第二章 扩散工艺

第二章扩散工艺(Diffusionprocess)■概述■扩散原理(模型与公式)■实际扩散分布的分析■扩散工艺和设备■扩散工艺质量检测扩散工艺(Diffusionprocess)参考资料：《微电子制造科学原理与工程技术》第3章扩散(电子讲稿中出现的图号是该书中的图号)■在lC制造中主要采用扩散法和离子注入法。■高浓度深结掺杂采用热扩散法，浅结高精度掺杂用离子注入法。一、概述1、掺杂和扩散1）掺杂(Doping)用人为的方法将所需杂质按要求的浓度和分布掺入到半导体材料中，达到改变材料的电学性质、形成半导体器件结构的目的，称之为“掺杂"。2）掺杂的方法合金法、扩散法、离子注入法。3）常用的掺杂杂质P(磷)、B(硼)、As(砷)、Sb(锑)3）形成MOSFET中的漏区和源区2、扩散工艺在IC制造中的主要用途：1）形成硅中的扩散层电阻2）形成双极型晶体管的基区和发射区1）扩散运动：物质的随机热运动，趋向于降低其浓度梯度；即存在一个从高浓度区向低浓度区的净移动。2）扩散工艺：利用杂质的扩散运动，将所需要的杂质掺入硅衬底中，并使其具有特定的浓度分布。3）研究杂质在硅中的扩散运动规律的目的：3、扩散运动与扩散工艺■

开发合适的扩散工艺，预测和控制杂质浓度分布。■

研究IC制造过程中其他工艺步骤引入的扩散过程对杂质分布和器件电特性的影响。二、扩散原理(模型与公式)（一）费克一维扩散方程描述扩散运动的基本方程一费克第一定律其中，C是杂质浓度，D是扩散率(扩散系数)，J是杂质净流量根据物质守恒定律，杂质浓度随时间的变化率与当地扩散流量的减小相等，即：上式被称为费克简单扩散方程代入式(2.1)，得到费克第二定律假设D与位置无关，式(2.2)可简化为：位置变量用沿硅圆片深度方向(z)取代，上式可改写为：(2)填隙型杂质（二）扩散率D与扩散的原子模型1、根据杂质在半导体材料晶格中所处的位置，可将杂质分为两类：(1)替位型杂质■

填隙型杂质扩散很快■

对硅掺杂水平无直接贡献2、杂质扩散机制(1)填隙扩散(InterstitialDiffusionMechanism)(2)直接交换式扩散(InterstitialDiffusionMechanism)替位型杂质原子必须打破与周围本体原子间的键合，才能进行直接交换式扩散。杂质原子本体原子2、杂质扩散机制■

