半導(dǎo)體 第十九講 擴(kuò)散工藝-p(1)

1、擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝n簡介n擴(kuò)散原理n擴(kuò)散方程n雜質(zhì)原子的擴(kuò)散n擴(kuò)散工藝簡介簡介 擴(kuò)散工藝是一種摻雜技術(shù)，它是將所需雜質(zhì)按要求的濃度與分布摻入到半導(dǎo)體材料中，以達(dá)到改變材料電學(xué)性能，形成半導(dǎo)體器件的目的。以雜質(zhì)原子或離子在硅中的擴(kuò)散為主（P型雜質(zhì)和N型雜質(zhì)）。簡介簡介n 摻雜：將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域中，以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成PN結(jié)、電阻、歐姆接觸n磷(P)、砷(As) N型硅n硼(B) P型硅n 摻雜工藝：擴(kuò)散、離子注入 擴(kuò)散擴(kuò)散n 70年代初期以前，雜質(zhì)摻雜主要通過高溫的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。n雜質(zhì)原子通過氣相源或氧化物源擴(kuò)散或淀積到硅晶片的表面。n雜質(zhì)濃度從表面到體內(nèi)單調(diào)下降n雜質(zhì)分布主

2、要是由溫度和擴(kuò)散時(shí)間決定n 可用于形成深結(jié)（deep junction），如CMOS中的雙阱（twin well）離子注入離子注入n 從70年代初開始，摻雜的操作改由離子注入完成n 摻雜原子以離子束的形式注入半導(dǎo)體內(nèi)n雜質(zhì)濃度在半導(dǎo)體內(nèi)有峰值分布n雜質(zhì)分布主要由離子質(zhì)量和離子能量決定n用于形成淺結(jié)（shallow junction），如MOSFET中的漏極和源極擴(kuò)散機(jī)理擴(kuò)散機(jī)理n 間隙式擴(kuò)散n定義：雜質(zhì)離子位于晶格間隙n雜質(zhì)：Na、K、Fe、Cu、Au 等元素n勢能極大位置：相鄰的兩個(gè)間隙之間n勢壘高度Wi：0.61.2eVn間隙雜質(zhì)的振動能在室溫時(shí)，只有0.026eV；1200 時(shí)為0.13

3、eV，因此間隙雜質(zhì)靠熱漲落越過勢壘n跳躍率： Pi 依賴于溫度間隙擴(kuò)散機(jī)構(gòu)圖間隙擴(kuò)散機(jī)構(gòu)圖擴(kuò)散機(jī)理擴(kuò)散機(jī)理n替位式擴(kuò)散n定義：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位n雜質(zhì)特點(diǎn)：III 、族元素n相鄰晶格上出現(xiàn)空位才好進(jìn)行替位式擴(kuò)散n勢能極大位置：間隙處n勢壘高度：0.61.2eVn跳躍率： n近鄰出現(xiàn)空位的幾率乘以跳入該空位的幾率，Pv依賴于溫度n間隙式擴(kuò)散系數(shù)要比替位式擴(kuò)散大67個(gè)數(shù)量級替位式擴(kuò)散擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程n菲克第一定律n擴(kuò)散是微觀粒子熱運(yùn)動的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)雜質(zhì)存在濃度梯度時(shí)，出現(xiàn)宏觀的擴(kuò)散流。雜質(zhì)由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動，直至濃度趨于均勻，擴(kuò)散流為零。實(shí)驗(yàn)表明：擴(kuò)散流的大小，正比于雜質(zhì)的濃度梯度。n菲

4、克第一定律:n如果在一個(gè)有限的基體中存在雜質(zhì)濃度梯度，則雜質(zhì)將會產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動，而且雜質(zhì)的擴(kuò)散方向使雜質(zhì)濃度梯度變小。擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)xtxCDJ),(/ )(expkTWWPsVovxtxCPaaPtaxCaPtaxCtxJvvv),(), 2/(), 2/(),(2oooaDkTEDD2)/exp(其中：其中：V0代表振動頻率代表振動頻率 Wv代表形成一個(gè)代表形成一個(gè)空位所需要的能量空位所需要的能量 Ws代表替位雜質(zhì)代表替位雜質(zhì)的勢壘高度的勢壘高度 E為擴(kuò)散激活能，對替為擴(kuò)散激活能，對替位式雜質(zhì)來說，一般為位式雜質(zhì)來說，一般為34eV擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程n擴(kuò)散方程（菲克第二定律）擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程

