硅集成電路工藝基礎(chǔ)3

1、第三章第三章 擴散擴散 擴散是微觀粒子擴散是微觀粒子(原子、分子等原子、分子等)運動的普遍的物理現(xiàn)象。擴散運動的普遍的物理現(xiàn)象。擴散的動力是濃度的梯度，粒子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)進行熱運動，使的動力是濃度的梯度，粒子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)進行熱運動，使?jié)舛确植稼呌诰鶆?。濃度分布趨于均勻?擴散是半導(dǎo)體摻雜的重要方法之一，擴散是半導(dǎo)體摻雜的重要方法之一， 擴散方法首先由擴散方法首先由Pfann在在1952年提出來，年提出來，廣泛應(yīng)用于集成電路中，形成晶體管的基極、發(fā)射廣泛應(yīng)用于集成電路中，形成晶體管的基極、發(fā)射極、集電極、電阻，極、集電極、電阻，MOS工藝中形成源極、漏極、互連引線等。工藝中形成源極

2、、漏極、互連引線等。 硅集成電路工藝中，一般采用硅集成電路工藝中，一般采用SiO2作為掩膜，進行作為掩膜，進行選擇性擴散選擇性擴散。3.1、雜質(zhì)擴散機構(gòu)、雜質(zhì)擴散機構(gòu)3.2、擴散系數(shù)與擴散方程、擴散系數(shù)與擴散方程3.3、擴散雜質(zhì)的分布、擴散雜質(zhì)的分布3.4、影響雜質(zhì)分布的其他因素、影響雜質(zhì)分布的其他因素3.5、擴散工藝、擴散工藝3.6、擴散工藝的發(fā)展、擴散工藝的發(fā)展3.7、與擴散有關(guān)的測量、與擴散有關(guān)的測量主要內(nèi)容主要內(nèi)容3.1、雜質(zhì)擴散機構(gòu)、雜質(zhì)擴散機構(gòu)雜質(zhì)原子的擴散方式有以下幾種：雜質(zhì)原子的擴散方式有以下幾種： 交換式：兩相鄰原子由于有足夠高的能交換式：兩相鄰原子由于有足夠高的能量，互相交

3、換位置。量，互相交換位置。 空位式：由于有晶格空位，相鄰原子能空位式：由于有晶格空位，相鄰原子能移動過來。移動過來。 填隙式：在空隙中的原子擠開晶格原子填隙式：在空隙中的原子擠開晶格原子后占據(jù)其位，被擠出的原子再去擠出其他原后占據(jù)其位，被擠出的原子再去擠出其他原子。子。 在空隙中的原子在晶體的原子間隙中快在空隙中的原子在晶體的原子間隙中快速移動一段距離后，最終或占據(jù)空位，或擠速移動一段距離后，最終或占據(jù)空位，或擠出晶格上原子占據(jù)其位。出晶格上原子占據(jù)其位。 以上幾種形式主要分成兩大類：替位式以上幾種形式主要分成兩大類：替位式擴散。間隙式擴散。擴散。間隙式擴散。 常見元素在硅中的擴散方式常見元素

4、在硅中的擴散方式擴散方式擴散方式雜質(zhì)雜質(zhì)替位：空位式移動替位：空位式移動P, Sb, Al, Ga, As替位：填隙式移動替位：填隙式移動 B, P, As間隙：間隙式移動間隙：間隙式移動O替位：間隙式移動替位：間隙式移動Au多晶硅中的雜質(zhì)擴散多晶硅中的雜質(zhì)擴散 在多晶硅薄膜中進行雜質(zhì)擴散的擴散方式與單晶硅在多晶硅薄膜中進行雜質(zhì)擴散的擴散方式與單晶硅中的方式是不同的，因為中的方式是不同的，因為多晶硅中有晶粒間界存在多晶硅中有晶粒間界存在，所以所以雜質(zhì)原子主要沿著晶粒間界進行擴散雜質(zhì)原子主要沿著晶粒間界進行擴散。主要有三種擴散模式：主要有三種擴散模式：晶粒尺寸較小或晶粒內(nèi)的擴散較快，以至從兩邊晶

5、晶粒尺寸較小或晶粒內(nèi)的擴散較快，以至從兩邊晶粒間界向晶粒內(nèi)的擴散相互重疊，形成如圖粒間界向晶粒內(nèi)的擴散相互重疊，形成如圖A類分布。類分布。晶粒較大或晶粒內(nèi)的擴散較慢，所以離晶粒間界較晶粒較大或晶粒內(nèi)的擴散較慢，所以離晶粒間界較遠處雜質(zhì)原子很少，形成如圖遠處雜質(zhì)原子很少，形成如圖B類分布。類分布。與晶粒間界擴散相比，晶粒內(nèi)的擴散可以忽略不計，與晶粒間界擴散相比，晶粒內(nèi)的擴散可以忽略不計，因此形成如圖因此形成如圖C類分布。類分布。所以所以多晶擴散要比單晶擴散快得多，其擴散速度一般多晶擴散要比單晶擴散快得多，其擴散速度一般要大兩個數(shù)量級。要大兩個數(shù)量級。上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)u熱氧化生長動力學(xué)

6、熱氧化生長動力學(xué)兩種極限情況：兩種極限情況：1. 當(dāng)氧化時間很短，即當(dāng)氧化時間很短，即t+ A2/4B時，則時，則SiO2的厚度與時間的關(guān)系為的厚度與時間的關(guān)系為稱為線性氧化，稱為線性氧化，B/A為線性速率常數(shù)，主要由為線性速率常數(shù)，主要由ks決定，即為化學(xué)反應(yīng)控制。決定，即為化學(xué)反應(yīng)控制。2. 當(dāng)氧化時間很長，即當(dāng)氧化時間很長，即 t 和和 t A2/4B時，時，SiO2的厚度與時間的關(guān)系為的厚度與時間的關(guān)系為稱為拋物型氧化規(guī)律，稱為拋物型氧化規(guī)律，B為拋物型速率常數(shù)。為拋物型速率常數(shù)。B與與DSiO2成正比，所以成正比，所以SiO2的生長速率主要由氧化劑在的生長速率主要由氧化劑在SiO2中

7、的擴散快慢中的擴散快慢決定，即為擴散控制。決定，即為擴散控制。)(0tABx)(20tBx1.1.決定氧化速率常數(shù)的兩個因素：決定氧化速率常數(shù)的兩個因素：氧化劑分壓：氧化劑分壓：B、B/A均與均與Pg成正比，那么在一定氧化條件下，通成正比，那么在一定氧化條件下，通過改變氧化劑分壓可改變二氧化硅生長速率。高壓氧化、低壓氧化過改變氧化劑分壓可改變二氧化硅生長速率。高壓氧化、低壓氧化氧化溫度：氧化溫度： B(DSiO2)、B/A(ks)均與均與T呈指數(shù)關(guān)系，激活能不同呈指數(shù)關(guān)系，激活能不同2.影響氧化速率的其他因素影響氧化速率的其他因素硅表面晶向：硅表面晶向：僅在氧化的初始階段對由反應(yīng)控制的氧化過程

8、有影響，僅在氧化的初始階段對由反應(yīng)控制的氧化過程有影響， 對擴散控制的氧化過程無影響對擴散控制的氧化過程無影響 原因：表面原子密度大，原因：表面原子密度大，(111)比比(100)氧化速率快些氧化速率快些雜質(zhì)：雜質(zhì)：B，P，氧化速率變快，氧化速率變快 水汽、鈉、氯（改善）水汽、鈉、氯（改善）3.熱氧化過程中雜質(zhì)再分布熱氧化過程中雜質(zhì)再分布（分凝系數(shù)與擴散系數(shù)）（分凝系數(shù)與擴散系數(shù)）4.初始氧化階段初始氧化階段（與（與D-G模型不符）模型不符）和薄氧化層的生長和薄氧化層的生長（表面處理）（表面處理）上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)替位式擴散替位式擴散間隙式擴散間隙式擴散擴散是向半導(dǎo)體摻雜的重要方法之

