√√半导体热扩散技术原理

1、 （3）Fair空位模型：在杂质原子的代位式扩散机理中，扩散是通过空位交换的方式来进行的，在此比较常用、且又比较符合实际情况的一种扩散模型就是所谓Fair空位模型。该模型适用于温度低于1000oC、掺杂浓度在中等以下的多种杂质扩散的情况。在Fair空位模型中，空位可以获得电子而带负电荷，也可以失去电子而带正电荷。因为对于Si和GaAs而言，每一个原子都与4个相邻的原子以共价键联系着（GaAs中的价键还带有离子性），当出现一个晶格空位时，即有4个邻位原子的价电子层是不饱和的，所以空位能够带有的电荷可以有4种负电荷的情况（即一个电子电荷、2个电子电荷、3个电子电荷和4个电子电荷）以及4种正电荷的情

2、况（即一个正电荷、2个正电荷、3个正电荷和4个正电荷）；再加上中性的空位，则晶体中的空位共有9种不同的带电状态。因为空位俘获电荷的数量与载流子浓度n（等于掺杂浓度N（x）成正比，所以带电空位的数量正比于N（x）/nJj,这里巴是本征载流子浓度，j是带电状态的阶数；又因为晶体中的空位数量总的来说还也很少的,因此每一种空位的扩散都可看成是一个独立的事件，从而晶体中杂质原子的总有效扩散系数D可以表示为如下的9项之和：D=r+if+-d2-+疗一+-E产+之zr+十十产十|之山式中的本征载流子浓度为n=nn=nT3/2expl一iioo2kT)对于Si：nio=7.2X10i5cm-3,Ego=1.1

3、7eV，=0.000463eV-K，P=636K对于GaAs：%。=42X1014cm-3,Eo=1.52eV,=0.000541eV-K,P=204K。对于高浓度的扩散，则电子或空穴的浓度就等于掺杂浓度（n或pN（x）；对于低掺杂浓度的扩散，则电子和空穴的浓度都近似等于本征载流子浓度（npni）。如果Si材料中存在过多的自由电子时，则Fair模型表示式中的正电荷项可以忽略；如果存在过多的自由空穴时，则Fair模型表示式中的负电荷项可以忽略。此外，在Fair模型表示式中的高次幂项（3次幂项和4次幂项）一般都很小，通常可以忽略。若考虑到带电空位的扩散，那么载流子浓度以及扩散系数都将与坐标有关。例

4、如，Si中硼的扩散，在浓度小于1020cm-3时，基本上都是依靠中性空位的本征扩散;在浓度等于1020cm-3时只需要考虑带有单一正电荷空位的影响；而在浓度大于1020cm-3时，则有些硼原子将处于间隙位置，或者结成一团，这时扩散系数将急剧下降。图4即示出了高浓度硼在Si中扩散的典型浓度分布。又如，Si中高浓度磷的扩散，其扩散浓度的典型分布如图5所示。这种扩散分布可以区分为三个区域：在高浓度区（表面附近），浓度基本恒定，这是由于扩散系数可表示为两个部分：、2式中Di是中性磷原子与中性空位交换的扩散系数，Di2一是带正电荷的磷离子与带两个负电荷的空位所组成的离子-空位对（带有负电荷）的扩散系数；

5、在转折区，许多离子-空位对发生分解，即造成电子浓度急剧减小，就使得杂质浓度分布也相应地很快下降；在低浓度区，扩散速度加快，这是由于离子-空位对的分解、产生出了过剩的空位浓度，即使得未配对的磷离子扩散加快。作为Si中施主的磷杂质，扩散系数较大（大于As和Sb），因此在VLSI技术中，常常用作为阱区和隔离区的扩散杂质。杂质原子扩散的Fair空位模型与实验结果符合得较好，因此在扩散分布的SUPREM模拟程序中，都采用了该模型所给出的扩散系数表示式。（4）场助扩散：杂质原子的扩散往往还要受到其它一些因素的影响。热扩散时所产生的内建电场的作用即是需要考虑的一个重要因素。该内建电场主要来自于扩散杂质原子浓

6、度分布的不均匀（并且这些杂质原子在较高的扩散温度下基本上又都是电离了的）。如果沿x方向的电场为Ex，则根据电流密度J的关系：J=-DdN+日NE=Df-dN+NqEdxxIdxkTx）得到扩散时的内建电场为：kT1dNe二一“xqNdx式中的”是电场屏蔽系数5=01）。可见，杂质原子浓度分布不均匀所引起的内建电场将具有增强扩散的作用，最大可使扩散系数增大一倍。例如，在Si中高浓度As扩散时，电场增强的作用就很明显（扩散系数增大一倍），从而导致As扩散的浓度分布变得非常陡峭。但是当掺As浓度超过1020cm-3时，As将形成间隙式的结团、不能提供电子（即不能电激活），这就将导致高浓度As扩散分布