空位扩散需要的激活能比直接交换式扩散小；(3)空位扩散(vacancy-assistedDiffusionMechanism)杂质原子本体原子2、杂质扩散机制■

空位扩散是替位型杂质的主要扩散机制之一■杂质原子占据另一个晶格位置，该晶格位置上的本体原子被移开并成为自填隙原子。(4)推填隙式扩散(InterstitialcyDiffusionMechanism)杂质原子本体原子注意：只有存在空位扩散时，才能发生推填隙扩散。扩散过程：■替位式杂质原子被自填隙本体原子推到填隙位置；2、杂质扩散机制不需要自填隙本体原子来推动扩散过程的进行(5)挤出式扩散(Kick-outDiffusionMechanism)与Frank-Turnbull式扩散(Frank-TurnbullDiffusionMechanism)杂质原子本体原子2、杂质扩散机制2）空位模型：总扩散率是所有荷电状态的空位的扩散率的加权总和，加权系数是这些空位存在的概率。3、Fair空位模型：1）“空位电荷"：中性空位俘获电子，使其带负电；中性空位的邻位原子失去电子，可使空位带正电。总扩散率表达式：带电空位的数量建立在空位扩散机制的基础上■硅中杂质的扩散率曲线(低浓度本征扩散)：■如果必须考虑带电空位的扩散率，则扩散率就是位置的函数，因而费克第二定律方程必须采用数值方法来求解。■中性空位的扩散率：其中，E0a是中性空位的激活能(eV)；D00是一个与温度无关的系数，取决于晶格结构和振动频率。(cm2/s)“固溶度”：平衡态下杂质可溶于半导体材料的最高浓度，与温度有关。4、费克第二定律的分析解费克简单扩散方程在任何大于零的时刻，表面的杂质浓度固定此时扩散方程的解为：Cs是固定的表面杂质浓度(/cm3)预淀积扩散又被称为恒定表面源(浓度)扩散；在实际工艺中，Cs的值一般都是杂质在硅中的固溶度。被称为特征扩散长度(pm)；1）第一种边界条件：(预淀积扩散)由(1)掺入硅中的杂质总量(剂量，/cm2)随扩散时间变化：假设衬底杂质浓度为CB，扩散杂质与衬底杂质反型讨论预淀积扩散(2)计算扩散形成的PN结结深：这是一个中心在z=0处的高斯分布2）第二种边界条件：(推进扩散)假设扩散长度远远大于初始杂质分布的深度，则初始分布可近似为一个函数，边界条件可写为：此时扩散方程的解为：4、费克第二定律的分析解费克简单扩散方程扩散过程中初始的杂质总量QJ是固定的由(1)硅表面的杂质浓度(/cm3)随扩散时间延长而降低：如果衬底杂质浓度为CB，扩散杂质与衬底杂质反型，讨论推进扩散(2)计算扩散形成的PN结结深：第二步：推进扩散3）实际扩散工艺(1)先进行恒定表面源的预淀积扩散(温度低，时间短)，扩散很浅，目的是控制进入硅片的杂质总量；(2)以预扩散杂质分布作为掺杂源再进行有限表面源的推进扩散，又称主扩散，通过控制扩散温度和时间以获得预期的表面浓度和结深（分布）。为获得足够浅的预淀积分布，也可改用离子注入方法取代预扩散步骤。第一步：预淀积扩散“预淀积扩散”+“推进扩散”的两步扩散法假设预淀积扩散的扩散系数为D1，时间为t1，则上式可改写为：5、计算两步扩散法的杂质分布1）预淀积扩散(恒定表面浓度Cs)：扩散后杂质浓度分布：边界条件：扩散后杂质总量为：假设推进扩散的扩散系数为D2，时间为t2，则上式可改写为：2）推进扩散(有限表面源QT)：边界条件：扩散后杂质浓度分布：5、计算两步扩散法的杂质分布两步扩散中推进扩散的边界条件才能成立。只有当成立时，注意■

横向扩散的存在影响IC集成度，也影响PN结电容。三、实际扩散分布的分析(与理论的偏差)1、横向扩散：杂质在纵向扩散的同时，也进行横向的扩散■一般横向扩散长度是纵向扩散深度的0.75-0.85；■当杂质浓度

<<ni，时，hE=1■当杂质浓度

>>ni，时，hE=22、内建电场的影响高温下杂质处于离化状态，杂质离子与电子(空穴)同时向低浓度方向扩散。电子(空穴)扩散速度快，形成空间电荷层，建立一自建电场，使离子运动形式为扩散+漂移。有效扩散系数DeffD是本征扩散系数；hE