9、一擴散是向半導(dǎo)體摻雜的重要方法之一上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)間隙式擴散間隙式擴散間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)：存在于存在于晶格間隙晶格間隙的雜質(zhì)。的雜質(zhì)。以間隙形式存在于硅中的雜質(zhì)，主要是那些以間隙形式存在于硅中的雜質(zhì)，主要是那些半徑較小、不容易和硅原子鍵合半徑較小、不容易和硅原子鍵合的原子。的原子。間隙式雜質(zhì)在硅晶體中的擴散運動主要間隙式雜質(zhì)在硅晶體中的擴散運動主要是間隙式擴散。是間隙式擴散。間隙式擴散：間隙式擴散：間隙式雜質(zhì)從一個間隙位間隙式雜質(zhì)從一個間隙位置到另一個間隙位置的運動稱為間隙式置到另一個間隙位置的運動稱為間隙式擴散。擴散。對間隙雜質(zhì)來說，間隙位置是勢能極對間隙雜質(zhì)來說，間隙位置是勢

10、能極小位置，相鄰的兩個間隙之間是勢能小位置，相鄰的兩個間隙之間是勢能極大位置。間隙雜質(zhì)要從一個間隙位極大位置。間隙雜質(zhì)要從一個間隙位置運動到相鄰的間隙位置上，必須要置運動到相鄰的間隙位置上，必須要越過一個勢壘，勢壘高度越過一個勢壘，勢壘高度Wi一般為一般為0.6 1.2eV。間隙雜質(zhì)只能依靠熱漲落才能獲得大間隙雜質(zhì)只能依靠熱漲落才能獲得大于于Wi的能量，越過勢壘跳到近鄰的間的能量，越過勢壘跳到近鄰的間隙位置。隙位置。)/exp(0kTWPii 溫度越高，間隙雜質(zhì)的跳躍率越高，間隙式擴散越容易。溫度越高，間隙雜質(zhì)的跳躍率越高，間隙式擴散越容易。若間隙雜質(zhì)的熱振動頻率為若間隙雜質(zhì)的熱振動頻率為 0

11、，根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計分布，根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計分布，熱漲落獲得能量大于熱漲落獲得能量大于Wi的幾率正比于的幾率正比于exp(-Wi/kT)，則得，則得到間隙雜質(zhì)的跳躍率（每秒的跳躍次數(shù)）為到間隙雜質(zhì)的跳躍率（每秒的跳躍次數(shù)）為替位式擴散替位式擴散 如果替位雜質(zhì)的近鄰沒有空位則替位雜質(zhì)要運動到近鄰晶格位置如果替位雜質(zhì)的近鄰沒有空位則替位雜質(zhì)要運動到近鄰晶格位置上，就必須通過上，就必須通過互相換位互相換位才能實現(xiàn)。這種換位會引起周圍晶格發(fā)生很大才能實現(xiàn)。這種換位會引起周圍晶格發(fā)生很大的畸變，的畸變，需要相當(dāng)大的能量需要相當(dāng)大的能量，因此，因此只有當(dāng)替位雜質(zhì)的近鄰晶格上出現(xiàn)空只有當(dāng)替位雜質(zhì)的近鄰晶格上出現(xiàn)

12、空位，替位式擴散才比較容易發(fā)生位，替位式擴散才比較容易發(fā)生。替位式擴散：替位雜質(zhì)從一個晶格位置擴散到另一個晶格位置。替位式擴散：替位雜質(zhì)從一個晶格位置擴散到另一個晶格位置。對替位雜質(zhì)來說，在晶格位置上勢能相對對替位雜質(zhì)來說，在晶格位置上勢能相對最低，而間隙處是勢能最高位置。最低，而間隙處是勢能最高位置。與間隙雜質(zhì)相同，替位雜質(zhì)要從一個格點與間隙雜質(zhì)相同，替位雜質(zhì)要從一個格點位置運動到近鄰格點上，必須要越過一個位置運動到近鄰格點上，必須要越過一個勢壘。勢壘高度為勢壘。勢壘高度為Ws。 替位雜質(zhì)依靠熱漲落越過勢壘替位雜質(zhì)依靠熱漲落越過勢壘W(wǎng)s的幾率為：的幾率為：替位雜質(zhì)的運動比間隙雜質(zhì)更為困難，首

13、替位雜質(zhì)的運動比間隙雜質(zhì)更為困難，首先要在近鄰出現(xiàn)空位，同時還要依靠熱漲先要在近鄰出現(xiàn)空位，同時還要依靠熱漲落獲得大于勢壘高度落獲得大于勢壘高度Ws的能量才能實現(xiàn)替的能量才能實現(xiàn)替位運動。位運動。)/exp(0kTWs平衡時單位體積的空位數(shù)為：平衡時單位體積的空位數(shù)為：N是單位體積內(nèi)所含的晶格格點數(shù)，是單位體積內(nèi)所含的晶格格點數(shù)，Wv代表形成一個空位所需要的能量。代表形成一個空位所需要的能量。則則每個格點上出現(xiàn)空位的幾率為：每個格點上出現(xiàn)空位的幾率為：根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，替位雜質(zhì)依靠熱漲落跳過勢壘替位雜質(zhì)依靠熱漲落跳過勢壘W(wǎng)s的幾率為：的幾率為：替位雜質(zhì)的跳躍率替位雜質(zhì)

14、的跳躍率為出現(xiàn)空位的幾率乘以跳入該空位的幾率，即：為出現(xiàn)空位的幾率乘以跳入該空位的幾率，即：對硅中的替位雜質(zhì)來說，對硅中的替位雜質(zhì)來說，Wv+Ws約為約為34eV)/exp(vkTWNn)/exp(kTWNnv)/exp(0kTWs/ )(exp)/exp()/exp(00kTWWkTWkTWPvssvv3.2、擴散系數(shù)與擴散方程、擴散系數(shù)與擴散方程3.2.1 菲克第一定律菲克第一定律1855年，菲克年，菲克(Fick)，提出描述物質(zhì)擴散的第一定律。，提出描述物質(zhì)擴散的第一定律。菲克第一定律：菲克第一定律：如果在一個有限的基體中雜質(zhì)濃度如果在一個有限的基體中雜質(zhì)濃度C(x, t)存在存在梯度分

15、布，則雜質(zhì)將會產(chǎn)生擴散運動，雜質(zhì)的擴散流密度梯度分布，則雜質(zhì)將會產(chǎn)生擴散運動，雜質(zhì)的擴散流密度 J 正比于雜質(zhì)濃度梯度正比于雜質(zhì)濃度梯度 C(x, t) / x ，比例系數(shù)，比例系數(shù)D定義為雜質(zhì)在基定義為雜質(zhì)在基體中的擴散系數(shù)。體中的擴散系數(shù)。擴散流密度的一維表達式為：擴散流密度的一維表達式為： xtxCDtxJ,),(擴散流密度擴散流密度 J 定義為單位時間通過單位面積的雜質(zhì)定義為單位時間通過單位面積的雜質(zhì)(粒子粒子)數(shù)。數(shù)。D是擴散系數(shù)，是擴散系數(shù)，D的單位為的單位為cm2/s。 雜質(zhì)的擴散方向是使雜質(zhì)濃度梯度變小。如果擴散時間足雜質(zhì)的擴散方向是使雜質(zhì)濃度梯度變小。如果擴散時間足夠長，則雜

16、質(zhì)分布逐漸變得均勻。夠長，則雜質(zhì)分布逐漸變得均勻。 當(dāng)濃度梯度變小時，擴散減緩。當(dāng)濃度梯度變小時，擴散減緩。 擴散系數(shù)擴散系數(shù)D依賴于擴散溫度、雜質(zhì)的類型以及雜質(zhì)濃度等。依賴于擴散溫度、雜質(zhì)的類型以及雜質(zhì)濃度等。xtxCDtxJ,),( 首先在替位原子的勢能曲線和一維擴散模型的首先在替位原子的勢能曲線和一維擴散模型的基礎(chǔ)上，來推導(dǎo)擴散粒子流密度基礎(chǔ)上，來推導(dǎo)擴散粒子流密度J(x, t)的表達式。的表達式。 晶格常數(shù)為晶格常數(shù)為a，t時刻在時刻在(x-a/2)和和(x+a/2)位置處，位置處，單位面積上替位原子數(shù)分別為單位面積上替位原子數(shù)分別為C(x-a/2, t)*a和和C(x+a/2, t)