7、的顶部变得较平坦。图6即为As扩散的典型浓度分布。作为Si中施主的As杂质，其扩散系数较小，则其扩散浓度的再分布也很小，因此常常用作为BJT的发射区扩散杂质和亚微米n-MOSFET源/漏区扩散杂质。（5）气氛的影响增强扩散和阻滞扩散：氧化过程将要影响到杂质原子的扩散。实验表明，在Si片氧化时，界面附近处将会产生出高浓度的间隙原子，并且其浓度随着深度而降低；在Si片表面附近处这些间隙原子具有提高硼、磷扩散系数的作用，但却具有降低As扩散系数的作用（因为间隙原子-空位的复合，使得局部空位浓度减小，扩散激活能为4.7eV），因此，在氧化过程中，可以认为硼、磷的扩散主要是以间隙原子机制进行的，而As的

8、扩散则主要是以空位机制进行的。这种氧化所导致的增强或者阻滞扩散的作用，都将要影响到扩散系数的大小。也有实验表明，在氮化气氛中进行热扩散时，对杂质原子扩散系数的影响，与在氧化气氛中的恰恰相反，即有增强As扩散的作用（扩散激活能降低为3.7eV）以及具有阻滞硼、磷扩散的作用。因为Si片在热氮化气氛中，在表面附近处会产生出大量的空位。这种氮化气氛具有阻滞硼扩散的作用，现在已经应用于深亚微米Si器件及其IC的制造中。当利用热氧化来制作栅氧化层时，往往需要在氧化气氛中掺入一些氮气，目的就是为了防止重掺硼多晶硅电极中的硼原子扩散到沟道中，以免影响到器件的阈值电压和降低氧化层的可靠性。（注意：氢气具有提高硼

9、原子在氧化硅中扩散系数的作用。）（6）GaAs中杂质的扩散：GaAs扩散的温度一般都低于Si扩散，因此发生杂质再分布的问题不太严重。但是杂质在GaAs中的扩散机理要比在Si中的扩散复杂得多，因为这里的扩散不仅与空位和间隙原子的带电状态有关，而且也与空位的种类（是Ga空位，还是As空位）有关。Zn扩散：Zn是GaAs工艺中最常用的受主杂质。图7示出了Zn在GaAs中经过不同预沉积扩散时间之后的浓度分布，可见，存在一个较宽的平台区（最高浓度受到固溶度的限制）和一个较陡、指数式下降的尾区。这种扩散分布可以采用Fair空位模型和Frank-Turnbull方式来解释，其中Frank-Turnbull方

10、式的扩散要快得多。在Frank-Turnbull方式中，即认为Zn在在GaAs中有两种形式：一种是带正电荷的间隙离子Zn+,其浓度低，但扩散快；另一种是带负电荷的代位离子Zn-，它是通过中性空位的交换来进行扩散的，则扩散很慢。正因为Zn+具有高的扩散速度，所以才造成了宽广的平台区。当扩散很快的Zn+遇到Ga空位时，即被Ga空位俘获、并失去两个空位而变成为Zn-，则扩散减慢，使得浓度分布陡峭下降。实际上，Zn在GaAs中的扩散浓度分布在较深处还存在一个转折现象，如图8所示。分析表明，这是由于Ga空位存在多重带电的状态，并且Zn-、Zn+之间还可能形成离子对，这就使得杂质原子的扩散速度大大降低，从

11、而导致出现扩散分布的转折现象。Si扩散：GaAs工艺中最常用的施主杂质是Si（当掺Si浓度vlOi8cm-3时，Si通常是取代Ga而起施主作用）。关于Si在GaAs中的扩散机理，有人提出了SiGa-SiAs原子耦合对扩散模型，即相邻（型号相反）晶格位置上的一对杂质原子与一对相邻的空位交换位置。扩散系数将随着掺杂浓度而线性地增大。但是SiGiAs原子对扩散模型不能解释在快速退火情况下的扩散浓度分布。YU等提出了较完整的、考虑到电荷效应的稳态扩散模型，即认为取代Ga+的Si原子（SiGa+）通过与中性Ga空位或者带三个负电荷的Ga空位交换位置而进行扩散；取代As-的Si原子（SiAs_）可能与Ga无关；并且认为SiGa-SiAs原子对是不动的。利用该模型即可说明如图9所示的犷散浓度分布。小。0.10.20.30.4障度（心）图4Si中高浓度硼扩散