哈工大微電子工藝3摻雜工藝

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哈工大微電子工藝摻雜工藝

微電子工藝(3)--定域摻雜工藝田麗

哈工大微電子工藝摻雜工藝

第3章擴(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(chēng)熱擴(kuò)散。目的是通過(guò)定域、定量擴(kuò)散摻雜改變半導(dǎo)體導(dǎo)電類(lèi)型，電阻率，或形成PN結(jié)。2

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內(nèi)容

3.1雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)3.2擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程3.3擴(kuò)散雜質(zhì)的分布3.4影響雜質(zhì)分布的其他因素3.5設(shè)備與工藝3.6擴(kuò)散工藝的發(fā)展3

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3.1雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)

擴(kuò)散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的基本方式，當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，任何物系內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)都在作熱運(yùn)動(dòng)。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(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)而觸發(fā)(導(dǎo)致)的質(zhì)點(diǎn)定向遷移即所謂的擴(kuò)散。因此，擴(kuò)散是一種傳質(zhì)過(guò)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(dòng)的形式，結(jié)果使其濃度趨于均勻。

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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,Fe,Cu,Ni,Zn,Mg

B,P,一般作為替代式擴(kuò)散雜質(zhì)，實(shí)際狀況更繁雜，包含了硅自間隙原子的作用，稱(chēng)填隙式或推填式擴(kuò)替位擴(kuò)散雜質(zhì)：As,Al,Ga,散Sb,Ge。替位原子的運(yùn)動(dòng)一般是以近鄰處有空位為前題5

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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(guò)微觀粒子一系列隨機(jī)騰躍來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些騰躍在整個(gè)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6

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間隙式擴(kuò)散

Wi=0.61.2eV

間隙原子擴(kuò)散勢(shì)場(chǎng)示意圖7

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騰躍率

Pi

依照玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，獲得大于能過(guò)Wi的幾率正比于exp(-Wi/kT)

Pv0ei

Wi/kT

k:玻爾茲曼常數(shù)kT:平均振動(dòng)能，0.026eVυ0:振動(dòng)頻率，1013-1014/s

室溫下，Pi約每分鐘一次。8

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替位式擴(kuò)散

空位濃度

nNeWv/kT

Pvv0e(WνWs)/kTWvWs34eV

Ws

α

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)散騰躍率約每1045年一次。9

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間隙-替位式擴(kuò)散

大量雜質(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(lèi)擴(kuò)散雜質(zhì)的騰躍率隨空位和自間隙等缺陷的濃度增加而迅速增加。10

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間隙-替位式擴(kuò)散A+IAi

雜質(zhì)原子被從晶格位置“踢出〞(Kick-out)

AV

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3.2擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程Fick第一擴(kuò)散定律

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)。

C(x,t)JDx12

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一、Fick第一定律穩(wěn)定擴(kuò)散：

擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)濃度不隨時(shí)間變化推動(dòng)力：濃度梯度CJ、xxCJ0、0tx

描述：在擴(kuò)散過(guò)程中，體系內(nèi)部各處擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)的濃度

不隨時(shí)間變化，在x方向各處擴(kuò)散流量相等。定律含義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)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。13

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擴(kuò)散過(guò)程中溶質(zhì)原子的分布14

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表達(dá)式：=-DCJxJ擴(kuò)散通量，單位時(shí)間通過(guò)單位截面的質(zhì)點(diǎn)數(shù)(質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)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

Cx

濃度梯度(矢量)

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CJ=-Dx

此式說(shuō)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(gè)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(shí)間通過(guò)的質(zhì)點(diǎn)數(shù))有關(guān)。D取決于質(zhì)點(diǎn)本身的性質(zhì)：半徑、電荷、極化性能等

基質(zhì)：結(jié)構(gòu)緊湊程度，缺陷的多少擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的一個(gè)物性指標(biāo)

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擴(kuò)散系數(shù)(以替位式推導(dǎo))aaJaCx,tvaCx,tvPP22C(x,t)2aPvxDa2Pv(cm2/s)

aaCx,tPv2

Da2v0exp[(wswv)/kT]D0exp(ΔE/kT)

aaCx,tPv2

D0為表觀擴(kuò)散系數(shù)ΔE為擴(kuò)散激活能17

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Si中雜質(zhì)類(lèi)型間隙式雜質(zhì)主要是ⅠA和ⅧA族元素，有：Na、K、Li、H等，它們尋常無(wú)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(chēng)為慢擴(kuò)散雜質(zhì)。間隙—替位式雜質(zhì)大多數(shù)過(guò)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(gè)數(shù)量級(jí)，最終位于間隙和替位這兩種位置，位于間隙的雜質(zhì)無(wú)電活性，位于替位的雜質(zhì)具有電活性。18

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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

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擴(kuò)散系數(shù)

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