17、 *a。單位時間內(nèi)，替位原子由。單位時間內(nèi)，替位原子由(x-a/2)處處跳到跳到(x+a/2處處)的粒子數(shù)目為的粒子數(shù)目為由由(x+a/2)處單位面積上跳到處單位面積上跳到(x-a/2)處的粒子數(shù)目為處的粒子數(shù)目為3.2.2 擴散系數(shù)擴散系數(shù)vPataxC),2(vPataxC),2(推導(dǎo)擴散系數(shù)：推導(dǎo)擴散系數(shù)：則則t時刻通過時刻通過x處單位面積的凈粒子數(shù)（粒子流密度）為：處單位面積的凈粒子數(shù)（粒子流密度）為：則有：則有：D0為表觀擴散系數(shù)，為表觀擴散系數(shù)，E為激活能。為激活能。擴散系數(shù)擴散系數(shù)D由由D0、E及溫度及溫度T決定決定。xtxCDxtxCPaaPtaxCaPtaxCtxJvvv),

18、(),(),2(),2(),(23.2.3 菲克第二定律（擴散方程）菲克第二定律（擴散方程） 如圖，沿擴散方向，從如圖，沿擴散方向，從x到到x+x，面積為，面積為s的一個的一個小小體積元內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量隨時間的變化體積元內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量隨時間的變化情況。情況。 假設(shè)在小體積元假設(shè)在小體積元v=xs內(nèi)的內(nèi)的雜質(zhì)分布是均勻雜質(zhì)分布是均勻的。的。 在在t時刻，體積元內(nèi)的時刻，體積元內(nèi)的雜質(zhì)濃度為雜質(zhì)濃度為C(x, t)，在，在t+t時刻時刻雜質(zhì)濃度為雜質(zhì)濃度為C(x, t+t) 。經(jīng)過。經(jīng)過t時間，該體積元內(nèi)雜質(zhì)時間，該體積元內(nèi)雜質(zhì)變化量為變化量為xstxCttxCxsttxCxstxC),(),(),()

19、,(tstxJtxxJtstxJtstxxJ),(),(),(),(擴散方程的推導(dǎo)（一維擴散）擴散方程的推導(dǎo)（一維擴散）設(shè)雜質(zhì)在設(shè)雜質(zhì)在x和和x+x處的擴散流密度分別為處的擴散流密度分別為J(x,t) 和和J(x+x,t)，則在，則在t時間內(nèi)，時間內(nèi)，通過通過x處和處和x+x處的雜質(zhì)數(shù)量差值為處的雜質(zhì)數(shù)量差值為 假設(shè)體積元內(nèi)的雜質(zhì)不產(chǎn)生也不消失，可得假設(shè)體積元內(nèi)的雜質(zhì)不產(chǎn)生也不消失，可得 把菲克第一定律代入上式則得一維擴散方程把菲克第一定律代入上式則得一維擴散方程 此方程就是此方程就是菲克第二定律菲克第二定律的最普遍表達式。的最普遍表達式。 如果假設(shè)擴散系數(shù)如果假設(shè)擴散系數(shù)D為常數(shù)，這種假設(shè)在

20、低雜質(zhì)濃度情況下是正確的，為常數(shù)，這種假設(shè)在低雜質(zhì)濃度情況下是正確的，則得則得 xtxJttxC,xtxCDxttxC,22,xtxCDttxC3.3、擴散雜質(zhì)的分布、擴散雜質(zhì)的分布3.3.1 恒定表面源擴散恒定表面源擴散恒定表面源擴散：恒定表面源擴散：整個擴散過程中，整個擴散過程中，硅片表面的雜質(zhì)濃度始終不變硅片表面的雜質(zhì)濃度始終不變。在恒定表面源擴散過程中，表面濃度在恒定表面源擴散過程中，表面濃度Cs始終保持恒定，始終保持恒定，邊界條件：邊界條件：假定雜質(zhì)在硅內(nèi)的擴散深度遠小于硅片的厚度，假定雜質(zhì)在硅內(nèi)的擴散深度遠小于硅片的厚度，則另一個邊界條件為則另一個邊界條件為 sCtC), 0(0)

21、,( tC 根據(jù)實際情況下的邊界條件和初始條件，求解擴散方程，就可以得根據(jù)實際情況下的邊界條件和初始條件，求解擴散方程，就可以得到擴散雜質(zhì)的濃度分布到擴散雜質(zhì)的濃度分布C(x,t)。在擴散開始時，初始條件應(yīng)為在擴散開始時，初始條件應(yīng)為 根據(jù)上述的邊界條件和初始條件，可求出恒定表面源擴散的雜質(zhì)分根據(jù)上述的邊界條件和初始條件，可求出恒定表面源擴散的雜質(zhì)分布情況：布情況：erfc為余誤差函數(shù)。為余誤差函數(shù)。0, 0)0 ,(xxCDtxerfcCDtxerfCtxCss221),(恒定表面源擴散的雜質(zhì)分布形式如圖所示。恒定表面源擴散的雜質(zhì)分布形式如圖所示。 在表面濃度在表面濃度Cs一定的情況下，擴散

22、時間越長，雜一定的情況下，擴散時間越長，雜質(zhì)擴散的就越深，擴到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量也就越多。質(zhì)擴散的就越深，擴到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量也就越多。 如果擴散時間為如果擴散時間為t，那么通過單位表面積擴散到，那么通過單位表面積擴散到Si片內(nèi)部的雜質(zhì)數(shù)量片內(nèi)部的雜質(zhì)數(shù)量Q(t)為：為： 恒定源擴散，其恒定源擴散，其表面雜質(zhì)濃度表面雜質(zhì)濃度Cs基本上由該雜質(zhì)基本上由該雜質(zhì)在擴散溫度在擴散溫度(900-1200)下的固溶度所決定下的固溶度所決定，在，在900-1200范圍內(nèi)，固溶度隨溫度變化不大，范圍內(nèi)，固溶度隨溫度變化不大，很難很難通過改變溫度來達到控制表面濃度通過改變溫度來達到控制表面濃度Cs的目的，的目的，這這

23、是該擴散方法的不足之處。是該擴散方法的不足之處。雜質(zhì)分布形式雜質(zhì)分布形式DtCdxDtxerfcCdxtxCtQss22,)(00恒定表面源擴散的主要特點恒定表面源擴散的主要特點雜質(zhì)在硅中的雜質(zhì)在硅中的固溶度固溶度：在給定溫度下的最大雜質(zhì)濃度在給定溫度下的最大雜質(zhì)濃度結(jié)深結(jié)深 如果擴散雜質(zhì)與硅襯底原有雜質(zhì)的導(dǎo)電類型如果擴散雜質(zhì)與硅襯底原有雜質(zhì)的導(dǎo)電類型不同，在兩種雜質(zhì)濃度相等處會形成不同，在兩種雜質(zhì)濃度相等處會形成p-n結(jié)。結(jié)。 若若CB為硅襯底原有的背景雜質(zhì)濃度，根據(jù)為硅襯底原有的背景雜質(zhì)濃度，根據(jù)C(xj, t)=CB，得到結(jié)的位置，得到結(jié)的位置xj： 其中其中A是常數(shù)。是常數(shù)。 xj與擴

