集成電路工藝基礎(chǔ)-03-擴(kuò)散

集成電路工藝基礎(chǔ)——03_擴(kuò)散第一頁(yè)，共41頁(yè)。雜質(zhì)摻雜摻雜：將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域中，以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成PN結(jié)、電阻、歐姆接觸磷(P)、砷(As)——N型硅硼(B)——P型硅摻雜工藝：擴(kuò)散、離子注入第二頁(yè)，共41頁(yè)。擴(kuò)散第三頁(yè)，共41頁(yè)。擴(kuò)散70年代初期以前，雜質(zhì)摻雜主要通過(guò)高溫的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。雜質(zhì)原子通過(guò)氣相源或氧化物源擴(kuò)散或淀積到硅晶片的表面。雜質(zhì)濃度從表面到體內(nèi)單調(diào)下降雜質(zhì)分布主要是由溫度和擴(kuò)散時(shí)間決定可用于形成深結(jié)（deepjunction），如CMOS中的雙阱（twinwell）第四頁(yè)，共41頁(yè)。離子注入第五頁(yè)，共41頁(yè)。離子注入從70年代初開(kāi)始，摻雜的操作改由離子注入完成摻雜原子以離子束的形式注入半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)濃度在半導(dǎo)體內(nèi)有峰值分布雜質(zhì)分布主要由離子質(zhì)量和離子能量決定用于形成淺結(jié)（shallowjunction），如MOSFET中的漏極和源極第六頁(yè)，共41頁(yè)。擴(kuò)散機(jī)構(gòu)間隙式擴(kuò)散定義：雜質(zhì)離子位于晶格間隙雜質(zhì)：Na、K、Fe、Cu、Au等元素勢(shì)能極大位置：相鄰的兩個(gè)間隙之間勢(shì)壘高度Wi：0.6~1.2eV間隙雜質(zhì)的振動(dòng)能在室溫時(shí)，只有0.026eV；1200℃時(shí)為0.13eV，因此間隙雜質(zhì)靠熱漲落越過(guò)勢(shì)壘跳躍率：Pi依賴于溫度第七頁(yè)，共41頁(yè)。擴(kuò)散機(jī)構(gòu)第八頁(yè)，共41頁(yè)。擴(kuò)散機(jī)構(gòu)替位式擴(kuò)散定義：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位雜質(zhì)特點(diǎn)：III、Ⅴ族元素相鄰晶格上出現(xiàn)空位才好進(jìn)行替位式擴(kuò)散勢(shì)能極大位置：間隙處勢(shì)壘高度：0.6~1.2eV跳躍率：近鄰出現(xiàn)空位的幾率乘以跳入該空位的幾率，Pv依賴于溫度間隙式擴(kuò)散系數(shù)要比替位式擴(kuò)散大6～7個(gè)數(shù)量級(jí)第九頁(yè)，共41頁(yè)。擴(kuò)散機(jī)構(gòu)第十頁(yè)，共41頁(yè)。菲克第一定律擴(kuò)散是微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)雜質(zhì)存在濃度梯度時(shí)，出現(xiàn)宏觀的擴(kuò)散流。雜質(zhì)由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)，直至濃度趨于均勻，擴(kuò)散流為零。實(shí)驗(yàn)表明：擴(kuò)散流的大小，正比于雜質(zhì)的濃度梯度。菲克第一定律:如果在一個(gè)有限的基體中存在雜質(zhì)濃度梯度，則雜質(zhì)將會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，而且雜質(zhì)的擴(kuò)散方向使雜質(zhì)濃度梯度變小。第十一頁(yè)，共41頁(yè)。擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)其中：V0代表振動(dòng)頻率Wv代表形成一個(gè)空位所需要的能量Ws代表替位雜質(zhì)的勢(shì)壘高度

