集成电路工艺基之扩散

第一页，共四十页，编辑于2023年，星期五杂质掺杂掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触磷(P)、砷(As)——N型硅硼(B)——P型硅掺杂工艺：扩散、离子注入第二页，共四十页，编辑于2023年，星期五扩散第三页，共四十页，编辑于2023年，星期五扩散

70年代初期以前，杂质掺杂主要通过高温的扩散实现。杂质原子通过气相源或氧化物源扩散或淀积到硅晶片的表面。杂质浓度从表面到体内单调下降杂质分布主要是由温度和扩散时间决定可用于形成深结（deepjunction），如CMOS中的双阱（twinwell）第四页，共四十页，编辑于2023年，星期五离子注入第五页，共四十页，编辑于2023年，星期五离子注入从70年代初开始，掺杂的操作改由离子注入完成掺杂原子以离子束的形式注入半导体内杂质浓度在半导体内有峰值分布杂质分布主要由离子质量和离子能量决定用于形成浅结（shallowjunction），如MOSFET中的漏极和源极第六页，共四十页，编辑于2023年，星期五扩散机构间隙式扩散定义：杂质离子位于晶格间隙杂质：Na、K、Fe、Cu、Au等元素势能极大位置：相邻的两个间隙之间势垒高度Wi：0.6~1.2eV间隙杂质的振动能在室温时，只有0.026eV；1200℃时为0.13eV，因此间隙杂质靠热涨落越过势垒跳跃率：Pi依赖于温度第七页，共四十页，编辑于2023年，星期五扩散机构第八页，共四十页，编辑于2023年，星期五扩散机构替位式扩散定义：杂质离子占据硅原子的位杂质特点：III、Ⅴ族元素相邻晶格上出现空位才好进行替位式扩散势能极大位置：间隙处势垒高度：0.6~1.2eV跳跃率：近邻出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，Pv依赖于温度间隙式扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级第九页，共四十页，编辑于2023年，星期五扩散机构第十页，共四十页，编辑于2023年，星期五菲克第一定律扩散是微观粒子热运动的统计结果，当杂质存在浓度梯度时，出现宏观的扩散流。杂质由高浓度区向低浓度区移动，直至浓度趋于均匀，扩散流为零。实验表明：扩散流的大小，正比于杂质的浓度梯度。菲克第一定律:如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度，则杂质将会产生扩散运动，而且杂质的扩散方向使杂质浓度梯度变小。第十一页，共四十页，编辑于2023年，星期五扩散系数扩散系数其中：V0代表振动频率Wv代表形成一个空位所需要的能量Ws代表替位杂质的势垒高度

△E为扩散激活能，对替位式杂质来说，一般为3~4eV第十二页，共四十页，编辑于2023年，星期五扩散方程扩散方程（菲克第二定律）第十三页，共四十页，编辑于2023年，星期五扩散方程扩散方程（菲克第二定律）经过△t时间，体积元内的杂质变化量为体积元内杂质的变化，是由于在△t时间内，通过x处和x＋△x处的两个截面的流量差所造成第十四页，共四十页，编辑于2023年，星期五扩散方程扩散方程（菲克第二定律）假定体积元内的杂质不产生也不消失，上面两式应该相等，得到假设扩散系数D为常数（低浓度正确），得到第十五页，共四十页，编辑于2023年，星期五恒定表面源扩散定义：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终不变的扩散边界条件和初始条件C(0,t)=Cs；

C(∞,t)=0；C(x,0)=0,x>0

恒定表面源扩散的杂质分布：第十六页，共四十页，编辑于2023年，星期五恒定表面源扩散第十七页，共四十页，编辑于2023年，星期五恒定表面源扩散杂质分布形式特点在表面浓度Cs一定的情况下，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。扩到硅内的杂质数量可用高为Cs，底为2的三角形近似；表面浓度Cs由杂质在扩散温度下的固溶度所决定。而在900~1200℃内，固溶度变化不大，可见很难通过改变温度来控制Cs第十八页，共四十页，编辑于2023年，星期五恒定表面源扩散

