soc工艺课件 ch5扩散

1、P1 微电子制造工艺概论 第5章 扩 散 P2 扩散扩散是微电子工艺中最基本的工艺之一，是在约 1000的高温、p型或n型杂质气氛中，使杂质向 衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实 现半导体定域、定量掺杂的一种工艺方法，也称 为热扩散。 扩散目的扩散目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体 导电类型，电阻率，或形成PN结。 扩散的基本概念 P3 本章主要内容 5.1扩散机构 5.2晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程 5.3杂质的扩散掺杂 5.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素 5.5扩散工艺条件与方法 5.6 扩散工艺质量与检测 5.7 扩散工艺的发展 P4 5.1扩散机构 扩散是物质

2、内质点运动的基本方式，当温度高于 绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。 杂质在半导体中的扩散是由杂质浓度梯度杂质浓度梯度或温度温度 梯度梯度（物体中两相的化学势不相等）引起的一种 使杂质浓度趋于均匀的杂质定向运动。 扩散是一种传质传质过程，宏观上表现出物质的定向 迁移。 扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式， 结果使其浓度趋于均匀。 P5 微电子工艺中的扩散，是杂质在晶体内的扩散， 是固相扩散工艺。 固相扩散是通过微观粒子一系列随机跳跃来实现 的，这些跳跃在整个三维方向进行，主要有三种 方式 填隙式扩散 替位式扩散 填隙替位式扩散 5.1扩散机构 P6 5.1.1替位式扩散(Sub

3、stitutional) 高温下晶格原子获得能量脱离格点成为间隙原子，产生空位 杂质进入晶体占据空位； 浓度作用下向临近原子逐次跳跃前进； 杂质原子由一个格点跳到相邻另一个格点； 产生替代式扩散必须存在空位； 替位扩散杂质替位扩散杂质：主要是III和 V族元素，具有电活性，在 硅中固溶度较高。扩散速度 慢，称为慢扩散杂质，如： Al，B，Ga，In，P，Sb， As。 P7 产生替位式扩散必需存在空位，同时必须获得大于势垒高度 Ws的能量才能实现替位运动。 晶体中空位平衡浓度相当低，室 温下，替位式扩散跳跃率约每1045年一次。 kTWv Nen / eV43 0 sv )/kTW(W v W

4、W evP s Ws 5.1.1替位式扩散(Substitutional) 平衡时，单位体积的空位数n N单位体积的晶格数；Wv形成 空位所需能量 替位杂质越过高度Ws势垒的概 率为 替位杂质的跳跃率Pv为等于 空位数的概率乘以跳入该空位 的概率 /kTWs ev 0 P8 填隙扩散杂质填隙扩散杂质：主要是I和 VIII族元素，如Na，K， Li，H，Ar等，通常无电 活性，在硅中以填隙式方 式扩散，扩散速度快。 5.1.2填隙式扩散(Interstitial) 杂质进入晶体存在于硅的间隙，主要是半径小的杂质原子； 在浓度作用下，杂质原子由一个间隙位置跳到相邻另一个间 隙位置，从而在晶格中运动

5、； 填隙式扩散是杂质原子挤开交错的压缩区从一个空隙跳到另 一个空隙； P9 填隙式扩散势能曲线 Wi=0.6- 1.2eV 5.1.2填隙式扩散(Interstitial) 填隙式杂质在晶格间隙位置上的势能相对较小； 相邻两个间隙之间对填隙式杂质来讲是势能极大位置； 杂质从一个晶格间隙位置运动到相邻间隙位置上，必须越过 一个能量势垒Wi； P10 跳跃率Pi，按照玻尔兹曼统计规律，获得大于能过Wi的几 率正比于exp(-WikT) k：玻尔兹曼常数 kT:平均振动能，0.026eV v0：振动频率，1013-1014/s kTW i evP / 0i 室温下，Pi约每分钟一次，远大于替位式的跳

6、跃速率。 5.1.2填隙式扩散(Interstitial) P11 5.1.3填隙替位式扩散 许多杂质即可以是替位式也可以是间隙式溶于晶 体的晶格中，并以间隙-替位式扩散。 这类扩散杂质的跳跃率随空位和自填隙等缺陷的 浓度增加而迅速增加。 大多数过渡元素，如Au，Fe，Cu，Pt，Ni，Ag等， 都以填隙替位式方式扩散，最终位于间隙和 替位两种位置上。位于间隙的杂质无电活性，位 于替位的杂质具有电活性。 P12 杂质原子被从晶杂质原子被从晶 格位置格位置“踢出踢出” (Kick-out) AV A+I Ai 5.1.3填隙替位式扩散 P13 5.2晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程 固体中的