△E為擴(kuò)散激活能，對(duì)替位式雜質(zhì)來(lái)說(shuō)，一般為3~4eV第十二頁(yè)，共41頁(yè)。擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程（菲克第二定律）第十三頁(yè)，共41頁(yè)。擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程（菲克第二定律）經(jīng)過(guò)△t時(shí)間，體積元內(nèi)的雜質(zhì)變化量為體積元內(nèi)雜質(zhì)的變化，是由于在△t時(shí)間內(nèi)，通過(guò)x處和x＋△x處的兩個(gè)截面的流量差所造成第十四頁(yè)，共41頁(yè)。擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程（菲克第二定律）假定體積元內(nèi)的雜質(zhì)不產(chǎn)生也不消失，上面兩式應(yīng)該相等，得到假設(shè)擴(kuò)散系數(shù)D為常數(shù)（低濃度正確），得到第十五頁(yè)，共41頁(yè)。恒定表面源擴(kuò)散定義：在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中，硅片表面的雜質(zhì)濃度始終不變的擴(kuò)散邊界條件和初始條件C(0,t)=Cs；

C(∞,t)=0；C(x,0)=0,x>0恒定表面源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布：第十六頁(yè)，共41頁(yè)。恒定表面源擴(kuò)散第十七頁(yè)，共41頁(yè)。恒定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布形式特點(diǎn)在表面濃度Cs一定的情況下，擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，雜質(zhì)擴(kuò)散的就越深，擴(kuò)到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量也就越多。擴(kuò)到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量可用高為Cs，底為2的三角形近似；表面濃度Cs由雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度下的固溶度所決定。而在900~1200℃內(nèi)，固溶度變化不大，可見(jiàn)很難通過(guò)改變溫度來(lái)控制Cs第十八頁(yè)，共41頁(yè)。恒定表面源擴(kuò)散

結(jié)深如果擴(kuò)散雜質(zhì)與硅襯底原有雜質(zhì)的導(dǎo)電類型不同，則在兩種雜質(zhì)濃度相等處形成p-n結(jié)。雜質(zhì)濃度相等：結(jié)的位置：溫度通過(guò)D對(duì)擴(kuò)散深度和雜質(zhì)分布情況的影響，同時(shí)間t相比更為重要。第十九頁(yè)，共41頁(yè)。恒定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度梯度任意位置P-n結(jié)處的雜質(zhì)梯度在Cs和CB一定的情況下，p-n結(jié)越深，在結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度就越小。第二十頁(yè)，共41頁(yè)。有限表面源擴(kuò)散定義：擴(kuò)散之前在硅片表面淀積一層雜質(zhì)，在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散的雜質(zhì)源，不再有新源補(bǔ)充初始條件和邊界條件C(x,0)=0,x>hC(∞,t)=0C(x,0)=Cs(0)=Q/h,0≤x≤h解得：第二十一頁(yè)，共41頁(yè)。有限表面源擴(kuò)散第二十二頁(yè)，共41頁(yè)。有限表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布形式特點(diǎn)當(dāng)擴(kuò)散溫度相同時(shí)，擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，雜質(zhì)擴(kuò)散的就越深，表面濃度就越低。當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間相同時(shí)，擴(kuò)散溫度越高，雜質(zhì)擴(kuò)散的就越深，表面濃度下降的也就越多擴(kuò)散過(guò)程中雜質(zhì)量不變表面雜質(zhì)濃度可以控制，有利于制作低表面濃度和較深的p-n結(jié)。第二十三頁(yè)，共41頁(yè)。有限表面源擴(kuò)散結(jié)深雜質(zhì)濃度梯度任意位置P-n結(jié)處得雜質(zhì)梯度第二十四頁(yè)，共41頁(yè)。兩步擴(kuò)散實(shí)際方法實(shí)際生產(chǎn)中的擴(kuò)散溫度一般為900~1200℃，在這樣的溫度范圍內(nèi)，常用雜質(zhì)如硼、磷、砷等在硅中的固溶度隨溫度變化不大，因而采用恒定表面源擴(kuò)散很難得到低濃度的分布形式。為了同時(shí)滿足對(duì)表面濃度、雜質(zhì)數(shù)量、結(jié)深以及梯度等方面的要求，實(shí)際生產(chǎn)中往往采用兩步擴(kuò)散法第二十五頁(yè)，共41頁(yè)。兩步擴(kuò)散預(yù)擴(kuò)散：在低溫下采用恒定表面源擴(kuò)散方式，控制擴(kuò)散雜質(zhì)的數(shù)量，雜質(zhì)按余誤差形式分布。主擴(kuò)散將由預(yù)擴(kuò)散引入的雜質(zhì)作為擴(kuò)散源，在較高溫度下進(jìn)行擴(kuò)散。控制表面濃度和擴(kuò)散深度。雜質(zhì)按高斯形式分布。分布形式：D1t1>>D2t2,

