半導(dǎo)體工藝原理-擴(kuò)散摻雜工藝(2013.5.20)(貴州大學(xué))

1微電子工藝

--定域摻雜工藝摻雜之?dāng)U散工藝2本章重點擴(kuò)散機(jī)理：三種擴(kuò)散機(jī)構(gòu)擴(kuò)散方程：Fick定律，恒定源擴(kuò)散（余誤差分布），有限元擴(kuò)散（高斯分布）擴(kuò)散系數(shù)：主要影響因素擴(kuò)散工藝：源、方法，工藝參數(shù)T，t；測量參數(shù)R□、Xj、Cs、Q參數(shù)3擴(kuò)散擴(kuò)散是微電子工藝中最基本的平面工藝，在900-1200℃的高溫，雜質(zhì)（非雜質(zhì)）氣氛中，雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，又稱熱擴(kuò)散。目的是通過定域、定量擴(kuò)散摻雜改變半導(dǎo)體導(dǎo)電類型，電阻率，或形成PN結(jié)。4內(nèi)容雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程擴(kuò)散雜質(zhì)的分布影響雜質(zhì)分布的其他因素設(shè)備與工藝擴(kuò)散工藝的發(fā)展5雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)擴(kuò)散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點運(yùn)動的基本方式，當(dāng)溫度高于絕對零度時，任何物系內(nèi)的質(zhì)點都在作熱運(yùn)動。當(dāng)物質(zhì)內(nèi)有梯度(化學(xué)位、濃度、應(yīng)力梯度等)存在時，由于熱運(yùn)動而觸發(fā)(導(dǎo)致)的質(zhì)點定向遷移即所謂的擴(kuò)散。因此，擴(kuò)散是一種傳質(zhì)過程，宏觀上表現(xiàn)出物質(zhì)的定向遷移。擴(kuò)散是一種自然現(xiàn)象，是微觀粒子熱運(yùn)動的形式，結(jié)果使其濃度趨于均勻。6擴(kuò)散的微觀機(jī)制(a)間隙式擴(kuò)散（interstitial）(b)替位式擴(kuò)散（substitutional）間隙擴(kuò)散雜質(zhì)：O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg替位擴(kuò)散雜質(zhì)：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的運(yùn)動一般是以近鄰處有空位為前題B，P，一般作為替代式擴(kuò)散雜質(zhì)，實際情況更復(fù)雜，包含了硅自間隙原子的作用，稱填隙式或推填式擴(kuò)散7固相擴(kuò)散工藝微電子工藝中的擴(kuò)散，是雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴(kuò)散，是固相擴(kuò)散工藝。固相擴(kuò)散是通過微觀粒子一系列隨機(jī)跳躍來實現(xiàn)的，這些跳躍在整個三維方向進(jìn)行，主要有三種方式

間隙式擴(kuò)散

替位式擴(kuò)散

間隙—替位式擴(kuò)散8間隙式擴(kuò)散間隙原子擴(kuò)散勢場示意圖Wi=0.6-1.2eV9

按照玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，獲得大于能過Wi的幾率正比于exp(-Wi／kT)k：玻爾茲曼常數(shù)

kT:平均振動能，0.026eV

υ0：振動頻率，1013-1014/s跳躍率室溫下，約每分鐘一次。10替位式擴(kuò)散

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)?，室溫下，替位式擴(kuò)散跳躍率約每1045年一次。Ws空位濃度α11間隙-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的晶格中，并以間隙-替位式擴(kuò)散。這類擴(kuò)散雜質(zhì)的跳躍率隨空位和自間隙等缺陷的濃度增加而迅速增加。

12間隙-替位式擴(kuò)散雜質(zhì)原子被從晶格位置“踢出”(Kick-out)AVA+IAi13擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程晶體襯底中雜質(zhì)擴(kuò)散流密度與雜質(zhì)濃度梯度成正比。比例系數(shù)D定義為雜質(zhì)在襯底中的擴(kuò)散系數(shù)。Fick第一擴(kuò)散定律14一、Fick第一定律

穩(wěn)定擴(kuò)散：擴(kuò)散質(zhì)點濃度不隨時間變化推動力：濃度梯度描述：在擴(kuò)散過程中，體系內(nèi)部各處擴(kuò)散質(zhì)點的濃度不隨時間變化，在x方向各處擴(kuò)散流量相等。定律含義：單位時間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位面積上擴(kuò)散的物質(zhì)數(shù)量和濃度梯度成正比。15擴(kuò)散過程中溶質(zhì)原子的分布16J