5、n 擴(kuò)散方程（菲克第二定律）n經(jīng)過t時(shí)間，體積元內(nèi)的雜質(zhì)變化量為n體積元內(nèi)雜質(zhì)的變化，是由于在t時(shí)間內(nèi)，通過x處和xx處的兩個(gè)截面的流量差所造成tstxCttxCtsttxCtstxC),(),(),(),(tstxJtxxJtstxJtstxxJ),(),(),(),(擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程n 擴(kuò)散方程（菲克第二定律）n假定體積元內(nèi)的雜質(zhì)不產(chǎn)生也不消失，上面兩式應(yīng)該相等，得到n假設(shè)擴(kuò)散系數(shù)D為常數(shù)（低濃度正確），得到),(),(xtxCDxttxC22),(),(xtxCDttxC雜質(zhì)原子的擴(kuò)散雜質(zhì)原子的擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散n 定義：在整個(gè)擴(kuò)散過程中，硅片表面的雜質(zhì)濃度始終不變的擴(kuò)散n 邊界條件和初

6、始條件nC(0,t)=Cs ； C( ,t)=0； C(x ,0)=0, x0n 恒定表面源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布：)2()21 (),(DtxerfcCDtxerfCtxCssx0ydye21x1x2erferfc恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散n雜質(zhì)分布形式特點(diǎn)n在表面濃度Cs一定的情況下，擴(kuò)散時(shí)間越長，雜質(zhì)擴(kuò)散的就越深，擴(kuò)到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量也就越多。n擴(kuò)到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量可用高為Cs，底為2 的三角形近似；n表面濃度Cs由雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度下的固溶度所決定。而在9001200 內(nèi)，固溶度變化不大，可見很難通過改變溫度來控制CsDtCdxtxCtQs02),()(恒定表面源擴(kuò)散恒定

7、表面源擴(kuò)散n 結(jié)深n如果擴(kuò)散雜質(zhì)與硅襯底原有雜質(zhì)的導(dǎo)電類型不同，則在兩種雜質(zhì)濃度相等處形成p-n結(jié)。n雜質(zhì)濃度相等：n結(jié)的位置：n 溫度通過D對擴(kuò)散深度和雜質(zhì)分布情況的影響，同時(shí)間t相比更為重要。BjCtxC）,(tDACCerfctDxSiOsBSiOj2212恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散n雜質(zhì)濃度梯度n任意位置nP-n結(jié)處的雜質(zhì)梯度n在Cs和CB一定的情況下，p-n結(jié)越深，在結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度就越小。DtxseDtCtxxtxC4/2,),(sBsBxsxCCerfcCCerfcCxtxCjj12)exp(12),(有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散n定義：擴(kuò)散之前在硅片表面淀積一層雜質(zhì)，在整個(gè)

8、擴(kuò)散過程中這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散的雜質(zhì)源，不再有新源補(bǔ)充n初始條件和邊界條件nC(x ,0)=0,xhnC( ,t)=0nC(x ,0)= Cs(0)=Q/h,0 x hn解得：DtxeDtQtxC4/2),(DtQtC) t , 0(C)(s有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散n雜質(zhì)分布形式特點(diǎn)n當(dāng)擴(kuò)散溫度相同時(shí)，擴(kuò)散時(shí)間越長，雜質(zhì)擴(kuò)散的就越深，表面濃度就越低。n當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間相同時(shí)，擴(kuò)散溫度越高，雜質(zhì)擴(kuò)散的就越深，表面濃度下降的也就越多n擴(kuò)散過程中雜質(zhì)量不變n表面雜質(zhì)濃度可以控制，有利于制作低表面濃度和較深的p-n結(jié)。有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散n結(jié)深n雜質(zhì)濃度梯度n任意位置nP

9、-n結(jié)處得雜質(zhì)梯度tDAxSiOj2),(2),(),(txCDtxxtxCtxBsBsjsxCCCCInxCxtxCj/)/(2),(兩步擴(kuò)散兩步擴(kuò)散n實(shí)際方法n實(shí)際生產(chǎn)中的擴(kuò)散溫度一般為9001200 ，在這樣的溫度范圍內(nèi)，常用雜質(zhì)如硼、磷、砷等在硅中的固溶度隨溫度變化不大，因而采用恒定表面源擴(kuò)散很難得到低濃度的分布形式。為了同時(shí)滿足對表面濃度、雜質(zhì)數(shù)量、結(jié)深以及梯度等方面的要求，實(shí)際生產(chǎn)中往往采用兩步擴(kuò)散法兩步擴(kuò)散兩步擴(kuò)散n兩步擴(kuò)散n預(yù)擴(kuò)散：在低溫下采用恒定表面源擴(kuò)散方式，控制擴(kuò)散雜質(zhì)的數(shù)量，雜質(zhì)按余誤差形式分布。n主擴(kuò)散將由預(yù)擴(kuò)散引入的雜質(zhì)作為擴(kuò)散源，在較高溫度下進(jìn)行擴(kuò)散?？刂票砻鏉舛?/p>

