微細(xì)加工-3-擴(kuò)散課件

第

3

章擴(kuò)散

“擴(kuò)散”

是一種基本的摻雜技術(shù)。通過(guò)擴(kuò)散可將一定種類和數(shù)量的雜質(zhì)摻入硅片或其它晶體中，以改變其電學(xué)性質(zhì)。摻雜可形成

PN

結(jié)、雙極晶體管的基區(qū)、發(fā)射區(qū)、隔離區(qū)和隱埋區(qū)、MOS

晶體管的源區(qū)、漏區(qū)和阱區(qū)，以及擴(kuò)散電阻、互連引線、多晶硅電極等。

在硅中摻入少量

Ⅲ

族元素可獲得

P

型半導(dǎo)體，摻入少量Ⅴ族元素可獲得

N

型半導(dǎo)體。摻雜的濃度范圍為

1014

~

1021

cm-3，而硅的原子密度是5

×1022

cm-3，所以摻雜濃度為

1017

cm-3時(shí)，相當(dāng)于在硅中僅摻入了百萬(wàn)分之幾的雜質(zhì)。摻雜技術(shù)的種類擴(kuò)散離子注入中子嬗變

3.1

一維費(fèi)克擴(kuò)散方程本質(zhì)上，擴(kuò)散是微觀粒子作不規(guī)則熱運(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著濃度較低的地方進(jìn)行，從而使得粒子的分布逐漸趨于均勻。濃度差越大，溫度越高，擴(kuò)散就越快。將費(fèi)克第一定律針對(duì)不同邊界條件和初始條件可求出方程的解，得出雜質(zhì)濃度

N

(

x

,t

)的分布，即

N

與x和

t

的關(guān)系。上式又稱為

費(fèi)克第二定律。假定雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)

D

是與雜質(zhì)濃度

N

無(wú)關(guān)的常數(shù)，則可得到雜質(zhì)的

擴(kuò)散方程代入

連續(xù)性方程

3.2擴(kuò)散的原子模型雜質(zhì)原子在半導(dǎo)體中進(jìn)行擴(kuò)散的方式有兩種。以硅中的擴(kuò)散為例，O、Au、Cu、Fe、Ni、Zn、Mg等不易與硅原子鍵合的雜質(zhì)原子，從半導(dǎo)體晶格的間隙中擠進(jìn)去，即所謂

“填隙式”

擴(kuò)散；而P、As、Sb、B、Al、Ga、In等容易與硅原子鍵合的雜質(zhì)原子，則主要代替硅原子而占據(jù)格點(diǎn)的位置，再依靠周圍空的格點(diǎn)（即

空位）進(jìn)行擴(kuò)散

，即所謂

“替位式”擴(kuò)散。填隙式擴(kuò)散的速度比替位式擴(kuò)散快得多。式中，ni

代表

擴(kuò)散溫度下

的本征載流子濃度；n

與p

分別代表擴(kuò)散溫度下

的電子與空穴濃度，可由下式求得1、恒定表面濃度擴(kuò)散式中，erfc

代表余誤差函數(shù)；稱為特征擴(kuò)散長(zhǎng)度。由上述邊界條件與初始條件可求出擴(kuò)散方程的解，即恒定表面濃度擴(kuò)散的雜質(zhì)分布情況，為

余誤差函數(shù)分布，

3.3費(fèi)克定律的分析解邊界條件

1N（0,t）=NS

邊界條件

2N（∞,t）=0初始條件N（x,0）=0

在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中，雜質(zhì)不斷進(jìn)入硅中，而表面雜質(zhì)濃度NS

始終保持不變。

擴(kuò)散開(kāi)始時(shí)，表面放入一定量的雜質(zhì)源，而在以后的擴(kuò)散過(guò)程中不再有雜質(zhì)加入。假定擴(kuò)散開(kāi)始時(shí)硅片表面極薄一層內(nèi)單位面積的雜質(zhì)總量為

QT

，雜質(zhì)的擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于該層厚度，則雜質(zhì)的初始分布可取為

函數(shù)，擴(kuò)散方程的初始條件和邊界條件為這時(shí)擴(kuò)散方程的解為中心在x=0處的

高斯分布

2、恒定雜質(zhì)總量擴(kuò)散

恒定雜質(zhì)總量擴(kuò)散的主要特點(diǎn)