7、扩散基本特点 （1）固体中明显的质点扩散常开始于较高的温度， 但实际上又往往低于固体的熔点。 （2）晶体结构将以一定的对称性和周期性限制着质 点每一步迁移的方向和自由行程。 P14 5.2.2 扩散方程 Fick第一扩散定律第一扩散定律 在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积上的扩 散物质流量为扩散通量（Diffusion flux），用J表示。 扩散通量其与该截面处的浓度梯度成正比。 比例系数D定义为扩散系数(m2/s)； C为扩散物质的体积浓度（atoms/m3或kg/m3）； -表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即由高浓度向低 浓度扩散。 C( ,t) ( , ) x J x tD x

8、P15 5.2.2 扩散方程 菲克第二定律菲克第二定律 当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改变 时，利用第一定律不容易求出。 通常的扩散过程大都是非稳态扩散，为便于求出， 还要从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方 程式。 讨论晶体中杂质浓度与扩散时间的关系，又称 Fick第二定律。 P16 dx J1 J2 A x x+dx 注：J1，J2分别为流入、 流出该体积元的杂质流量 21 JJJ xx C( ,t)xJ tx 2 2 C( ,t)C( ,t)xx D tx 菲克第二定律菲克第二定律 假设一段具有均匀横截面A的长方条材料，考虑其中长度 为dx的一小段体积，则流入、流出该段体积的流

9、量差 在距离x处，杂质浓度随扩散时间t的变化率等于扩散通量 随距离变化的负值(根据物质守恒定律，浓度随时间的变 化等于扩散通量的减小。) 如果扩散系数D与浓度无关， 则由Fick第一定律可得 5.2.2 扩散方程 P17 5.2.3 扩散系数 D0为表观扩散系数为表观扩散系数 Ea为扩散激活能为扩散激活能 v P,t a xaC 2 v P,t a xaC 2 (cm2/s) Ea/kT)(D )/kTw(wvaD PaD x C(x,t) Pa P,t a xaCP,t a xaCJ vs v v vv exp exp 22 0 0 2 2 2 扩散系数扩散系数(Diffusion coef

10、ficient)D是描述扩散速度的重要物理量， 它相当于浓度梯度为1时的扩散通量 。 P18 5.2.3 扩散系数 填隙式扩散： 在硅及砷化镓中, Ea值均在0.51.5eV间。 替位式扩散 在硅及砷化镓中, Ea值均在35eV间。 上部曲线为在快扩散杂 质，如Cu在Si和GaAs中， 测量到的激活能Ea小于 2eV，以填隙式运动为主。 下部曲线为在慢扩散杂 质， 如As在Si和GaAs中， 测量到的激活能Ea大于 3eV，以替位式为主。 P19 一些杂质在硅111面中的扩散系数 5.2.3 扩散系数 P20 5.3杂质的扩散掺杂 扩散工艺是要将具有电活性的杂质，在一定温度，以一定 速率扩散到

11、衬底硅的特定位置，得到所需的掺杂浓度以及 掺杂类型。 两种方式：恒定表面源扩散和限定表面源扩散 扩散工艺重要的工艺参数包括： 杂质的分布 表面浓度 结深 掺入杂质总量 P21 5.3.1恒定表面源扩散 恒定表面源扩散指在扩散过程中，硅片表面的杂质浓度Cs 始终是保持不变的，将硅片处在恒定浓度的杂质氛围中。 解一维扩散方程： 初始条件为：C(x，0)=0，t=0 边界条件为：C(0，t)=Cs，x=0 C(，t)= 0， x= 恒定表面源扩散杂质分布情况 2 s x C x,tC erfc Dt 2 2C C x D t x CB Cs x1 x2 x3 C(x,t) t1 t2 t3 0 t3