24、散系數(shù)與擴散系數(shù)D和擴散時間和擴散時間t的平方根成正比。的平方根成正比。 D與溫度與溫度T是指數(shù)關(guān)系，所以在擴散過程中，是指數(shù)關(guān)系，所以在擴散過程中，溫度對擴散深度和雜質(zhì)分布的影響較大。溫度對擴散深度和雜質(zhì)分布的影響較大。DtACCerfcDtxsBj12 雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度 如果雜質(zhì)按余誤差函數(shù)分布，可求得雜質(zhì)濃度梯度為如果雜質(zhì)按余誤差函數(shù)分布，可求得雜質(zhì)濃度梯度為 由上式可知，由上式可知，雜質(zhì)濃度梯度大小與雜質(zhì)濃度梯度大小與Cs，t和和D(即溫度即溫度T)有關(guān)有關(guān)，可以改變，可以改變其中某個量來控制雜質(zhì)濃度分布的梯度。其中某個量來控制雜質(zhì)濃度分布的梯度。 在在pn結(jié)處的梯度為結(jié)處的梯

25、度為 由上式可以看出，由上式可以看出，在在Cs和和CB一定的情況下，一定的情況下，pn結(jié)越深，在結(jié)處的雜質(zhì)結(jié)越深，在結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度就越小。濃度梯度就越小。)4exp(,2,DtxDtCxtxCstxsBsBjsxCCerfcCCerfcxCxtxCj12exp12,3.3.2 有限表面源擴散有限表面源擴散有限表面源擴散：有限表面源擴散：擴散之前在硅片表面先沉積一層擴散之前在硅片表面先沉積一層雜質(zhì)，在整個擴散過程中這層雜質(zhì)作為擴散的雜質(zhì)雜質(zhì)，在整個擴散過程中這層雜質(zhì)作為擴散的雜質(zhì)源，不再有新源補充，這種擴散方式稱為有限表面源，不再有新源補充，這種擴散方式稱為有限表面源擴散。源擴散。假設(shè)假設(shè)擴

26、散之前在硅片表面沉積的雜質(zhì)均勻地分布在擴散之前在硅片表面沉積的雜質(zhì)均勻地分布在薄層薄層h內(nèi)，每單位面積上的內(nèi)，每單位面積上的雜質(zhì)數(shù)量為雜質(zhì)數(shù)量為Q，雜質(zhì)濃度，雜質(zhì)濃度為為Q/h。如果雜質(zhì)在硅內(nèi)要擴散的深度遠大于。如果雜質(zhì)在硅內(nèi)要擴散的深度遠大于h，則，則預(yù)先淀積的雜質(zhì)分布可按預(yù)先淀積的雜質(zhì)分布可按函數(shù)函數(shù)考慮?？紤]。初始條件為：初始條件為：hxxChxhQCxCs, 0)0 ,(0,)0()0 ,(假設(shè)假設(shè)雜質(zhì)不蒸發(fā)，硅片厚度遠大于雜質(zhì)要擴散的深度。雜質(zhì)不蒸發(fā)，硅片厚度遠大于雜質(zhì)要擴散的深度。則邊界條件為：則邊界條件為：在上面的初始條件和邊界條件下，求解擴散方程，得到在上面的初始條件和邊界條件

27、下，求解擴散方程，得到有限表面源擴散的雜質(zhì)分布情況：有限表面源擴散的雜質(zhì)分布情況：式中，式中，exp(-x2/4Dt)為高斯函數(shù)。為高斯函數(shù)。)4exp(),(2DtxDtQtxC0),( tC雜質(zhì)分布形式雜質(zhì)分布形式 )4exp(),(2DtxtCtxCs有限表面源擴散的主要特點有限表面源擴散的主要特點 擴散溫度相同時，擴散時間越長，雜質(zhì)擴散的擴散溫度相同時，擴散時間越長，雜質(zhì)擴散的越深，表面濃度越低。越深，表面濃度越低。 擴散時間相同時，擴散溫度越高，雜質(zhì)擴散的擴散時間相同時，擴散溫度越高，雜質(zhì)擴散的越深，表面濃度下降越多。越深，表面濃度下降越多。 溫度相同時，雜質(zhì)的分布情況隨擴散時間的變

28、溫度相同時，雜質(zhì)的分布情況隨擴散時間的變化如圖所示，有限表面源擴散在整個擴散過程中雜化如圖所示，有限表面源擴散在整個擴散過程中雜質(zhì)數(shù)量保持不變，各條分析曲線下面所包圍的面積質(zhì)數(shù)量保持不變，各條分析曲線下面所包圍的面積相等。相等。 有限源擴散的表面雜質(zhì)濃度是可以控制的有限源擴散的表面雜質(zhì)濃度是可以控制的，任，任意時刻意時刻t的表面濃度：的表面濃度：雜質(zhì)分布為：雜質(zhì)分布為： DtQtCtCs, 0)(結(jié)深結(jié)深 如果襯底中原有雜質(zhì)與擴散的雜質(zhì)具有不同的導(dǎo)電類型，則在兩種雜如果襯底中原有雜質(zhì)與擴散的雜質(zhì)具有不同的導(dǎo)電類型，則在兩種雜質(zhì)濃度相等處形成質(zhì)濃度相等處形成p-n結(jié)，結(jié)深可由下式求出：結(jié)，結(jié)深可

29、由下式求出： 則結(jié)深為則結(jié)深為 A與比值與比值Cs/CB有關(guān)，但因為表面雜質(zhì)濃度有關(guān)，但因為表面雜質(zhì)濃度Cs (t)隨時間變化，所以隨時間變化，所以A也隨也隨時間變化，這與恒定源擴散情況（時間變化，這與恒定源擴散情況（A是常數(shù)）不同是常數(shù)）不同。 在雜質(zhì)分布形式相同的情況下，在雜質(zhì)分布形式相同的情況下，CB越大，結(jié)深越淺。越大，結(jié)深越淺。DtACCDtxBsjln2)4exp()(,2DtxtCtxCCjsjB 雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度任意位置任意位置x處的雜質(zhì)濃度梯度處的雜質(zhì)濃度梯度在在p-n結(jié)處的雜質(zhì)梯度為結(jié)處的雜質(zhì)梯度為雜質(zhì)濃度梯度將隨擴散結(jié)深的增加而減小雜質(zhì)濃度梯度將隨擴散結(jié)深的增加而

30、減小。txCDtxxtxCtx,2,BsBsjCCCCjsxxCxtxCln2,P在硅中的擴散曲線在硅中的擴散曲線B在硅中的擴散曲線在硅中的擴散曲線3.3.3 兩步擴散兩步擴散 實際的擴散溫度一般為實際的擴散溫度一般為900-1200，在這個溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)在硅中的固溶度隨，在這個溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)在硅中的固溶度隨溫度變化不大，采用溫度變化不大，采用恒定表面源擴散很難通過改變溫度來控制表面濃度，而且很難得恒定表面源擴散很難通過改變溫度來控制表面濃度，而且很難得到低表面濃度的雜質(zhì)分布形式。到低表面濃度的雜質(zhì)分布形式。兩步擴散：采用兩種擴散結(jié)合的方式。兩步擴散：采用兩種擴散結(jié)合的方式。第一步稱為預(yù)擴

31、散或者預(yù)淀積：第一步稱為預(yù)擴散或者預(yù)淀積：在較低溫度下，采用恒定表面源擴散方式。在較低溫度下，采用恒定表面源擴散方式。在硅片表面擴散一層數(shù)量一定，按余誤差函數(shù)形式分布的雜質(zhì)。由于在硅片表面擴散一層數(shù)量一定，按余誤差函數(shù)形式分布的雜質(zhì)。由于溫度較溫度較低，且時間較短低，且時間較短，雜質(zhì)擴散的很淺，可認為雜質(zhì)是均勻分布在一薄層內(nèi)，雜質(zhì)擴散的很淺，可認為雜質(zhì)是均勻分布在一薄層內(nèi)，目目的是為了控制擴散雜質(zhì)的數(shù)量。的是為了控制擴散雜質(zhì)的數(shù)量。第二步稱為主擴散或者再分布：第二步稱為主擴散或者再分布：將由預(yù)擴散引入的雜質(zhì)作為擴散源，在將由預(yù)擴散引入的雜質(zhì)作為擴散源，在較較高溫度高溫度下進行擴散（有限表面源擴