是电场增强因子此时，对扩散分布无严格的解析解，通常只能对特定杂质种类以近似解来描述。3、杂质浓度对扩散率的影响根据Fair空位模型，杂质总扩散率为：当考虑带电空位的扩散时，扩散率是载流子浓度的函数，即是杂质浓度的函数。以施主杂质(N型)为例，氧化增强扩散或氧化阻滞扩散4、扩散气氛的影响■P、B在O2气氛中扩散比在N2中快，称之为氧化增强扩散。■As在O2气氛中扩散比在N2中慢，称之为氧化阻滞扩散。原因：■氧化时硅片表面存在大量过剩填隙原子，填隙原子数增加，导致空位数量减少(填隙原子一空位复合)。■P，B的扩散机制主要是推填隙扩散机制；As的扩散机制主要是空位扩散机制。杂质在半导体中的扩散与空位浓度有关一般条件下A取值为4.65、SiO2中的扩散对于常见的杂质，如B，P，As等，其在SiO2中的扩散系数比在Si中的扩散系数小得多，因此，SiO2经常用做杂质扩散的掩蔽层SiO2用做扩散掩蔽层的最小厚度估算公式：影响SiO2的掩蔽效果的主要因素：■扩散系数比例■扩散时间■杂质在Si和SiO2中的浓度■杂质分凝系数简化的SiO2掩蔽层最小厚度估算公式：■随着IC器件尺寸的不断缩小，要求杂质的再分布效应减到最小，因此，低温工艺是VLSI技术的急迫需要。6、IC工艺的热预算(ThermalBudget)■IC制造过程中经过的每一步高温工艺，都会对最终的杂质分布产生影响。——杂质再分布■假设硅片经过的高温过程有：温度T1下时间t1，温度

T2下时间t2，……，其相对应的扩散率为D1，D2，……，则总的有效扩散特征长度为：(1)气态源：

AsH3，PH3，B2H6(2)固态源：四、扩散工艺和设备1、目前的扩散工艺已基本被离子注入取代，只有在进行重掺杂时还用扩散工艺进行。2、扩散工艺的分类主要取决于杂质源的形态，常见的杂质源形态包括：单磷酸铵(NH4H2PO4)砷酸铝(AlAsO4)硼源：BBr3(沸点90℃)磷源：POCl3(沸点107℃)(3)液态源■

防止引入污染■

工艺参数控制：温度分布、气流量和排片方式、片间距等■

工艺控制手段：前馈方式(试片)、使用假片3、扩散设备类似于氧化炉管。4、扩散工艺的控制要点：■不能精确控制掺杂浓度和分布，横向效应大■不适于低剂量、浅分布的掺杂工艺■扩散设备无法实现在线质量监控5、扩散工艺的局限性1）在CMOSIC工艺中，只有多晶硅淀积后重掺杂P还采用

POCl3进行扩散掺杂。2）扩散工艺存在的主要问题：3）随着器件尺寸的缩小，杂质分布要求越来越浅，掺杂精确度要求越来越高，因此，扩散工艺在1980年代后逐步被离子注入掺杂技术所取代。2、主要的检测项目：五、扩散工艺质量检测获取作为深度和横向位置函数的杂质浓度(杂质分布)1、目的：四探针法测量样品薄层电阻1）薄层电阻的测量：■四探针法当探针间距远远大于结深时，有用于检测扩散分布时，必须保证衬底绝缘或扩散层一衬底问形成反偏PN结。其中，F(Q)是形状因子，对于正方形结构，范德堡法测量样品薄层电阻1）薄层电阻的测量：■

范德堡法图3.16利用霍尔效应测量载流子类型、迁移率和浓度。■利用霍尔效应，可直接测量总的载流子浓度，以及载流子类型、迁移率等信息。■总的载流子浓度：2）霍尔效应■平均迁移率：3）杂质浓度—深度分布关系的测量■MOS电容的C—V法耗尽层宽度二极管电容杂质浓度■扩展电阻法(1)将样品磨出一个小角度斜面(2)将样品放在载片台上，用一对探针以预定压力与样品表面接触，测量该电阻值。(3)将该电阻值与一个已知浓度的标准值进行比较，从电阻率反推出载流子的分布。主要问题

测量结果取决于点接触的重复性。

进表面测量比较困难。

测量样品与校准标准片比较接近。■二次离子质谱法(SIMS)图3.18SIMS装置图

样品放入仪器，抽真空。

1~5keV的离子束