10、和擴(kuò)散深度。雜質(zhì)按高斯形式分布。n分布形式：nD1t1D2t2 , 余誤差分布nD1t1 D2t2 ，高斯分布影響雜質(zhì)分布的其它因素影響雜質(zhì)分布的其它因素n上面推導(dǎo)的雜質(zhì)分布形式理想化n實(shí)際上理論分布與實(shí)際分布存在一定的差異n主要是因?yàn)楣柚袚诫s原子的擴(kuò)散，除了與空位有關(guān)外，還與硅中其它類型的點(diǎn)缺陷有密切的關(guān)系。n氧化增強(qiáng)擴(kuò)散n發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)氧化增強(qiáng)擴(kuò)散（氧化增強(qiáng)擴(kuò)散（OED）n 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與中性氣氛相比：n雜質(zhì)B在氧化氣氛中的擴(kuò)散存在明顯的增強(qiáng)。B和P的增強(qiáng)現(xiàn)象比較明顯n雜質(zhì)As在氧化氣氛中的擴(kuò)散有一定強(qiáng)度的增強(qiáng)n雜質(zhì)銻在氧化氣氛中的擴(kuò)散被阻滯發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)n在npn窄基區(qū)晶

11、體管制造中，如果基區(qū)和發(fā)射區(qū)分別擴(kuò)B和擴(kuò)P，則發(fā)現(xiàn)在發(fā)射區(qū)正下方（內(nèi)基區(qū)）B的擴(kuò)散深度，大于不在發(fā)射區(qū)正下方（外基區(qū)）B的擴(kuò)散深度，該現(xiàn)象稱為發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)，或發(fā)射區(qū)下陷效應(yīng)。二維擴(kuò)散二維擴(kuò)散n實(shí)際擴(kuò)散n在掩蔽層的邊緣，橫向擴(kuò)散與縱向擴(kuò)散同時(shí)進(jìn)行二維擴(kuò)散二維擴(kuò)散n 實(shí)際擴(kuò)散n低濃度擴(kuò)散n假定：D與雜質(zhì)濃度無關(guān)，橫向擴(kuò)散與縱向擴(kuò)散都近似以同樣方式進(jìn)行nL橫=75%85%L縱n高濃度擴(kuò)散：nD與雜質(zhì)濃度相關(guān)，L橫=65%70%L縱雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖n 由于橫向擴(kuò)散作用，結(jié)包含n一個(gè)中央平面區(qū)n一個(gè)近似圓柱、曲率半徑為rj的邊n如果擴(kuò)散掩蔽層有尖銳的角，在這角處的結(jié)將因橫向擴(kuò)散而近似于圓球狀。n 電場強(qiáng)度在圓柱和圓球結(jié)處較強(qiáng)，該處雪崩擊穿電壓將遠(yuǎn)低于有相同襯底摻雜的平面結(jié)處。實(shí)際擴(kuò)散區(qū)域大于窗口影響集成實(shí)際擴(kuò)散區(qū)域大于窗口影響集成度度擴(kuò)散工藝固態(tài)源擴(kuò)散擴(kuò)散工藝固態(tài)源擴(kuò)散n擴(kuò)散物質(zhì)：雜質(zhì)的氧化物或其他化合物n通過惰性氣體把雜質(zhì)源蒸氣輸運(yùn)到硅片表面n溫度決定固溶度，對濃度有直接影響固態(tài)源擴(kuò)散：如固態(tài)源擴(kuò)散：如B2O3、P2O5、BN等等擴(kuò)散工藝液態(tài)源擴(kuò)散擴(kuò)散工藝液態(tài)源擴(kuò)散n方法：攜帶氣體經(jīng)過源瓶，將雜質(zhì)源蒸氣（雜質(zhì)化合物）帶入擴(kuò)散爐管內(nèi)與硅反應(yīng)，或分解后與硅反應(yīng)。n條件：n源溫控制在0 ，以保證穩(wěn)定性和重復(fù)性n