12、t2t1 D =LDt erfc为余误差函数， 为扩散长度。 P22 纵坐标为C/Cs 为归一化浓度 横坐标扩散深 度为线性坐标。 纵坐标 线性坐标（上图） 对数坐标（下图） 扩散分布 P23 （4）恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布，延长扩散时间： 表面杂质浓度不变； 结深增加； 扩入杂质总量增 加； 杂质浓度梯度减小。 DtADt s C C erfc2 j x B 1 2 /4 C C(x,t) xDts e xDt x,t （1）扩散硅片内的杂质总量Q(t) 5.3.1恒定表面源扩散 0 2 1.13 2 sss x Q tC erfcdxCDtCDt Dt （2）杂质的浓度梯度 （3）

13、结深 P24 例：例：在1000的条件下向硅中扩散硼，扩散时间1小时，并且表面浓度保持 在1019cm-3。求Q(t)值及在x=0处的掺杂浓度梯度，并求出掺杂浓度为1015cm-3 处的掺杂浓度梯度。 解：解：1000条件下硼扩散系数为2x10-14cm2/s 。 扩散长度： 146 2 1036008.48 10Dtcm 132 2 9.5 10/ s Q tCDtatoms cm 234 0 6.710 s x CC cm xDt 当C=10-15 cm-3 时，扩散距离xj为 2 s x CC erfc Dt 1 20.466 j s C xDterfcm C 2 /4204 0.466

14、 3.5 10 xDt s xum CC ecm xDt 扩散分布 P25 5.3.2有限表面源扩散 指杂质源在扩散前积累于硅片表面 薄层内， Q为单位面积杂质总量， 解扩散方程： 初始条件： C(x,0)=Q/, t=0, 0 x 边界条件：C(,t)=0 有限表面源扩散杂质分布情况 Dt x e Dt Q txC 4 2 , X Xj1 Xj2 Xj3 Cs Cs Cs” t1 t2 t3 C(x,t) CB 0 t3t2t1 P26 有限源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。 延长扩散时间(提高扩散温度T )： 杂质表面浓度迅速减小； 杂质总量不变； 结深增加； 杂质浓度梯度减小。 5.3.

15、2有限表面源扩散 P27 ( )(0, ) s Q C tCt Dt C(x,t) 2Dt x (x,t) x C(x,t) （1）杂质表面浓度 5.3.2有限表面源扩散 （2）杂质总量Q保持不变。 （3）杂质浓度梯度随扩散深度的增加而减小 DtADtx B j C C ln2 s （4）结深 P28 例：例：用氢化砷气体淀积砷，结果单位面积的杂质原子总数量为1x1014 atoms/cm2，要用多长时间才能把砷扩散出1um的结深？假设基底掺杂CB= 1x1015 atoms/cm2 ，取扩散温度1200 ，扩散过程中D0=24cm2/s，Ea=4.08eV。 解：解： 5132 0 exp(

16、/)24exp( 4.08/(8.614 101473)2.602 10/ a DDEkTcms - =-=-创= 5 2812 1.106 10 104ln()4ln()1.04 10ln() s j B B CQ xDtDtt CCDttp - = log10.0983500ttt-+= log10.098350通方程和方程y=ytt=+ 的曲线交点可以确定上述方程的 解为t=1190秒，也就是20分钟。 5.3.3两步扩散工艺 P29 恒定表面源扩散虽然可以控制杂质的总量和扩散深度，但 不能控制表面浓度，难以制作出低表面浓度的深结； 而限定表面源虽可控制表面浓度和扩散深度，但不能任意 控

17、制杂质总量，因而难以制作出高表面浓度的浅结。 两步工艺 ：分为预淀积（预扩散）、再分布（主扩散） 预淀积是惰性气氛下的恒定表面源扩散，目的是在扩散窗口硅表 层扩入总量Q一定的杂质。 再分布是氧气氛或惰性气氛下的限定表面源扩散，将窗口杂质再 进一步向片内扩散，目的是使杂质在硅中具有一定的表面浓度Cs、 分布C(x)、且达到一定的结深xj。 5.3.3两步扩散工艺 P30 两步扩散 预淀积（预扩散） 低温，短时，恒定表面源扩散杂质扩散很浅，杂质数量可控 主扩散（再分布） 高温，长时，限定表面源扩散控制表面浓度和扩散深度。 两步扩散之后的杂质最终分布形式，为两个扩散过程结果的 累加。 D1t1D2t