结深如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的导电类型不同，则在两种杂质浓度相等处形成p-n结。杂质浓度相等：结的位置：温度通过D对扩散深度和杂质分布情况的影响，同时间t相比更为重要。第十九页，共四十页，编辑于2023年，星期五恒定表面源扩散杂质浓度梯度任意位置P-n结处的杂质梯度在Cs和CB一定的情况下，p-n结越深，在结处的杂质浓度梯度就越小。第二十页，共四十页，编辑于2023年，星期五有限表面源扩散定义：扩散之前在硅片表面淀积一层杂质，在整个扩散过程中这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充初始条件和边界条件C(x,0)=0,x>hC(∞,t)=0C(x,0)=Cs(0)=Q/h,0≤x≤h解得：第二十一页，共四十页，编辑于2023年，星期五有限表面源扩散第二十二页，共四十页，编辑于2023年，星期五有限表面源扩散杂质分布形式特点当扩散温度相同时，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，表面浓度就越低。当扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散的就越深，表面浓度下降的也就越多扩散过程中杂质量不变表面杂质浓度可以控制，有利于制作低表面浓度和较深的p-n结。第二十三页，共四十页，编辑于2023年，星期五有限表面源扩散结深杂质浓度梯度任意位置P-n结处得杂质梯度第二十四页，共四十页，编辑于2023年，星期五两步扩散实际方法实际生产中的扩散温度一般为900~1200℃

，在这样的温度范围内，常用杂质如硼、磷、砷等在硅中的固溶度随温度变化不大，因而采用恒定表面源扩散很难得到低浓度的分布形式。为了同时满足对表面浓度、杂质数量、结深以及梯度等方面的要求，实际生产中往往采用两步扩散法第二十五页，共四十页，编辑于2023年，星期五两步扩散预扩散：在低温下采用恒定表面源扩散方式，控制扩散杂质的数量，杂质按余误差形式分布。主扩散将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在较高温度下进行扩散。控制表面浓度和扩散深度。杂质按高斯形式分布。分布形式：D1t1>>D2t2,

余误差分布D1t1<<D2t2

，高斯分布两步扩散第二十六页，共四十页，编辑于2023年，星期五3.4影响杂质分布的其它因素上面推导的杂质分布形式——理想化实际上理论分布与实际分布存在一定的差异主要是因为硅中掺杂原子的扩散，除了与空位有关外，还与硅中其它类型的点缺陷有密切的关系。氧化增强扩散发射区推进效应第二十七页，共四十页，编辑于2023年，星期五氧化增强扩散（OED）实验结果表明，与中性气氛相比：杂质B在氧化气氛中的扩散存在明显的增强。B和P的增强现象比较明显杂质As在氧化气氛中的扩散有一定强度的增强杂质锑在氧化气氛中的扩散被阻滞参考P78图3.14第二十八页，共四十页，编辑于2023年，星期五发射区推进效应在npn窄基区晶体管制造中，如果基区和发射区分别扩B和扩P，则发现在发射区正下方（内基区）B的扩散深度，大于不在发射区正下方（外基区）B的扩散深度，该现象称为发射区推进效应，或发射区下陷效应。第二十九页，共四十页，编辑于2023年，星期五发射区推进效应第三十页，共四十页，编辑于2023年，星期五二维扩散实际扩散在掩蔽层的边缘，横向扩散与纵向扩散同时进行第三十一页，共四十页，编辑于2023年，星期五二维扩散

实际扩散低浓度扩散假定：D与杂质浓度无关，横向扩散与纵向扩散都近似以同样方式进行L横=75%~85%L纵高浓度扩散：D与杂质浓度相关，L横=65%~70%L纵第三十二页，共四十页，编辑于2023年，星期五杂质横向扩散示意图第三十三页，共四十页，编辑于2023年，星期五杂质横向扩散示意图

由于横向扩散作用，结包含一个中央平面区一个近似圆柱、曲率半径为rj的边如果扩散掩蔽层有尖锐的角，在这角处的结将因横向扩散而近似于圆球状。电场强度在圆柱和圆球结处较强，该处雪崩击穿电压将远低于有相同衬底掺杂的平面结处。第三十四页，共四十页，编辑于2023年，星期五实际扩散区域大于窗口影响集成度第三十五页，共四十页，编辑于2023年，星期五扩散工艺（1）－固态源扩散扩散物质：杂质的氧化物或其他化合物通过惰性气体把杂质源蒸气输运到硅片表面温度决定固溶度，对浓度有直接影响固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等第三十六页，共四十页，编辑于2023年，星期五扩散工艺（2）－液态源扩散方法：携带气体经过源瓶，将杂质源蒸气（杂质化合物）带入扩散炉管内与硅反应，或分解后与硅反应。条件：源温控制在0℃，以保证稳定性和重复性携带气体进行纯化和干燥，以防止杂质源水解而变质特点：系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性和均匀性好，较常用。第三十七页，共四十页，编辑于2023年，星期五利用液态源进行扩散的装置示意图液态源扩散第三十八页，共四十页，编辑于2023年，星期五扩散工艺（3）－气态源扩散方法：气态杂质源一般先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散。杂质源：多为杂质的氢化物或卤化物