chap3擴(kuò)散工藝ppt課件

1、Chap 3 Chap 3 分散工藝分散工藝DifussionDifussion3.1雜質(zhì)分散機(jī)構(gòu)雜質(zhì)分散機(jī)構(gòu)3.2分散原理分散系數(shù)分散方程分散原理分散系數(shù)分散方程3.3分散雜質(zhì)的分布分散雜質(zhì)的分布3.4影響雜質(zhì)分布的其他要素影響雜質(zhì)分布的其他要素3.5分散工藝分散工藝3.6分散工藝的開展自學(xué)分散工藝的開展自學(xué)3.7工藝控制和質(zhì)量監(jiān)測(cè)補(bǔ)充工藝控制和質(zhì)量監(jiān)測(cè)補(bǔ)充 摻雜技術(shù)就是將所需求的雜質(zhì)，以一定的方式合金、分散或離子注入等參與到硅片內(nèi)部，并使其在硅片中的數(shù)量和濃度分布符合預(yù)定的要求。 利用摻雜技術(shù)，可以制造P-N結(jié)、歐姆接觸區(qū)、IC中的電阻、硅柵和硅互連線等等。摻雜摻雜doping：將一定數(shù)量

2、和一定種類的雜質(zhì)摻入硅：將一定數(shù)量和一定種類的雜質(zhì)摻入硅中，并獲得準(zhǔn)確的雜質(zhì)分布外形中，并獲得準(zhǔn)確的雜質(zhì)分布外形doping profile。MOSFET：阱、柵、源：阱、柵、源/漏、溝道等漏、溝道等BJT：基極、發(fā)射極、集電極等：基極、發(fā)射極、集電極等摻雜運(yùn)用：摻雜運(yùn)用：B E Cppn+n-p+p+n+n+BJTp wellNMOS根本概念根本概念結(jié)深結(jié)深 xj Junction Depth薄層電阻薄層電阻 Rs Sheet Resistance 雜質(zhì)固溶度雜質(zhì)固溶度Solubility)1、結(jié)深的定義、結(jié)深的定義 xj : 當(dāng)當(dāng) x = xj 處處Cx分散雜質(zhì)濃度分散雜質(zhì)濃度= CB本體

3、濃度本體濃度 器件等比例減少器件等比例減少k倍，等電場要求倍，等電場要求xj 同時(shí)減少同時(shí)減少k倍倍同時(shí)同時(shí) 要求要求xj 增大增大在現(xiàn)代在現(xiàn)代COMS技術(shù)中，采用淺結(jié)和高摻雜來同時(shí)滿足兩方面的要求技術(shù)中，采用淺結(jié)和高摻雜來同時(shí)滿足兩方面的要求2、薄層電阻、薄層電阻 RSsheet resistance方塊電阻方塊電阻wtlRtljSxRRw薄層電阻定義為薄層電阻定義為jSxRwlRwlxwxlAlRSjj方塊時(shí)，方塊時(shí)，lw，RRS。所以，只需知道了某個(gè)摻雜區(qū)。所以，只需知道了某個(gè)摻雜區(qū)域的方塊電阻，就知道了整個(gè)摻雜區(qū)域的電阻值。域的方塊電阻，就知道了整個(gè)摻雜區(qū)域的電阻值。RS：外表為正方形

4、的半導(dǎo)體薄層，在電流方向呈：外表為正方形的半導(dǎo)體薄層，在電流方向呈現(xiàn)的電阻。單位為現(xiàn)的電阻。單位為 /既既RS：正方形邊長無關(guān)：正方形邊長無關(guān)其重要性：其重要性： 薄層電阻的大小直接反映了分散薄層電阻的大小直接反映了分散 入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量物理意義：物理意義： 薄層電阻的大小直接反映了分散入硅薄層電阻的大小直接反映了分散入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量 q 電荷，電荷， 載流子遷移率，載流子遷移率，n 載流子濃度載流子濃度 假定雜質(zhì)全部電離假定雜質(zhì)全部電離 載流子濃度載流子濃度 n = 雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度 N 那么：那么： Q：從外表到結(jié)邊境這一方塊薄層中單位面積上雜：