（1）在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中，雜質(zhì)總量

QT

保持不變；（2）擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)散溫度越高，則雜質(zhì)擴(kuò)散得越深；（3）擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)散溫度越高，表面濃度

NS

越低，即表面雜質(zhì)濃度可控。

例如，雙極晶體管中基區(qū)的硼擴(kuò)散，一般采用兩步擴(kuò)散。因硼在硅中的固溶度隨溫度變化較小，一般在1020

cm-3以上，而通常要求基區(qū)的表面濃度在

1018cm-3，因此必須采用第二步再分布來(lái)得到較低的表面濃度。

第一步恒定表面濃度擴(kuò)散，淀積到硅片上的雜質(zhì)總量為

D2

代表再分布溫度下的雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，t2

代表再分布時(shí)間。再分布后的表面雜質(zhì)濃度為

D1

代表預(yù)淀積溫度下的雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，t1

代表預(yù)淀積時(shí)間，NS1

代表預(yù)淀積溫度下的雜質(zhì)固溶度。若預(yù)淀積后的分布可近似為δ函數(shù)，則可求出再分布后的雜質(zhì)濃度分布為還可求出再分布后的結(jié)深。設(shè)襯底雜質(zhì)濃度為

NB，即可解得令

2、雜質(zhì)濃度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響前面的討論假定擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度無(wú)關(guān)。實(shí)際上只有當(dāng)雜質(zhì)濃度比擴(kuò)散溫度下的本征載流子濃度

ni(T)

低時(shí)，才可認(rèn)為擴(kuò)散系數(shù)與摻雜濃度無(wú)關(guān)。在高摻雜濃度下各種空位增多，擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)為各種荷電態(tài)空位的擴(kuò)散系數(shù)的總和。

3

、電場(chǎng)效應(yīng)高溫?cái)U(kuò)散時(shí)，摻入到硅中的雜質(zhì)一般處于電離狀態(tài)，電離的施主和電子，或電離的受主與空穴將同時(shí)向低濃度區(qū)擴(kuò)散。因電子空穴的運(yùn)動(dòng)速度比電離雜質(zhì)快得多，因而在硅中將產(chǎn)生空間電荷區(qū)，建立一個(gè)

自建場(chǎng)，使電離雜質(zhì)產(chǎn)生一個(gè)與擴(kuò)散方向相同的漂移運(yùn)動(dòng)，從而

加速了雜質(zhì)的擴(kuò)散

。值在0到

1

之間，與雜質(zhì)濃度有關(guān)。4、發(fā)射區(qū)陷落效應(yīng)在基區(qū)寬度極薄的

NPN

晶體管中，若發(fā)射區(qū)擴(kuò)散磷，則發(fā)射區(qū)正下方的內(nèi)基區(qū)要比外基區(qū)深，這種現(xiàn)象稱為發(fā)射區(qū)陷落效應(yīng)。為避免此效應(yīng)的發(fā)生，發(fā)射區(qū)可采用砷擴(kuò)散，或采用多晶硅發(fā)射極。

5、雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象

砷：濃度在

1020cm-3

以下時(shí)，砷的擴(kuò)散系數(shù)中以

D0

和

D-

為主。濃度超過(guò)

1020cm-3

后，有些原子也將處于填隙位置。砷在硅中的擴(kuò)散系數(shù)較低，因此常用于淺結(jié)擴(kuò)散中，例如亞微米

NMOS

的源漏區(qū)擴(kuò)散和微波雙極晶體管的發(fā)射區(qū)擴(kuò)散

。此外，高濃度下填隙原子的增多使擴(kuò)散分布的頂部變得平坦，高濃度下砷擴(kuò)散的電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)很明顯，這又使得擴(kuò)散分布的前沿非常陡。結(jié)果使砷擴(kuò)散的分布呈矩形的所謂

箱形分布，這也有利于淺結(jié)擴(kuò)散。3.6擴(kuò)散分布的分析

一、薄層電阻

RS（方塊電阻

R口）的測(cè)量無(wú)窮大樣品有限尺寸樣品測(cè)量薄層電阻的方法主要有

四探針?lè)?/p>

和

范德堡法。四探針?lè)?/p>

二、結(jié)深的測(cè)量測(cè)量結(jié)深的方法主要有

磨角法、磨槽法

和

光干涉法。

1、磨角染色法

將擴(kuò)散片磨成斜角（1

~5），用染色液進(jìn)行染色以區(qū)分N區(qū)和P區(qū)的界面。常用的染色液是濃氫氟酸加0.1~0.5體積的濃硝酸的混合液。最后通過(guò)下面的公式可求出結(jié)深，