擴(kuò)散通量，單位時間通過單位截面的質(zhì)點數(shù)(質(zhì)點數(shù)/s.cm2)D

擴(kuò)散系數(shù)，單位濃度梯度的擴(kuò)散通量(m2/s或cm2/s)C

質(zhì)點數(shù)/cm3“－”表示粒子從高濃度向低濃度擴(kuò)散，即逆濃度梯度方向擴(kuò)散表達(dá)式：17此式表明：(1)擴(kuò)散速率取決于外界條件C/

x

擴(kuò)散體系的性質(zhì)D(2)擴(kuò)散系數(shù)D可作為表征擴(kuò)散的一個參量。它不僅與擴(kuò)散機(jī)構(gòu)，也與擴(kuò)散介質(zhì)和外部條件(單位濃度梯度、單位截面、單位時間通過的質(zhì)點數(shù))有關(guān)。

D取決于質(zhì)點本身的性質(zhì)：半徑、電荷、極化性能等基質(zhì)：結(jié)構(gòu)緊密程度，缺陷的多少

擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的一個物性指標(biāo)18擴(kuò)散系數(shù)（以替位式推導(dǎo)）D0為表觀擴(kuò)散系數(shù)ΔE為擴(kuò)散激活能(cm2/s)ΔE/kT)(D)/kT]w(w[vaDPaDxC(x,t)PaP,taxaCP,taxaCJvsvvvv-=+-==??-=÷???è?+-÷???è?-=expexp220022219Si中雜質(zhì)類型間隙式雜質(zhì)

主要是ⅠA和ⅧA族元素，有：Na、K、Li、H等，它們通常無電活性，在硅中以間隙方式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率快。替位式雜質(zhì)

主要是ⅢA和ⅤA族元素，具有電活性，在硅中有較高的固濃度。以替位方式擴(kuò)散為主，也存在間隙-替位式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率慢，稱為慢擴(kuò)散雜質(zhì)。間隙—替位式雜質(zhì)

大多數(shù)過渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以間隙-替位方式擴(kuò)散，約比替位擴(kuò)散快五六個數(shù)量級，最終位于間隙和替位這兩種位置，位于間隙的雜質(zhì)無電活性，位于替位的雜質(zhì)具有電活性。20根據(jù)雜質(zhì)在晶體中的擴(kuò)散系數(shù)分快擴(kuò)散雜質(zhì)：H，Li,Na,Cu,Fe,K,Au,He,Ag,慢擴(kuò)散雜質(zhì)：Al,P,B,Ga,Tl,Sb，As在高溫工藝中，如擴(kuò)散、外延，摻雜元素的擴(kuò)散系數(shù)小些好21擴(kuò)散系數(shù)22菲克第二定律

當(dāng)擴(kuò)散處于非穩(wěn)態(tài)，即各點的濃度隨時間而改變時，利用第一定律不容易求出。

通常的擴(kuò)散過程大都是非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，為便于求出，還要從物質(zhì)的平衡關(guān)系著手，建立第二個微分方程式。

討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴(kuò)散時間的關(guān)系，又稱第二Fick定律。23第二擴(kuò)散定律dxJJ+dJSxx+dx24擴(kuò)散雜質(zhì)的分布擴(kuò)散工藝是要將具有電活性的雜質(zhì)，在一定溫度，以一定速率擴(kuò)散到襯底硅的特定位置形成pn結(jié)，或者得到所需的摻雜濃度。擴(kuò)散工藝重要的工藝參數(shù)包括：

①雜質(zhì)的分布②表面濃度③結(jié)深

④摻入雜質(zhì)總量25恒定表面源擴(kuò)散指硅一直處于雜質(zhì)氛圍中，硅片表面達(dá)到了該擴(kuò)散溫度的固溶度Cs。解擴(kuò)散方程：邊界條件為：C(0，t)=Cs

C(∞，t)=0初始條件為：C(x，0)=0，x>0

恒定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布情況xCBCsxj1xj2xj3C(x,t)t1t2t3026恒定表面源擴(kuò)散erfc稱為余誤差函數(shù)。恒定源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度服從余誤差分布，延長擴(kuò)散時間：①表面雜質(zhì)濃度不變；②結(jié)深增加；③擴(kuò)入雜質(zhì)總量增加；④雜質(zhì)濃度梯度減小。結(jié)深雜質(zhì)數(shù)量雜質(zhì)濃度梯度27有限表面源擴(kuò)散