32、散）。主擴散的下進行擴散（有限表面源擴散）。主擴散的目的是為了控制表面濃度目的是為了控制表面濃度和擴散深度。和擴散深度。兩步擴散后的雜質(zhì)最終分布形式：兩步擴散后的雜質(zhì)最終分布形式：D預(yù)預(yù)t預(yù)預(yù)D主主t主主，主擴散起決定作用，雜質(zhì)基本按高斯函數(shù)分布。，主擴散起決定作用，雜質(zhì)基本按高斯函數(shù)分布。3.4、影響雜質(zhì)分布的其他因素、影響雜質(zhì)分布的其他因素 前面求解擴散方程時，作了一些理想化的假設(shè)，且影響雜質(zhì)擴散前面求解擴散方程時，作了一些理想化的假設(shè)，且影響雜質(zhì)擴散的某些因素沒有考慮，實際擴散雜質(zhì)的分布與理論計算的結(jié)果有一的某些因素沒有考慮，實際擴散雜質(zhì)的分布與理論計算的結(jié)果有一定的差異，隨著集成度的提

33、高，器件尺寸越來越小，雜質(zhì)擴散深度定的差異，隨著集成度的提高，器件尺寸越來越小，雜質(zhì)擴散深度越來越淺，需要考慮影響雜質(zhì)分布的其它因素。越來越淺，需要考慮影響雜質(zhì)分布的其它因素。u硅中的點缺陷硅中的點缺陷u雜質(zhì)濃度對擴散系數(shù)的影響雜質(zhì)濃度對擴散系數(shù)的影響u氧化增強擴散氧化增強擴散u發(fā)射區(qū)推進效應(yīng)發(fā)射區(qū)推進效應(yīng)3.4.1 硅中的點缺陷硅中的點缺陷 實驗發(fā)現(xiàn)硅中雜質(zhì)原子的擴散，除了與空位有關(guān)外，還與硅中其實驗發(fā)現(xiàn)硅中雜質(zhì)原子的擴散，除了與空位有關(guān)外，還與硅中其他類型的點缺陷有著密切的關(guān)系。他類型的點缺陷有著密切的關(guān)系。硅中的點缺陷分為三類：硅中的點缺陷分為三類：替位缺陷：替位缺陷：是指位于晶格位置上

34、的雜質(zhì)原子，用是指位于晶格位置上的雜質(zhì)原子，用A表示。表示?？瘴蝗毕荩嚎瘴蝗毕荩菏侵妇Ц裎恢蒙先笔б粋€硅原子，用是指晶格位置上缺失一個硅原子，用V表示。表示。間隙類缺陷：間隙類缺陷：包括自間隙缺陷和間隙原子團。包括自間隙缺陷和間隙原子團。自間隙缺陷：硅晶格間隙位置上的硅原子，用自間隙缺陷：硅晶格間隙位置上的硅原子，用I表示。表示。間隙原子團：是由兩個或兩個以上的間隙原子形成。組成間隙原子團間隙原子團：是由兩個或兩個以上的間隙原子形成。組成間隙原子團的兩個原子可以都是硅原子的兩個原子可以都是硅原子(I缺陷缺陷)；或者是一個硅原子和一個摻雜原；或者是一個硅原子和一個摻雜原子子(AI缺陷缺陷)。雜質(zhì)

35、與空位的反應(yīng)：雜質(zhì)與空位的反應(yīng)： 替位型雜質(zhì)擴散機制：雜質(zhì)原子運動到近鄰的空位上替位型雜質(zhì)擴散機制：雜質(zhì)原子運動到近鄰的空位上Ai：間隙位置上的一個雜質(zhì)原子間隙位置上的一個雜質(zhì)原子 AV：空位附近的一個雜質(zhì)原子空位附近的一個雜質(zhì)原子AI：間隙原子團中的一個雜質(zhì)原子間隙原子團中的一個雜質(zhì)原子 在擴散的過程中，雜質(zhì)原子與缺陷之間的結(jié)合方式為：在擴散的過程中，雜質(zhì)原子與缺陷之間的結(jié)合方式為：AV，AI，Ai，AVAV可用以下反應(yīng)來描述可用以下反應(yīng)來描述 一個間隙硅原子把一個處在晶格位置上的替位雜質(zhì)一個間隙硅原子把一個處在晶格位置上的替位雜質(zhì)“踢出踢出”，使這，使這個雜質(zhì)處在晶體間隙位置上，而這個硅原

36、子卻占據(jù)了晶格位置。個雜質(zhì)處在晶體間隙位置上，而這個硅原子卻占據(jù)了晶格位置。硅原子硅原子“踢出踢出” 處在晶格位置上雜質(zhì)的示意圖處在晶格位置上雜質(zhì)的示意圖AiAI替位雜質(zhì)與間隙的反應(yīng)：替位雜質(zhì)與間隙的反應(yīng)：雜質(zhì)雜質(zhì)“踢出踢出”晶格位置上的硅原子進入晶格位置，成為替位雜質(zhì)，被晶格位置上的硅原子進入晶格位置，成為替位雜質(zhì)，被“踢踢出出”硅原子變?yōu)殚g隙原子。硅原子變?yōu)殚g隙原子。雜質(zhì)以間隙方式進行擴散運動。當(dāng)它遇到空位時可被俘獲，成為替位雜質(zhì)；雜質(zhì)以間隙方式進行擴散運動。當(dāng)它遇到空位時可被俘獲，成為替位雜質(zhì)；原來認為原來認為B和和P是只能靠空位機制才能運動的雜質(zhì)，實際上，考慮到點缺陷，是只能靠空位機制

37、才能運動的雜質(zhì)，實際上，考慮到點缺陷，B和和P是靠空位擴散和間隙擴散兩種機制進行擴散運動的。是靠空位擴散和間隙擴散兩種機制進行擴散運動的?！疤叱鎏叱觥?與間隙機制擴散示意圖與間隙機制擴散示意圖3.4.2 擴散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系擴散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 前面的求解擴散方程時，都假定擴散系數(shù)是與雜質(zhì)濃度無前面的求解擴散方程時，都假定擴散系數(shù)是與雜質(zhì)濃度無關(guān)的常數(shù)，但實驗發(fā)現(xiàn)擴散系數(shù)與雜質(zhì)濃度是有關(guān)的。關(guān)的常數(shù)，但實驗發(fā)現(xiàn)擴散系數(shù)與雜質(zhì)濃度是有關(guān)的。 只有當(dāng)雜質(zhì)濃度比擴散溫度下的本征載流子濃度低時，才只有當(dāng)雜質(zhì)濃度比擴散溫度下的本征載流子濃度低時，才可認為擴散系數(shù)與雜質(zhì)濃度無關(guān)，這種情況的擴散系數(shù)

38、叫做可認為擴散系數(shù)與雜質(zhì)濃度無關(guān)，這種情況的擴散系數(shù)叫做本本征擴散系數(shù)征擴散系數(shù)，用，用Di表示。表示。 把依賴于雜質(zhì)濃度把依賴于雜質(zhì)濃度(包括襯底雜質(zhì)和擴散雜質(zhì)包括襯底雜質(zhì)和擴散雜質(zhì)) 的擴散系數(shù)的擴散系數(shù)稱為稱為非本征擴散系數(shù)非本征擴散系數(shù)，用，用De表示。表示。 、族元素在硅中擴散運動的理論是建立在族元素在硅中擴散運動的理論是建立在雜質(zhì)與空位相互作用雜質(zhì)與空位相互作用的基礎(chǔ)上，即雜質(zhì)原子通過跳的基礎(chǔ)上，即雜質(zhì)原子通過跳入鄰近的空位實現(xiàn)擴散，因此，入鄰近的空位實現(xiàn)擴散，因此，擴散系數(shù)和空位濃擴散系數(shù)和空位濃度成正比度成正比。 擴散系數(shù)依賴于雜質(zhì)濃度的一種可能的解釋是：擴散系數(shù)依賴于雜質(zhì)濃度