余誤差分布D1t1<<D2t2

，高斯分布兩步擴(kuò)散第二十六頁(yè)，共41頁(yè)。3.4影響雜質(zhì)分布的其它因素上面推導(dǎo)的雜質(zhì)分布形式——理想化實(shí)際上理論分布與實(shí)際分布存在一定的差異主要是因?yàn)楣柚袚诫s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(diǎn)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)第二十七頁(yè)，共41頁(yè)。氧化增強(qiáng)擴(kuò)散（OED）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與中性氣氛相比：雜質(zhì)B在氧化氣氛中的擴(kuò)散存在明顯的增強(qiáng)。B和P的增強(qiáng)現(xiàn)象比較明顯雜質(zhì)As在氧化氣氛中的擴(kuò)散有一定強(qiáng)度的增強(qiáng)雜質(zhì)銻在氧化氣氛中的擴(kuò)散被阻滯參考P78圖3.14第二十八頁(yè)，共41頁(yè)。發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)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(kuò)B和擴(kuò)P，則發(fā)現(xiàn)在發(fā)射區(qū)正下方（內(nèi)基區(qū)）B的擴(kuò)散深度，大于不在發(fā)射區(qū)正下方（外基區(qū)）B的擴(kuò)散深度，該現(xiàn)象稱為發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)，或發(fā)射區(qū)下陷效應(yīng)。第二十九頁(yè)，共41頁(yè)。發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)第三十頁(yè)，共41頁(yè)。二維擴(kuò)散實(shí)際擴(kuò)散在掩蔽層的邊緣，橫向擴(kuò)散與縱向擴(kuò)散同時(shí)進(jìn)行第三十一頁(yè)，共41頁(yè)。二維擴(kuò)散

實(shí)際擴(kuò)散低濃度擴(kuò)散假定：D與雜質(zhì)濃度無(wú)關(guān)，橫向擴(kuò)散與縱向擴(kuò)散都近似以同樣方式進(jìn)行L橫=75%~85%L縱高濃度擴(kuò)散：D與雜質(zhì)濃度相關(guān)，L橫=65%~70%L縱第三十二頁(yè)，共41頁(yè)。雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖第三十三頁(yè)，共41頁(yè)。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(gè)中央平面區(qū)一個(gè)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(chǎng)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。第三十四頁(yè)，共41頁(yè)。實(shí)際擴(kuò)散區(qū)域大于窗口影響集成度第三十五頁(yè)，共41頁(yè)。擴(kuò)散工藝（1）－固態(tài)源擴(kuò)散擴(kuò)散物質(zhì)：雜質(zhì)的氧化物或其他化合物通過(guò)惰性氣體把雜質(zhì)源蒸氣輸運(yùn)到硅片表面溫度決定固溶度，對(duì)濃度有直接影響固態(tài)源擴(kuò)散：如B2O3、P2O5、BN等第三十六頁(yè)，共41頁(yè)。擴(kuò)散工藝（2）－液態(tài)源擴(kuò)散方法：攜帶氣體經(jīng)過(guò)源瓶，將雜質(zhì)源蒸氣（雜質(zhì)化合物）帶入擴(kuò)散爐管內(nèi)與硅反應(yīng)，或分解后與硅反應(yīng)。條件：源溫控制在0℃，以保證穩(wěn)定性和重復(fù)性攜帶氣體進(jìn)行純化和干燥，以防止雜質(zhì)源水解而變質(zhì)特點(diǎn)：系統(tǒng)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低，效率高，重復(fù)性和均勻性好，較常用。第三十七頁(yè)，共41頁(yè)。利用液態(tài)源進(jìn)行擴(kuò)散的裝置示意圖液態(tài)源擴(kuò)散第三十八頁(yè)，共41頁(yè)。擴(kuò)散工藝（3）－氣態(tài)源擴(kuò)散方法：氣態(tài)雜質(zhì)源一般先在硅片表面進(jìn)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(kuò)散。雜質(zhì)源：多為雜質(zhì)的氫化物或鹵化物，毒性大易