5、從外表到結(jié)邊境這一方塊薄層中單位面積上雜質(zhì)總量質(zhì)總量 qn11qnQqNxqxxRjjjS111 合金法是早期產(chǎn)生半導(dǎo)體器件常用的構(gòu)成p-N結(jié)的方法。自從硅平面技術(shù)問世以后，合金法曾經(jīng)被分散法取代了。分散技術(shù)是一種制造P-N結(jié)的好方法。隨著集成電路的飛速開展，分散工藝已日臻完善，其設(shè)備和操作也大多采用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)展控制了。 分散是微觀粒子的一種極為普遍的熱運(yùn)動(dòng)方式，運(yùn)動(dòng)結(jié)果使?jié)舛确植稼呌诰鶆颉?集成電路制造中的固態(tài)分散工藝，是將一定數(shù)量的某種雜質(zhì)摻入到硅晶體或其他半導(dǎo)體晶體中去，以改動(dòng)電學(xué)性質(zhì)，并使摻入的雜質(zhì)數(shù)量、分布方式和深度等都滿足要求。 分散是向半導(dǎo)體中摻雜的重要方法之一，也是集成電路制

6、造中的重要工藝。 目前分散工藝已廣泛用來構(gòu)成晶體管的基極、發(fā)射極、集電極，雙極器件中的電阻，在MOS制造中構(gòu)成源和漏、互連引線，對(duì)多晶硅的摻雜等。 離子注入是目前VLSI優(yōu)越的摻雜工藝。就目前我國消費(fèi)集成電路來看，離子注入不能說完全替代了分散工藝，但至少許多原來由分散工藝所完成的加工工序，都曾經(jīng)被離子注入取代了，這是時(shí)代開展的必然結(jié)果。 3.1 雜質(zhì)分散機(jī)構(gòu)雜質(zhì)分散機(jī)構(gòu) 雜質(zhì)在硅晶體中的分散機(jī)構(gòu)主要有兩種：1間隙式分散，2替位式分散 一、間隙式分散 1、間隙式雜質(zhì)：存在于晶格間隙的雜質(zhì)。 主要那些半徑較小、并且不容易和硅原子鍵合的原子，它們?cè)诰w中的分散運(yùn)動(dòng)主要是以間隙方式進(jìn)展的。如以下圖所示

7、。圖中黑點(diǎn)代表間隙雜質(zhì)，圓圈代表晶格位置上的硅原子。 2、間隙式分散：間隙式雜質(zhì)從一個(gè)間隙位置到另一個(gè)間隙位置上的運(yùn)動(dòng)。 間隙雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)間隙雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)3、間隙雜質(zhì)要從一個(gè)間隙位置運(yùn)動(dòng)到相鄰的間隙、間隙雜質(zhì)要從一個(gè)間隙位置運(yùn)動(dòng)到相鄰的間隙位置上，必需求越過一個(gè)勢(shì)壘，勢(shì)壘高度位置上，必需求越過一個(gè)勢(shì)壘，勢(shì)壘高度Wi普普通為通為0.61.2ev。4、間隙雜質(zhì)只能依托熱漲落才干獲得大于、間隙雜質(zhì)只能依托熱漲落才干獲得大于Wi的的能量，越過勢(shì)壘跳到近鄰的間隙位置上。能量，越過勢(shì)壘跳到近鄰的間隙位置上。5、騰躍率：、騰躍率：Pi=v0e-wi/kT 溫度升高時(shí)溫度升高時(shí)Pi指數(shù)地添加。指數(shù)地添加。 振動(dòng)頻率振