39、的一種可能的解釋是：摻入的施主或受主雜質(zhì)誘導(dǎo)出大量荷電態(tài)空位，空摻入的施主或受主雜質(zhì)誘導(dǎo)出大量荷電態(tài)空位，空位濃度增加，因而擴散系數(shù)增大位濃度增加，因而擴散系數(shù)增大。 硅中的荷電態(tài)空位主要有四種：硅中的荷電態(tài)空位主要有四種：V0，V+，V-，V2-。其中。其中V0濃度不依賴于雜質(zhì)濃度，而濃度不依賴于雜質(zhì)濃度，而 V+、 V-和和 V2-與摻雜濃度有關(guān)。與摻雜濃度有關(guān)。 空位的能帶圖如圖?？瘴坏哪軒D如圖。擴散系數(shù)與雜質(zhì)濃度有關(guān)的原因擴散系數(shù)與雜質(zhì)濃度有關(guān)的原因在低摻雜情況下，硅中各種空位的實際濃度是非常低的，可認為各種荷在低摻雜情況下，硅中各種空位的實際濃度是非常低的，可認為各種荷電空位之間不

40、發(fā)生相互作用，總的擴散系數(shù)就是各跳躍過程單獨貢獻的電空位之間不發(fā)生相互作用，總的擴散系數(shù)就是各跳躍過程單獨貢獻的擴散系數(shù)之和。擴散系數(shù)之和。 其中其中 分別表示雜質(zhì)通過與分別表示雜質(zhì)通過與V0，V+，V-，V2-空位作用的擴散空位作用的擴散系數(shù)。系數(shù)。在高摻雜情況下，非本征擴散系數(shù)可以看成是在高摻雜情況下，非本征擴散系數(shù)可以看成是雜質(zhì)與各種荷電空位相互雜質(zhì)與各種荷電空位相互作用所貢獻的擴散系數(shù)的總和作用所貢獻的擴散系數(shù)的總和，差別僅在于，差別僅在于各種荷電空位對擴散系數(shù)的各種荷電空位對擴散系數(shù)的相對貢獻發(fā)生了變化相對貢獻發(fā)生了變化。在高摻雜情況下的擴散系數(shù)為：。在高摻雜情況下的擴散系數(shù)為：20

41、iiiiiDDDDD220iiiiiiiennDnnDnpDDD20,iiiiDDDD3.4.3 氧化增強擴散氧化增強擴散雜質(zhì)在氧化氣氛中的擴散，與中性雜質(zhì)在氧化氣氛中的擴散，與中性氣氛相比，存在明顯的增強，這種氣氛相比，存在明顯的增強，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為氧化增強擴散氧化增強擴散(OED)。雜質(zhì)雜質(zhì)硼和磷的增強硼和磷的增強現(xiàn)象最為明顯，現(xiàn)象最為明顯，雜質(zhì)雜質(zhì)砷砷也有一定程度的也有一定程度的增強增強。對于硼擴散，從圖可以看到，對于硼擴散，從圖可以看到，在氧在氧化區(qū)下方，硼的擴散結(jié)深大于保護化區(qū)下方，硼的擴散結(jié)深大于保護區(qū)下方的結(jié)深，區(qū)下方的結(jié)深，這說明在氧化過程這說明在氧化過程中，硼的擴散被增

42、強。中，硼的擴散被增強。 硅氧化時，硅氧化時，在在Si-SiO2界面附近產(chǎn)生了大量的間隙界面附近產(chǎn)生了大量的間隙Si原子原子，這些過剩的，這些過剩的間隙間隙Si原子在向硅內(nèi)擴散的同時，不斷與空位復(fù)合，使這些過剩的間隙原子在向硅內(nèi)擴散的同時，不斷與空位復(fù)合，使這些過剩的間隙Si原子的濃度隨深度而降低。原子的濃度隨深度而降低。 在表面附近，在表面附近，過剩的間隙過剩的間隙Si原子可以和替位原子可以和替位B相互作用相互作用，從而使原來，從而使原來處于替位的處于替位的B變?yōu)殚g隙變?yōu)殚g隙B。當(dāng)間隙。當(dāng)間隙B的近鄰晶格的近鄰晶格沒有空位沒有空位時，間隙時，間隙B就以就以間間隙隙方式運動；如果間隙方式運動；

43、如果間隙B的近鄰晶格的近鄰晶格出現(xiàn)空位出現(xiàn)空位時，間隙時，間隙B又可以進入空位又可以進入空位變?yōu)樽優(yōu)樘嫖惶嫖籅。這樣，雜質(zhì)。這樣，雜質(zhì)B就以就以替位替位-間隙交替的方式間隙交替的方式運動，其擴散速度比運動，其擴散速度比單純的替位式擴散要快。單純的替位式擴散要快。 而在氮化硅保護下的硅不發(fā)生氧化，這個區(qū)域中的雜質(zhì)擴散主要通過而在氮化硅保護下的硅不發(fā)生氧化，這個區(qū)域中的雜質(zhì)擴散主要通過空位機制空位機制進行擴散，所以氧化區(qū)正下方進行擴散，所以氧化區(qū)正下方B的擴散結(jié)深大于氮化硅保護區(qū)正的擴散結(jié)深大于氮化硅保護區(qū)正下方的擴散結(jié)深。下方的擴散結(jié)深。 磷在氧化氣氛中的擴散也被增強，其機制與硼相同。磷在氧化氣

44、氛中的擴散也被增強，其機制與硼相同。氧化增強擴散氧化增強擴散(OED)機理機理 用銻代替硼的擴散實驗表明，氧化用銻代替硼的擴散實驗表明，氧化區(qū)正下方銻的擴散結(jié)深小于保護區(qū)下方區(qū)正下方銻的擴散結(jié)深小于保護區(qū)下方的擴散結(jié)深，說明在氧化過程中銻的擴的擴散結(jié)深，說明在氧化過程中銻的擴散被阻滯。散被阻滯。 這是因為這是因為控制銻擴散的主要機制是控制銻擴散的主要機制是空位?？瘴?。在氧化過程中，所產(chǎn)生的過剩間在氧化過程中，所產(chǎn)生的過剩間隙硅原子在向硅內(nèi)擴散的同時，不斷地隙硅原子在向硅內(nèi)擴散的同時，不斷地與空位復(fù)合，使與空位復(fù)合，使空位濃度減小，從而降空位濃度減小，從而降低了銻的擴散速度低了銻的擴散速度。銻的

45、氧化擴散阻滯銻的氧化擴散阻滯3.4.4 發(fā)射區(qū)推進效應(yīng)發(fā)射區(qū)推進效應(yīng) 在在npn窄基區(qū)晶體管制造中，如果基區(qū)和發(fā)射區(qū)分別擴硼和擴磷，則發(fā)窄基區(qū)晶體管制造中，如果基區(qū)和發(fā)射區(qū)分別擴硼和擴磷，則發(fā)現(xiàn)在發(fā)射區(qū)正下方現(xiàn)在發(fā)射區(qū)正下方(內(nèi)基區(qū)內(nèi)基區(qū))硼的擴散深度，大于不在發(fā)射區(qū)正下方硼的擴散深度，大于不在發(fā)射區(qū)正下方(外基區(qū)外基區(qū))硼硼的擴散深度。稱為的擴散深度。稱為發(fā)射區(qū)推進效應(yīng)發(fā)射區(qū)推進效應(yīng)，或發(fā)射區(qū)下陷效應(yīng)或發(fā)射區(qū)下陷效應(yīng)。 發(fā)射區(qū)正下方硼擴散的增強是發(fā)射區(qū)正下方硼擴散的增強是由于磷與空位相互作用形成的由于磷與空位相互作用形成的PV對發(fā)生分對發(fā)生分解解所帶來的復(fù)合效應(yīng)。所帶來的復(fù)合效應(yīng)。 硼附近硼

46、附近PV對的分解對的分解會增加空位的濃度，因而加快了硼的擴散速度。會增加空位的濃度，因而加快了硼的擴散速度。 另一方面，在磷的擴散區(qū)的正下方，由于另一方面，在磷的擴散區(qū)的正下方，由于PV對的分解，存在過剩的間隙對的分解，存在過剩的間隙Si原子，這些原子，這些間隙間隙Si原子與原子與B相互作用增強了相互作用增強了B的擴散的擴散。3.4.5 二維擴散二維擴散 實際擴散過程中，雜質(zhì)通過窗口沿垂直硅實際擴散過程中，雜質(zhì)通過窗口沿垂直硅表面方向擴散的同時，也將在窗口邊緣附近表面方向擴散的同時，也將在窗口邊緣附近的硅內(nèi)進行平行表面的的硅內(nèi)進行平行表面的橫向擴散橫向擴散。 如果考慮二維擴散，并假定擴散系數(shù)與

