(kuò)散溫度散溫度和和時(shí)間時(shí)間決決定。定。恒定源擴(kuò)散，恒定源擴(kuò)散，NsNs就是擴(kuò)散溫度下就是擴(kuò)散溫度下雜質(zhì)在硅中的固

34、雜質(zhì)在硅中的固溶度。溶度。限定源擴(kuò)散，限定源擴(kuò)散，NsNs由雜質(zhì)總量、溫由雜質(zhì)總量、溫度和時(shí)間所決定。度和時(shí)間所決定。56次表面濃度次表面濃度和和次表面層薄層電阻次表面層薄層電阻 ：在晶體管的分析中，常要用到次表面薄層在晶體管的分析中，常要用到次表面薄層的概念。的概念。次表面薄層就是指擴(kuò)散表面之下，自某個(gè)次表面薄層就是指擴(kuò)散表面之下，自某個(gè)深度深度 的平面到的平面到pn結(jié)位置之間的一個(gè)薄層。結(jié)位置之間的一個(gè)薄層。5.65.5.3 器件的電學(xué)特性與擴(kuò)散工藝的關(guān)系器件的電學(xué)特性與擴(kuò)散工藝的關(guān)系由不良的由不良的pnpn結(jié)反向特性結(jié)反向特性I-VI-V曲線了解工藝情況曲線了解工藝情況(a)(a)當(dāng)當(dāng)pnpn結(jié)的表面被雜質(zhì)沾污，結(jié)的表面被雜質(zhì)沾污，Si-SiOSi-SiO2 2界面存在界面態(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致表界面存在界面態(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致表面復(fù)合中心大量存在，引起表面漏電面復(fù)合中心大量存在，引起表面漏電(b)(b)產(chǎn)生的原因很多，如產(chǎn)生的原因很多，如pnpn結(jié)有較大的局部尖峰，基區(qū)過窄或外延層過結(jié)有較大的局部尖峰，基區(qū)過窄或外延層過薄，以及擴(kuò)散層上的合金點(diǎn)、外延層的層借和位借密度較高等都會(huì)薄，以及擴(kuò)散層上的合金點(diǎn)、外延層的層借和位借密度較高等都會(huì)造成低擊穿。造成低擊穿。(c)(c)基片內(nèi)存在局部薄弱點(diǎn)，如層錯(cuò)、位借密度過高，光刻圖形邊緣不基片內(nèi)存在局部薄弱點(diǎn)，如層錯(cuò)、位借密度過高，光刻