8、動(dòng)頻率 010131014/s6、Na、K、Fe、Cu、Au 等元素等元素7、分散系數(shù)要比替位式分散大、分散系數(shù)要比替位式分散大67個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí) 二、替位式分散二、替位式分散 1、替位雜質(zhì)：占據(jù)晶格位置的外來原子。、替位雜質(zhì)：占據(jù)晶格位置的外來原子。 2、替位式分散：替位雜質(zhì)從一個(gè)晶格位、替位式分散：替位雜質(zhì)從一個(gè)晶格位置到另一個(gè)晶格位置上。只需當(dāng)替位雜質(zhì)的近置到另一個(gè)晶格位置上。只需當(dāng)替位雜質(zhì)的近鄰晶格上出現(xiàn)空位，替位雜質(zhì)才干比較容易地鄰晶格上出現(xiàn)空位，替位雜質(zhì)才干比較容易地運(yùn)動(dòng)到近鄰空位上。運(yùn)動(dòng)如以下圖所示。運(yùn)動(dòng)到近鄰空位上。運(yùn)動(dòng)如以下圖所示。 3、替位雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)比間隙雜質(zhì)更困難，首、替

9、位雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)比間隙雜質(zhì)更困難，首先要在近鄰出現(xiàn)空位，同時(shí)還要依托熱漲落獲先要在近鄰出現(xiàn)空位，同時(shí)還要依托熱漲落獲得大于勢(shì)壘高度得大于勢(shì)壘高度Ws的能量才干實(shí)現(xiàn)替位運(yùn)動(dòng)。的能量才干實(shí)現(xiàn)替位運(yùn)動(dòng)。 4、騰躍率、騰躍率Pv=v0e-(Ws+Wv)/kT Wv表示構(gòu)成一個(gè)空位所需能量。表示構(gòu)成一個(gè)空位所需能量。替位雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)替位雜質(zhì)運(yùn)動(dòng) 、族元素；族元素； 普通要在很高的溫度普通要在很高的溫度(9501280)下下進(jìn)展；進(jìn)展； 磷、硼、砷等在二氧化硅層中的分散系磷、硼、砷等在二氧化硅層中的分散系數(shù)均遠(yuǎn)小于在硅中的分散系數(shù)，可以利用數(shù)均遠(yuǎn)小于在硅中的分散系數(shù)，可以利用氧化層作為雜質(zhì)分散的掩蔽層。氧化層作為雜

10、質(zhì)分散的掩蔽層。3.2 分散原理即分散系數(shù)和分散方程分散是微觀粒子作無規(guī)那么熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這分散是微觀粒子作無規(guī)那么熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這種運(yùn)動(dòng)總是由粒子濃度較高的地方向濃度低的地方種運(yùn)動(dòng)總是由粒子濃度較高的地方向濃度低的地方進(jìn)展，而使得粒子的分布逐漸趨于均勻。分散的原進(jìn)展，而使得粒子的分布逐漸趨于均勻。分散的原始驅(qū)動(dòng)力是體系能量最小化。始驅(qū)動(dòng)力是體系能量最小化。分散的宏觀機(jī)制分散的宏觀機(jī)制diffusion from a macroscopic viewpoint分散動(dòng)力學(xué)分散動(dòng)力學(xué) 一一. 分散流方程分散流方程費(fèi)克第一定律費(fèi)克第一定律xtxCDtxF,C 為雜質(zhì)濃度為雜質(zhì)濃度number/cm3)，D 為分散系數(shù)為分散系數(shù)cm2/s。式中負(fù)號(hào)表示分散是由高濃度處向低濃度處進(jìn)展的濃度式中負(fù)號(hào)表示分散是由高濃度處向低濃度處進(jìn)展的濃度有著負(fù)斜率，分散朝著有著負(fù)斜率，分散朝著x的正向進(jìn)展的正向進(jìn)展?jié)舛葷舛壬疃壬疃葂CDFt1t2費(fèi)克第二定律費(fèi)克第二定律濃度、時(shí)間、空間的關(guān)系濃度、時(shí)間、空間的關(guān)系t 時(shí)間內(nèi)該小體積內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)目變化為時(shí)間內(nèi)該小體積內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)目變化為這個(gè)過程中由于分散進(jìn)出該小體積的雜質(zhì)原子數(shù)為這個(gè)過程中由于分散進(jìn)出該小體積的雜質(zhì)原子數(shù)為單位體積內(nèi)雜質(zhì)原子數(shù)單位體積內(nèi)雜質(zhì)原子數(shù)的變化量等于流入和流的變