47、雜如果考慮二維擴散，并假定擴散系數(shù)與雜質(zhì)濃度無關(guān)（質(zhì)濃度無關(guān)（低濃度低濃度），橫向擴散與縱向擴），橫向擴散與縱向擴散都近似以同樣方式進行，如果襯底中雜質(zhì)散都近似以同樣方式進行，如果襯底中雜質(zhì)濃度是均勻的，對于恒定源擴散和有限源擴濃度是均勻的，對于恒定源擴散和有限源擴散兩種情況下，散兩種情況下，硅內(nèi)雜質(zhì)濃度與表面濃度的硅內(nèi)雜質(zhì)濃度與表面濃度的比值曲線如圖比值曲線如圖。 由圖中曲線可以看到，由圖中曲線可以看到，硅內(nèi)濃度比表面濃硅內(nèi)濃度比表面濃度低兩個數(shù)量級以上時，橫向擴散的距離約度低兩個數(shù)量級以上時，橫向擴散的距離約為縱向擴散距離的為縱向擴散距離的75-85。 如果是如果是高濃度高濃度擴散情況，擴

48、散情況，橫向擴散的距離橫向擴散的距離約為縱向擴散距離的約為縱向擴散距離的65-70%。 由于橫向擴散的存在，實際擴由于橫向擴散的存在，實際擴散區(qū)域要比二氧化硅窗口的尺寸大，散區(qū)域要比二氧化硅窗口的尺寸大，其結(jié)果是其結(jié)果是硅內(nèi)擴散區(qū)域之間的實際硅內(nèi)擴散區(qū)域之間的實際距離比由光刻版所確定的尺寸要小距離比由光刻版所確定的尺寸要小。 圖中圖中L表示由光刻工藝所決定表示由光刻工藝所決定的兩個區(qū)域之間的距離，的兩個區(qū)域之間的距離，L表示實表示實際距離，這種效應(yīng)直接影響際距離，這種效應(yīng)直接影響ULSI的集成度。的集成度。3.5、擴散工藝、擴散工藝 擴散的目的：擴散的目的：向晶體中摻入一定數(shù)量的某種雜質(zhì)，并且

49、向晶體中摻入一定數(shù)量的某種雜質(zhì)，并且希望雜質(zhì)按要求分布。希望雜質(zhì)按要求分布。擴散工藝分類：擴散工藝分類：按原始雜質(zhì)源在室溫下的相態(tài)分類，可分按原始雜質(zhì)源在室溫下的相態(tài)分類，可分為為固態(tài)源擴散，液態(tài)源擴散和氣態(tài)源擴散固態(tài)源擴散，液態(tài)源擴散和氣態(tài)源擴散。本節(jié)討論不同相態(tài)源的擴散系統(tǒng)和特點。本節(jié)討論不同相態(tài)源的擴散系統(tǒng)和特點。3.5.1固態(tài)源擴散固態(tài)源擴散雜質(zhì)源放在坩堝內(nèi)，硅片插在石英舟中。雜質(zhì)源放在坩堝內(nèi)，硅片插在石英舟中。坩堝與石英舟相距一定距離放在擴散爐管內(nèi)，通過惰性氣體把雜質(zhì)源坩堝與石英舟相距一定距離放在擴散爐管內(nèi)，通過惰性氣體把雜質(zhì)源蒸氣輸運到硅片表面。蒸氣輸運到硅片表面。在擴散溫度雜質(zhì)化

50、合物與硅反應(yīng)，生成單質(zhì)雜質(zhì)原子并向硅內(nèi)擴散。在擴散溫度雜質(zhì)化合物與硅反應(yīng)，生成單質(zhì)雜質(zhì)原子并向硅內(nèi)擴散。溫度對雜質(zhì)濃度有著直接影響。溫度對雜質(zhì)濃度有著直接影響。1開管擴散開管擴散優(yōu)點：優(yōu)點：開管擴散的重復(fù)性和穩(wěn)定性都很好。開管擴散的重復(fù)性和穩(wěn)定性都很好。兩段爐溫法：兩段爐溫法：如果雜質(zhì)源的蒸氣壓很高，一般采用兩段爐溫法，如果雜質(zhì)源的蒸氣壓很高，一般采用兩段爐溫法，雜質(zhì)源放在低溫區(qū)，而雜質(zhì)向硅內(nèi)擴散是在高溫區(qū)完成。雜質(zhì)源放在低溫區(qū)，而雜質(zhì)向硅內(nèi)擴散是在高溫區(qū)完成。片狀雜質(zhì)源：片狀雜質(zhì)源：如果把固態(tài)源做成片狀，其尺寸可與硅片相等或略如果把固態(tài)源做成片狀，其尺寸可與硅片相等或略大于硅片，大于硅片，源

51、片和硅片相間并均勻的放在石英舟上源片和硅片相間并均勻的放在石英舟上，在擴散溫度，在擴散溫度下，雜質(zhì)源蒸氣包圍硅片并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出雜質(zhì)并向硅內(nèi)擴下，雜質(zhì)源蒸氣包圍硅片并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出雜質(zhì)并向硅內(nèi)擴散，這種方法本身并不需要攜帶氣體，但為了防止逆擴散相污染，散，這種方法本身并不需要攜帶氣體，但為了防止逆擴散相污染，擴散過程中以一定流速通入氮氣或氬氣作為保護氣體。擴散過程中以一定流速通入氮氣或氬氣作為保護氣體。2 箱法擴散箱法擴散把雜質(zhì)源和硅片裝在由石英或者硅做成的箱內(nèi)，在氮氣或氬氣保護下把雜質(zhì)源和硅片裝在由石英或者硅做成的箱內(nèi)，在氮氣或氬氣保護下進行擴散。進行擴散。雜質(zhì)源可以焙燒在箱蓋的內(nèi)壁

52、，或者放在箱內(nèi)，其源多為雜質(zhì)的氧化雜質(zhì)源可以焙燒在箱蓋的內(nèi)壁，或者放在箱內(nèi)，其源多為雜質(zhì)的氧化物。為了保持箱內(nèi)雜質(zhì)源蒸氣壓的恒定和防止雜質(zhì)源大量外泄，要求物。為了保持箱內(nèi)雜質(zhì)源蒸氣壓的恒定和防止雜質(zhì)源大量外泄，要求箱子具有一定密封性。箱子具有一定密封性。在高溫下，雜質(zhì)源的蒸氣充滿整個箱內(nèi)空間，與硅表面反應(yīng)，形成一在高溫下，雜質(zhì)源的蒸氣充滿整個箱內(nèi)空間，與硅表面反應(yīng)，形成一層含有雜質(zhì)的薄氧化層，雜質(zhì)由氧化層直接向硅內(nèi)擴散。層含有雜質(zhì)的薄氧化層，雜質(zhì)由氧化層直接向硅內(nèi)擴散。箱法擴散的硅表面濃度基本由擴散溫度下雜質(zhì)在硅中的固溶度決定，箱法擴散的硅表面濃度基本由擴散溫度下雜質(zhì)在硅中的固溶度決定，均勻性

