半导体制造工艺-07扩散(上)

1、掺杂doping：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅中，并获得准确的杂质分布外形doping profile。MOSFET：阱、栅、源/漏、沟道等BJT：基极、发射极、集电极等掺杂运用：B E Cppn+n-p+p+n+n+BJTp wellNMOS1根本概念结深 xj Junction Depth薄层电阻 Rs Sheet Resistance 杂质固溶度Solubility)2杂质分布外形doping profile举例31、结深的定义 xj : 当 x = xj 处Cx分散杂质浓度= CB本体浓度 器件等比例减少k倍，等电场要求xj 同时减少k倍同时 要求xj 增大在现代COMS技术中，采

2、用浅结和高掺杂来同时满足两方面的要求42、薄层电阻 RSsheet resistance方块电阻tlw薄层电阻定义为5方块时，lw，RRS。所以，只需知道了某个掺杂区域的方块电阻，就知道了整个掺杂区域的电阻值。RS：外表为正方形的半导体薄层，在电流方向呈现的电阻。单位为 /既RS：正方形边长无关其重要性： 薄层电阻的大小直接反映了分散 入硅内部的净杂质总量6物理意义： 薄层电阻的大小直接反映了分散入硅内部的净杂质总量 q 电荷， 载流子迁移率，n 载流子浓度 假定杂质全部电离 载流子浓度 n = 杂质浓度 N 那么： Q：从外表到结边境这一方块薄层中单位面积上杂质总量 73、杂质固溶度dopa

3、nt solid solubility固溶度solid solubility：在平衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生反响构成分凝相的最大浓度。电固溶度超越电固溶度的杂质能够构成电中性的聚合物，对掺杂区的自在载流子不奉献8As在硅中的固溶度: 21021 cm-3As的电学可激活浓度: 21020 cm-39分散的微观机制(a) 间隙式分散interstitial(b) 替位式分散substitutional间隙分散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg替位分散杂质：As， Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的运动普通是以近邻处有空位为前题B，P，普通作为替位式分散杂质，实践情况更复杂，包含

4、了硅自间隙原子的作用，称填隙式或推填式分散10填隙式 interstitial assisted kick-out)或推填式分散Interstitialcy-assited)11间隙原子推填子12间隙式分散： Au, Ag, Cu, Fe, Ni等 间隙原子必需越过的势垒高度 Ei Ei 约为0.6 1.2 eV 腾跃几率和温度有关 振动频率010131014/s 快分散杂质T：绝对温度，k：玻尔兹曼常数13在温度T，单位晶体体积中的空位数 每一格点出现空位的几率为 Nv/N，替位式原子必需越过的势垒高度为Es; Es 约3 4 eV 腾跃几率为 慢分散杂质替位式分散：B, P, As, Sb

5、等14Ea：本征分散激活能，D0和温度弱相关，而主要取决于晶格几何尺寸和振动频率v0表观分散系数：Ea 小，间隙分散Ea大，替位分散本征分散系数D：cm2/sec当NA、NDni在一定温度下时，称为本征掺杂。15 D0(cm2/s) Ea(eV)B1.0 3.46In 1.2 3.50P4.70 3.68 As9.17 3.99Sb4.58 3.88半导体工艺中常用掺杂原子在单晶硅中的本征分散系数因子和激活能As的优势：小D，大固溶度16分散是微观粒子作无规那么热运动的统计结果，这种运动总是由粒子浓度较高的地方向浓度低的地方进展，而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。分散的原始驱动力是体系能量最小化。

6、分散的宏观机制diffusion from a macroscopic viewpoint分散动力学17费克第一定律C 为杂质浓度number/cm3)，D 为分散系数cm2/s。式中负号表示分散是由高浓度处向低浓度处进展的浓度有着负斜率，分散朝着x的正向进展浓度深度t1t218费克第二定律浓度、时间、空间的关系t 时间内该小体积内的杂质数目变化为这个过程中由于分散进出该小体积的杂质原子数为单位体积内杂质原子数的变化量等于流入和流出该体积元的流量差A19费克第二定律由假定 D为常数分散方程20特定边境条件下，分散方程的解1、稳态时，浓度不随时间变化有如氧化剂在SiO2中的分散212、恒定外表源

7、分散：外表杂质浓度恒定为Cs初始条件： C(x,0)=0, x0边境条件： C(0,t)=Cs C(,t)=0实践工艺中，这种工艺称作“预淀积分散。即气相中有无限量的杂质存在，可以保证在分散外表的杂质浓度恒定。解方程，得恒定分散方程的表达式 C(x, t) 为某处t时的杂质浓度Cs 为外表杂质浓度，取决于某种杂质在硅中的最大固溶度erfc 称作“余误差函数22erfc(x) = Complementary Error Function = 1 - erf(x)余误差函数性质：对于x123：称为特征分散长度1掺杂总量为A和Cs/CB有关D与温度T是指数关系,因此T对结深的影响要较t大许多2分散结

8、深为xj ，那么243杂质浓度梯度梯度遭到Cs、t 和D即T的影响。改动其中的某个量，可以改动梯度，如添加CsAs。在p-n结处CB和Cs一定时，xj 越深，结处的梯度越小。25余误差函数分布预淀积分散分散时间越长，杂质分散间隔越深，进入衬底的杂质总量越多。恒定外表源的分散，其外表杂质浓度Cs 根本由杂质在分散温度9001200 C下的固溶度决议，而固溶度随温度变化不大。t1 t2 t3t1t2t3CB263、有限源分散：杂质总量恒定为QT在整个分散过程中，预淀积的分散杂质总量作为分散的杂质源，不再有新源补充。如先期的预淀积分散或者离子注入一定量的杂质，随后进展推进退火时发生的高温下分散。初始

9、条件：边境条件：得到高斯分布CsDelta 函数272分散结深1外表浓度Cs随时间而减少3浓度梯度在pn结处浓度梯度随着分散深度结深添加而下降A随时间变化28一样外表浓度归一化后，两种分布的比较瞬时间，二者类似29高斯函数分布推进(drive-in)退火分散分散时间越长，分散越深，外表浓度越低。分散时间一样时，分散温度越高，外表浓度下降越多。用于制造低外表浓度的结和较深的p-n结。t1 t2 t3t1t2t3CB30多步退火推进过程Multiple drive-in process当分散系数一样时，当分散系数不同时，(Dt)eff 用来衡量分散过程的热过程thermal budget由于分散系

10、数成指数随温度添加，因此热过程主要由最高温度下的分散来决议，别的一些步骤在决议分散总量时可以忽略。预淀积控制剂量恒定剂量推进退火31二步分散第一步 为恒定外表浓度的分散Pre-deposition 称为预堆积或预分散 控制掺入的杂质总量第二步 为有限源的分散Drive-in，往往同时氧化 称为主分散或再分布 控制分散深度和外表浓度32由于当 时，最后的杂质浓度分布为二步分散的两种极端情况33余误差函数分布erfc外表浓度恒定杂质总量添加分散深度添加高斯函数分布Gaussian外表浓度下降(1/t )杂质总量恒定结深添加关键参数 Cs外表浓度 xj 结深 Rs薄层电阻34本节课主要内容1、掺杂工艺普通分为哪两步？结深？薄层电阻？固溶度？2、两种特殊条件下的费克第二定律的解及其特点？特征分散长度？预淀积退火。预淀积：气固相预淀积分散或离子注入。Rs