2、磨槽染色法適用于測(cè)量淺結(jié)。式中，R

是磨槽圓柱體的半徑，a和b由顯微鏡測(cè)出。若

R

遠(yuǎn)大于a和b，則上式可近似為

3、光干涉法

三、雜質(zhì)濃度分布的測(cè)量測(cè)量雜質(zhì)濃度分布的方法主要有

電容法、擴(kuò)展電阻法、剝層法

和

掃描電容顯微法

等。電容法單邊突變結(jié)的勢(shì)壘電容為將上式對(duì)電壓求導(dǎo)，可解出雜質(zhì)濃度分布為擴(kuò)展電阻法探針3.7SiO2中的擴(kuò)散雜質(zhì)在

SiO2

中的擴(kuò)散系數(shù)也可表為B、P、As、Sb

等雜質(zhì)在

SiO2

中的擴(kuò)散系數(shù)很小，因此可將

SiO2

層用作雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽膜。

SiO2

掩蔽層厚度的確定雜質(zhì)在

SiO2

層中的分布大部分按余誤差函數(shù)分布如果定義

N(x)/NS的比值為

10–3

時(shí)對(duì)應(yīng)的

SiO2

厚度為能夠有效掩蔽雜質(zhì)的最小厚度

tmin，則

大規(guī)模集成電路中的

MOSFET

一般采用

硅柵自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。SiO2

掩蔽層厚度的確定在對(duì)源、漏區(qū)和多晶硅柵進(jìn)行摻雜時(shí)，柵氧化層應(yīng)確保溝道區(qū)不被摻雜。

由于深亞微米

MOSFET

的柵氧化層厚度在

10nm

以下，且溝道區(qū)的雜質(zhì)濃度僅為源、漏區(qū)和多晶硅柵的雜質(zhì)濃度的

10-4以下，所以這是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。擴(kuò)散系統(tǒng)的種類很多。按所用雜質(zhì)源的形式來(lái)分，有固態(tài)源擴(kuò)散、液態(tài)源擴(kuò)散、氣態(tài)源擴(kuò)散；按所用擴(kuò)散系統(tǒng)的形式來(lái)分，有開(kāi)管擴(kuò)散、閉管擴(kuò)散、箱法擴(kuò)散、“固-固擴(kuò)散”等。3.8擴(kuò)散系統(tǒng)臥式擴(kuò)散爐立式擴(kuò)散爐擴(kuò)散技術(shù)的主要缺點(diǎn)1、存在橫向擴(kuò)散，影響擴(kuò)散后的圖形精度。2、難以對(duì)摻雜總量、結(jié)深（特別是淺結(jié)）和雜質(zhì)濃度分布進(jìn)行精密的控制，均勻性和重復(fù)性也較差。

3.10小結(jié)本章回顧了擴(kuò)散的物理機(jī)制和擴(kuò)散的原子模型。介紹了反映擴(kuò)散規(guī)律的費(fèi)克第一定律和費(fèi)克第二定律（即擴(kuò)散方程），給出了針對(duì)預(yù)淀積和推進(jìn)擴(kuò)散兩種情況的特解及其特點(diǎn)，討論了上述簡(jiǎn)單理論結(jié)果在實(shí)際情況下的修正。介紹了檢驗(yàn)擴(kuò)散結(jié)果的方法

。由于

B、P、As、Sb

等在

SiO2

中的擴(kuò)散系數(shù)很小

，因此可將

SiO2

層用作雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽膜。最后對(duì)擴(kuò)散系統(tǒng)作了簡(jiǎn)要介紹。習(xí)題1、在

1000℃下在硅片中進(jìn)行

20分鐘的磷的預(yù)淀積擴(kuò)散，然后在

1100℃下進(jìn)行推進(jìn)擴(kuò)散，如果襯底濃度為

1017cm-3，則為獲得

4.0

微米的結(jié)深，推進(jìn)時(shí)間應(yīng)為多少？推進(jìn)后的表面濃度是多少？()