指雜質(zhì)源在擴(kuò)散前積累于硅片表面薄層h內(nèi)，Q為單位面積雜質(zhì)總量，解擴(kuò)散方程：邊界條件:C(x,0)=Q/h,0<x<h

C(∞,t)=0初始條件：C(x,0)=0,x>hXXj1Xj2Xj3CsCs’Cs”t1t2t3C(x,t)CB0h有限表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布情況28有限表面源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度是一種高斯函數(shù)分布。延長擴(kuò)散時間：①雜質(zhì)表面濃度迅速減??；②雜質(zhì)總量不變；③結(jié)深增加；④雜質(zhì)濃度梯度減小。雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)表面濃度結(jié)深29兩步擴(kuò)散預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）低溫，短時，恒定表面源擴(kuò)散—雜質(zhì)擴(kuò)散很淺，雜質(zhì)數(shù)量可控主擴(kuò)散（再分布）高溫，擴(kuò)散同時伴隨氧化—控制表面濃度和擴(kuò)散深度30影響雜質(zhì)分布的其他因素前面推導(dǎo)的雜質(zhì)分布形式——理想化實際上理論分布與實際分布存在一定的差異主要是因為硅中摻雜原子的擴(kuò)散，除了與空位有關(guān)外，還與硅中其它類型的點缺陷有密切的關(guān)系。氧化增強(qiáng)擴(kuò)散發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)31硅中點缺陷空位V0

、V+、V-、V2-自間隙I、替位雜質(zhì)A，間隙雜質(zhì)Ai間隙原子團(tuán)AI；AV；(AI)-…32雜質(zhì)原子與點缺陷的結(jié)合自間隙與雜質(zhì)的結(jié)合可以促進(jìn)擴(kuò)散運(yùn)動。如氧化時產(chǎn)生大量自間隙原子，AI團(tuán)增大，導(dǎo)致擴(kuò)散能力增加。33擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系擴(kuò)散系數(shù)和空位成正比：D∝V實際空位：V=V0+V++V-+V2-+…EcEvE2-E-E+0.11eV0.44eV0.06-0.16eV硅中空位的能帶圖34擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系硅襯底的摻雜濃度對雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)有影響，襯底摻雜濃度Ce比擴(kuò)散溫度下本征載流子濃度Ci高時(Ce>Ci

≈1019/cm3)，將使擴(kuò)散系數(shù)顯著提高，稱之為場助擴(kuò)散效應(yīng)。本征擴(kuò)散系數(shù)：非本征擴(kuò)散系數(shù)：35發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)也稱為發(fā)射區(qū)陷落效應(yīng)。B擴(kuò)散的增強(qiáng)是由于磷與空位相互作用形成的PV對，發(fā)生分解所帶來的復(fù)合效應(yīng)。xbcδebnpn摻BP擴(kuò)散摻P36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、砷也有此現(xiàn)象。原因是氧化誘生堆垛層錯產(chǎn)生大量自填隙Si，間隙-替位式擴(kuò)散中的“踢出”機(jī)制提高了擴(kuò)散系數(shù)。氧化層B有限源擴(kuò)散氮化物p-Sin-Si氮化物n-Si氧化層摻BCB<1019O2I+B

IB37氧化阻滯擴(kuò)散銻擴(kuò)散是以替位方式進(jìn)行，氧化堆垛層錯帶來的自填隙硅填充了空位，減少了空位濃度。銻在氧化氣氛中的擴(kuò)散卻被阻滯。氮化物n-Sip-Si氧化層氮化物p-Si氧化層Sb有限源擴(kuò)散CB<1019摻SbO238橫向擴(kuò)散橫向擴(kuò)散的線度是縱向擴(kuò)散的0.75-0.85倍，濃度高時是縱向的0.65-0.7倍雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖由于橫向擴(kuò)散作用，結(jié)包含一個中央平面區(qū)一個近似圓柱、曲率半徑為rj的邊如果擴(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。