18、2预扩散起决定作用，杂质按余误差函数形式分布 D1t1 D2t2主扩散起决定作用，杂质按高斯函数形式分布 5.3.3两步扩散工艺 P31 5.4 影响杂质分布的其他因素 由于扩散模型做了理想化假设，实际存在非理想效应，扩 散分布偏离理论分布，主要原因： 扩散系数在某些场合不是常数； 实际扩散过程中存在横向效应； 硅衬底的晶向、晶格完整性等对扩散速率、杂质分布影响 ； 实验发现硅中掺杂原子的分布，有Fick定律不能解释地方： 发射区推进效应； 氧化增强扩散； P32 a）硅原子踢出晶格位置上的杂质原子 b）踢出与间隙机制扩散 5.4.1硅中点缺陷对杂质扩散的影响 P33 5.4.2氧化增强扩散

19、硼在氧化气氛中的扩散存在明显增强现象，磷、砷也有此现象。 原因是氧化诱生堆垛层错产生大量自填隙Si，间隙-替位式扩散中的 “踢出”机制提高了扩散系数。 氧化层氧化层 B有限源扩散有限源扩散 氮化物氮化物 p-Si n-Si 氮化物氮化物 n-Si 氧化层氧化层 掺掺B CB1019 O2 I+B IB P34 氧化阻滞扩散氧化阻滞扩散 锑扩散是以替位方式进行，氧化堆垛层错带来的自填隙硅填充 了空位，减少了空位浓度。锑在氧化气氛中的扩散却被阻滞。 氮化物氮化物 n-Si p-Si 氧化层氧化层 氮化物氮化物 p-Si 氧化层氧化层 Sb有限源扩散有限源扩散 CB1019 掺掺Sb O2 5.4.

20、2氧化增强扩散 P35 5.4.3发射区推进效应 在npn晶体管的制造中，发现发射区正下方的基区要比 不在发射区下方的基区深，发射区下硼扩散明显增强， 称这种现象为发射区推进效应，也称发射区陷落效应。 B扩散的增强是由于磷与空位相互作用形成的PV对， 发生分解所带来的复合效应。硼附近的PV对的分解会 增加空位的浓度。 xbc e b n p n 掺掺B P扩散扩散 掺掺P P36 5.4.4横向扩散效应 横向扩散的线度是纵向扩散的0.75-0.85倍，浓度 高时是纵向的0.65-0.7倍 P37 5.4.5 场助扩散效应 杂质(施主或受主杂质)在硅中扩散时，是以电离施主（或受 主）和电子（或空

21、穴）各自进行扩散运动的。 在硅片内形成一内建电场E，它的方向正好起着帮助运动较 慢的杂质离子加速扩散的作用，这种现象称为场助扩散效应。 P38 5.5扩散工艺条件与方法 扩散设备多是炉丝加热的热壁式扩散炉。和氧化炉相类似。 扩散条件包括：扩散方法、扩散杂质源和扩散温度和时间。 扩散方法： 气-固扩散 开管扩散：杂质源放在坩埚中，硅片放在石英舟上，坩埚和石英舟相 距一定的距离，坩埚在气流方向上，杂质源蒸汽输运到硅片表面。优 点：重复性、稳定性好，扩散方便。缺点：污染大。 闭管扩散：与开关扩散设备相同，只是炉管封闭。杂质源与硅片密封 在同一石英舟内。优点：扩散均匀性、重复性好，受外界影响小。缺 点

22、：工艺操作复杂；每次扩散完要敲碎石英管，石英管耗费大。 箱法扩散：把杂质源和硅片装在石英或硅片做成的箱内，在氮气或氩 气保护下进行扩散。优点：均匀性好；缺点：扩散时间长，效率低。 液-固扩散 固-固扩散 氧化物源扩散：在硅片表面淀积一层掺有某种杂质的氧化层，进行低 温淀积。优点：易于控制表面浓度和扩散结深；缺点：工艺不成熟、 重复性差。 涂源法扩散：把杂质直接涂在硅片表面，高温下由惰性气体保护进行 扩散。缺点：表面浓度难以控制，均匀性差。 P39 杂质源为气态（BCl3、B2H6、PH3、AsH3），稀释后进 入扩散系统。气态杂质源在硅片表面进行化学反应生成 掺杂氧化层，杂质再由氧化层向硅中扩

