硅集成电路工艺——扩散(Diffusion)

1、Chap.3 扩徵(Diffusion)丄天津工业大学天津工业大学扩散(Diffusion)杂质掺杂Impurity doping通过高温扩散的方式，杂质原子通过气相源或掺杂 过的氧化物扩散或淀积到硅片表面并进一步扩散到 体内形成掺杂离子注入(Ionimplantation)杂质原子以离子束的形式注入到硅片内，形成掺杂将可控制数量的杂质 掺入到半导体内，主 要目的就是要改变半 导体的电特性扩徽余蠹團及穡像的更丈天津工业大学天津工业大学DopantJunction DepthSilicon天津工业大学Maskuig OxideN-Silicon天津工业大学天津工业大学扩散离子注入扩散：高温扩散方

2、式，杂质掺入无 方向性杂质浓度从表面到体内单调 下降杂质分布主要由扩散温度和 时间决定:用于形成深结离子注入:离子束注入方式，杂质掺入 直进性杂质浓度在体内有峰值分布杂质分布主要由离子质量和 注入能量决定一般用于形成浅结天津工业大学扩厳的掀丘天津工业大学天津工业大学横向扩散，工艺难以控制 在高精度场合逐渐被离子注入取代天津工业大学天津工业大学天津工业大学§ 3.1裔质扩椒机构(机狸，机制期天津工业大学天津工业大学间隙式扩散:替位式扩散:天津工业大学天津工业大学间隙式杂质从一个间隙位置运动到另一个间隙位置 间隙位置： 势能min 相邻两间隙位置：势能max替位式杂质从一个替位位置运动

3、到另一个替位位置(a)直接交换(打断6个键) (b)空位交换(打断3个键，主要)天津工业大学势垒高度：Wi=06l2eV间隙位置：势能max天津工业大学主要与晶格结构与晶向有关，原晶格位置势能min密度越大，间隙越小，Wi就越大势垒高度运动条件：E>Wi 跳跃率：P/=V,exp(-Wi/T)运动条件E>Ws；该离子邻位正好出现一空位(n/N=exp(-Wv/A;T)跳跃率：Pv=exp(-Wv/T)exp(-天津工业大学Ws/kT) = Vo exp-(Ws+Wv)/A;T天津工业大学4 *!3.2犷嶽系救鸟方菲克(Fick)第一定律:J= -DaC(x,t)/ ax杂质的扩散流

4、密度正比于杂质浓度梯度，比例系数D定义位杂质在基体中的 扩散系数天津工业大学4 *!1椒方咨扩散系数：J(x,t)=C(xa/2,t)PvaC(x+a/2t)PvaD=a2Pv=a2v0exp-(Ws+Wv)/kT=D)exp( -AE/kT)扩椒方程扩散方程（菲克第二定律）:XX + ? X/I/;/1 J1 Z-/11 r/-/-/?s/?X天津工业大学C(xy t)A sAx- C(x, t+A t) AsAx=-C(x.t+At)'C(x.t)AsAxJ(x+Ax4) As At-J(x.t) As At= J(x+ Ax.t)- J(x.t)As At-dC(x.t)/ dt

5、= dJ(x.f)/dx= i)D dC(x.t)/3t/ax=D d2C(x.t)/sx2天津工业大学§3.3扩徵會质今怖天津工业大学天津工业大学恒定表面源扩散：边界条件：C(0,t)=Cs;C(o),t)=0 初始条件：C(x,0)=0,x>0C(x，t)二 Csl-erf(x/2(Dt)1/2)=Cs erfc(x/2(Dt)1/2)Q(t) = 2Cs(Dt/7T)1/2Xj = 2(Dt)1/2erfc KCB/Cs)有限表面源扩散：边界条件：C(x9O)=O x>h;C(oo ,t)=0初始条件：C(x,O)=Cs(O)=Q/h 0<x<hC(x,

6、t) = Q/(7rDt)1/2 exp(-x2/4Dt) =Cs(t) exp(-x2/4Dt)Xj= 2(Dt)1/2ln(Cs/CB)1/2天津工业大学天津工业大学两步扩徵天津工业大学天津工业大学两步扩散（控制表面浓度，杂质数量，结深等指标）预扩散（预淀积）k主扩散（再分布）（predeposition）（drive-in）§3.4影响裔质今怖的曳他逊素:硅中点缺陷 :杂质浓度对扩散系数的影响 :氧化增强扩散 :发射区推进效应:二维扩散热氧化过程中的杂质再分布硅片晶向的影响§ 3.5扩厳工艺:固态源扩散(B2O3,P2O5,BN等)开管扩散箱法扩散涂源法扩散液态源扩散(BBr3,BCl3,PBr3,PCl3,POC13等) 系统简单，操作方便，成本低，效率高，易控制, 最常用:气态源扩散(杂质