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。41襯底其它影響因素

與襯底材料、晶向及晶格完整性有關(guān)，有D（100）>D（111）晶格缺欠越多，擴(kuò)散速率也越大。42擴(kuò)散設(shè)備與工藝擴(kuò)散設(shè)備多是爐絲加熱的熱壁式擴(kuò)散爐。和氧化爐相類似。根據(jù)擴(kuò)散源的不同有三種擴(kuò)散工藝：固態(tài)源擴(kuò)散，液態(tài)源擴(kuò)散，氣態(tài)源擴(kuò)散。選擇源必需滿足固溶度、擴(kuò)散系數(shù)要求。選擇好掩蔽膜。43固態(tài)源擴(kuò)散擴(kuò)散方式開管擴(kuò)散箱式擴(kuò)散涂源擴(kuò)散固態(tài)源陶瓷片或粉體：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等石英管接排風(fēng)閥和流量計載氣鉑源舟石英舟和硅片開管固態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)44液態(tài)源擴(kuò)散液態(tài)源POCl3、BBr3、B(CH3O)3

（TMB）接排風(fēng)閥和流量計載氣石英舟和硅片石英管溫度控制池源瓶和液相源液相源擴(kuò)散系統(tǒng)45氣態(tài)源擴(kuò)散氣態(tài)源BCl3、B2H6、PH3、AsH3

石英管接排風(fēng)閥和質(zhì)量流量計氣源石英舟和硅片氣態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)46一步工藝是惰性氣氛下的恒定源擴(kuò)散，雜質(zhì)分布服從余誤差函數(shù)；兩步工藝分為預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）、再分布（主擴(kuò)散）兩步。預(yù)淀積是惰性氣氛下的恒定源擴(kuò)散，目的是在擴(kuò)散窗口硅表層擴(kuò)入總量Q一定的雜質(zhì)。再分布是氧氣氛或惰性氣氛下的有限源擴(kuò)散，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Cs、分布C（x）、且達(dá)到一定的結(jié)深xj，有時還需生長氧化層。實際擴(kuò)散工藝47NPN管的硼擴(kuò)散原理

2B2O3+3Si→4B+3SiO2

選源固態(tài)BN源使用最多，必須活化

活化：4BN+3O22B2O3+2N2特點

B與Si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)4*1020/cm3，但濃度在1020/cm3以上有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。工藝兩部工藝，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，生長氧化層（干氧-濕氧-干氧）900-1100℃48B擴(kuò)散工藝流程預(yù)淀積，一般預(yù)淀積溫度較低，時間也較短。氮?dú)獗Ｗo(hù)。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HF漂去。再分布，溫度較高，時間也較長。通氧氣，直接生長氧化層。測方塊電阻，方塊電阻是指表面為正方形的薄膜，在電流方向的電阻值。

49方塊電阻R□一個重要的工藝參數(shù)，又稱薄膜電阻RsllXjIn-SiP-Si50NPN管的磷擴(kuò)散原理2P2O5+5Si→4P+5SiO2選源固態(tài)P2O5陶瓷片源使用最多，無須活化。特點磷是n形替位雜質(zhì)，B與Si原子半徑接近，雜質(zhì)濃度可達(dá)1021/Cm3，該濃度即為電活性濃度。工藝與硼擴(kuò)相近兩步工藝，不漂磷硅玻璃。51NPN管Nx5*102010183*1016N+PNN型erfc分布P型高斯分布N型襯底0Xebj

XbcjNx發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)B擴(kuò)：D1t1<<D2t2P擴(kuò)：D1t1>>D2t252工藝條件的確定與質(zhì)量檢測工藝指標(biāo)雜質(zhì)表面濃度Cs結(jié)深xj薄層電阻Rs分布曲線C(x)工藝條件(T,t)的確定解析擴(kuò)散方程獲得工藝條件，目前用計算機(jī)模擬獲得工藝參數(shù)。53擴(kuò)散質(zhì)量檢測工藝參數(shù)：結(jié)深、雜質(zhì)分布方塊電阻、電阻率染色法測結(jié)深陽極氧化測分布函數(shù)四探針法測電阻率、方塊電阻電參數(shù)測量I-V曲線54染色法測結(jié)深原理：Si的電極電位低于Cu，Si能從硫酸銅染色液中把Cu置換出來，而且在Si表面上形成紅色Cu鍍層，又由于N型Si的標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于P型Si的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，因此會先在N型Si上先有Cu析出，這樣就把P-N結(jié)明顯的顯露出來。