23、散。 5.5.2杂质源选择气态源扩散 石英管石英管 接排风口接排风口 阀和质量阀和质量 流量计流量计 载载 气气 石英舟和硅片石英舟和硅片 气态源扩散系统气态源扩散系统 掺杂掺杂 剂气剂气 体体 P40 杂质为液态源（POCl3、BBr3、B(CH3O)3），保护气体携 带进入扩散系统中。携带气体通过源瓶，把杂质源蒸汽带 入扩散炉管内。高温下，杂质化合物与硅反应释放出杂质 原子。 接排风接排风 阀和流量计阀和流量计 载载 气气 石英舟和硅石英舟和硅 片片 石英管石英管 温度控温度控 制池制池 源瓶和源瓶和 液相源液相源 液相源扩散系统液相源扩散系统 5.5.2杂质源选择液态源扩散 P41 5.

24、5.2杂质源选择固态源扩散 杂质源为固态（ 陶瓷片或粉体：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5 等），通入保护气体，在扩散系统中完成杂质由源到硅片表 面的气相输运的扩散掺杂过程。 石英管石英管 接排风接排风 阀和流量计阀和流量计 载载 气气 铂源舟铂源舟 石英舟和硅片石英舟和硅片 开管固态源扩散开管固态源扩散 系统系统 P42 多采用BN陶瓷片固态源，采用开管式方法。 工艺流程：工艺流程： 清洗：光刻出扩散窗口，清洗后再进行扩散。 预淀积：一般预淀积温度较低，时间也较短，用氮气保护。 漂硼硅玻璃：预淀积后的窗口表面有薄的一层硼硅玻璃，用 HF漂去。 再分布：温度较高，时间较长，通氮气保护，可以

25、通氧气和 氧化同事进行。 测方块电阻：通过测方块电阻来了解掺杂情况。 5.5.3常用杂质的扩散工艺硼扩 散 P43 5.5.3常用杂质的扩散工艺硼扩散 工艺原理：工艺原理： 原理 2 B2O3 + 3Si 4B +3SiO2 选源 固态BN源使用最多，必须活化 活化： 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 特点 B与Si原子半径相差较大，有伴生应力缺陷，能造成 晶格损伤。硼在硅中的最大固溶度达4*1020/cm3，但浓度在 1020/cm3以上有结团现象。 工艺 两步工艺，预淀积为恒定源扩散，用氮气保护。再分 布有限源扩散。 900-1100 P44 磷扩散多采用固态陶瓷片源，采用开管式

26、方法。 工艺流程：工艺流程： 与硼扩散工艺近似，不漂磷硅玻璃。预淀积温度高于 再分布，再分布时间短，使表面浓度高，形成浅结。 工艺原理：工艺原理： 原理 2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2 选源 固态P2O5陶瓷片源使用最多，无须活化。 特点 磷是n型替位杂质， B与Si原子半径接近，杂质浓 度可达1021/Cm3，该浓度即为电活性浓度。 5.5.3常用杂质的扩散工艺磷扩散 P45 NPN晶体管 N x 5*1020 1018 3*1016 N+P N N型型erfc分布分布 P型高斯分布型高斯分布 N型衬底型衬底 0 Xebj Xbcj N x 发射区发射区 基区基区集电区集电区

27、B扩： D1t1D2t2 5.5.3常用杂质的扩散工艺磷扩 散 P46 5.6 扩散工艺质量与检测 工艺指标 杂质表面浓度Cs 结深xj 薄层电阻Rs 分布曲线C(x) P47 设R0为磨槽所用工具的半径，则结深为： 2222 00j xRbRa 当R0a,b时，有： 22 0 2 j ab x R jB C xC 在半导体上磨槽，并在溶液中腐蚀、染色（例如在100ml的HF中加几滴硝 酸溶液形成对硅的腐蚀液）使P型区比N型区颜色深，就能显示出结深的轮 廓。 5.6.1结深的测量 P48 5.6.2表面浓度的确定 表面浓度相同Cs，杂质分布不确定； 方块电阻R相同，Cs不相同，杂质分布仍不确定； 方块电阻R、表面浓度Cs、结深xj三者存在对应关系，已 知其中两个，第三个就唯一确定； 结深和方块电阻可以方便测出来，表面浓度直接测比较困 难。 P49 扩散层薄板电阻扩散层薄板电阻 四探针法四探针法：探针等间距配置，恒流源