53、較好。均勻性較好。 3 涂源法擴散涂源法擴散涂源法擴散：涂源法擴散：是把溶于溶劑中的雜質(zhì)源直接涂在待擴散的硅片表面，在高是把溶于溶劑中的雜質(zhì)源直接涂在待擴散的硅片表面，在高溫下由情性氣體保護進行擴散。溫下由情性氣體保護進行擴散。溶劑一般是聚乙烯醇，雜質(zhì)源一般是雜質(zhì)的氧化物或者是雜質(zhì)氧化物與惰溶劑一般是聚乙烯醇，雜質(zhì)源一般是雜質(zhì)的氧化物或者是雜質(zhì)氧化物與惰性氧化物的混合物。當(dāng)溶劑揮發(fā)之后就在硅表面形成一層雜質(zhì)源。性氧化物的混合物。當(dāng)溶劑揮發(fā)之后就在硅表面形成一層雜質(zhì)源。缺點：缺點：這種擴散方法的表面濃度很難控制，而且又不均勻。這種擴散方法的表面濃度很難控制，而且又不均勻。旋轉(zhuǎn)涂源工藝：旋轉(zhuǎn)涂源工

54、藝：把硅片放在旋轉(zhuǎn)盤上，再把溶于溶劑中的雜質(zhì)源涂在待擴把硅片放在旋轉(zhuǎn)盤上，再把溶于溶劑中的雜質(zhì)源涂在待擴散的硅片表面上，旋轉(zhuǎn)盤以每分散的硅片表面上，旋轉(zhuǎn)盤以每分2500-5000轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，雜質(zhì)源在硅表面形成幾千埃厚的薄層，可得到比較均勻的摻雜層。下，雜質(zhì)源在硅表面形成幾千埃厚的薄層，可得到比較均勻的摻雜層。這種方法只適合于對雜質(zhì)濃度控制要求不高的器件制造。這種方法只適合于對雜質(zhì)濃度控制要求不高的器件制造。硅片表面上的硅片表面上的雜質(zhì)源也可以采用化學(xué)氣相淀積法淀積雜質(zhì)源也可以采用化學(xué)氣相淀積法淀積，這種方法的均勻性、，這種方法的均勻性、重復(fù)性都很

55、好，還可以把片子排列很密，從而提高生產(chǎn)效率，其缺點是多重復(fù)性都很好，還可以把片子排列很密，從而提高生產(chǎn)效率，其缺點是多了一道工序。了一道工序。3.5.2 液態(tài)源擴散液態(tài)源擴散攜帶氣體攜帶氣體(通常是氮氣通常是氮氣)通過源瓶，把雜質(zhì)源蒸氣帶入擴散爐管內(nèi)。通過源瓶，把雜質(zhì)源蒸氣帶入擴散爐管內(nèi)。載氣除了通過攜帶雜質(zhì)氣體進入擴散爐內(nèi)之外，還有一部分直接進入爐內(nèi)，載氣除了通過攜帶雜質(zhì)氣體進入擴散爐內(nèi)之外，還有一部分直接進入爐內(nèi)，起稀釋和控制濃度的作用。起稀釋和控制濃度的作用。在液態(tài)源擴散中，為了保證穩(wěn)定性和重復(fù)性，擴散時源溫通常控制在在液態(tài)源擴散中，為了保證穩(wěn)定性和重復(fù)性，擴散時源溫通?？刂圃?。液態(tài)源

56、擴散優(yōu)點：系統(tǒng)簡單，操作方便，成本低，效率高，重復(fù)性和均勻液態(tài)源擴散優(yōu)點：系統(tǒng)簡單，操作方便，成本低，效率高，重復(fù)性和均勻性都很好。性都很好。 擴散過程中應(yīng)準確控制爐溫、擴散時間、氣體流量和源溫等。源瓶的密封擴散過程中應(yīng)準確控制爐溫、擴散時間、氣體流量和源溫等。源瓶的密封性要好，擴散系統(tǒng)不能漏氣。性要好，擴散系統(tǒng)不能漏氣。3.5.3 氣態(tài)源擴散氣態(tài)源擴散進入擴散爐管內(nèi)的氣體，除氣態(tài)雜質(zhì)源外，有時還需通入稀釋氣體，或者進入擴散爐管內(nèi)的氣體，除氣態(tài)雜質(zhì)源外，有時還需通入稀釋氣體，或者是氣態(tài)雜質(zhì)源進行化學(xué)反應(yīng)所需要的氣體。是氣態(tài)雜質(zhì)源進行化學(xué)反應(yīng)所需要的氣體。 氣態(tài)雜質(zhì)源多為雜質(zhì)的氫化物或者鹵化物，

57、這些氣體的毒性很大，且易燃氣態(tài)雜質(zhì)源多為雜質(zhì)的氫化物或者鹵化物，這些氣體的毒性很大，且易燃易爆，操作上要十分小心。易爆，操作上要十分小心。氣態(tài)雜質(zhì)源一般先在硅表面進行化學(xué)反應(yīng)生成摻雜氧化層，雜質(zhì)再由氧化氣態(tài)雜質(zhì)源一般先在硅表面進行化學(xué)反應(yīng)生成摻雜氧化層，雜質(zhì)再由氧化層向硅中擴散。層向硅中擴散。替位式擴散：替位式雜質(zhì)替位式擴散：替位式雜質(zhì)間隙式擴散：原子半徑小間隙式擴散：原子半徑小二者的擴散激活能不同二者的擴散激活能不同1.1.擴散是向半導(dǎo)體摻雜的重要方法之一擴散是向半導(dǎo)體摻雜的重要方法之一2. 菲克第一定律：菲克第一定律： 擴散流密度的一維表達式為：擴散流密度的一維表達式為：xtxCDtxJ,

58、),(D依賴于擴散溫度、雜質(zhì)的類型以及雜質(zhì)濃度等依賴于擴散溫度、雜質(zhì)的類型以及雜質(zhì)濃度等上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)/exp0kTEDDvsWWE020aD 恒定表面源擴散：恒定表面源擴散：擴散過程中，表面的雜質(zhì)濃度擴散過程中，表面的雜質(zhì)濃度Cs始終始終保持恒定保持恒定。雜質(zhì)分布形式：余誤差分布雜質(zhì)分布形式：余誤差分布隨著擴散時間增大，隨著擴散時間增大，進入體內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量增加，進入體內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量增加，結(jié)深增大，結(jié)深增大，pn結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度變緩。結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度變緩。上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)22,xtxCDttxC 3. 菲克第二定律：菲克第二定律： （擴散方程）（擴散方程）有限表面源

59、擴散：有限表面源擴散：擴散之前在硅片表面先沉積一層雜質(zhì)，擴散之前在硅片表面先沉積一層雜質(zhì)，這層雜質(zhì)作為擴散的雜質(zhì)源，不再有新源補充。這層雜質(zhì)作為擴散的雜質(zhì)源，不再有新源補充。雜質(zhì)分布形式：高斯分布雜質(zhì)分布形式：高斯分布隨著擴散時間增大，隨著擴散時間增大，表面雜質(zhì)濃度降低，表面雜質(zhì)濃度降低，結(jié)深增大，結(jié)深增大，pn結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度變緩。結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度變緩。上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)兩步擴散：兩步擴散：采用兩種擴散結(jié)合的方式。采用兩種擴散結(jié)合的方式。預(yù)擴散：預(yù)擴散：較低溫度較低溫度，恒定表面源擴散，恒定表面源擴散，時間短時間短，提供擴散雜質(zhì)源，提供擴散雜質(zhì)源主擴散：主擴散：較高溫度較高溫度

60、，有限表面源擴散，有限表面源擴散， 目的是控制表面濃度和擴散深度目的是控制表面濃度和擴散深度雜質(zhì)最終分布形式：雜質(zhì)最終分布形式：D預(yù)預(yù)t預(yù)預(yù)D主主t主主，主擴散起決定作用，雜質(zhì)基本按高斯函數(shù)分布。，主擴散起決定作用，雜質(zhì)基本按高斯函數(shù)分布。上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)影響雜質(zhì)分布的其他因素影響雜質(zhì)分布的其他因素: Si中的點缺陷（替位、空位、間隙）中的點缺陷（替位、空位、間隙） 雜質(zhì)濃度（摻雜濃度高時）雜質(zhì)濃度（摻雜濃度高時）上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)氧化增強擴散：氧化增強擴散：氧化區(qū)下，擴散增強，氧化區(qū)下，擴散增強，B，P，機理：間隙機理：間隙Si原子與替位原子與替位B相互作用，雜質(zhì)相互作