半导体制造工艺基础-施敏-第6章扩散课件

第6章扩散精选课件■概述■扩散工艺■扩散方程■扩散分布■扩散工艺质量检测精选课件■

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)精选课件3）形成场效应晶体管中的漏区和源区扩散工艺在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精选课件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：二、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。精选课件(1)气态源：

AsH3，PH3，B2H6(2)固态源：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)精选课件硼源：BBr3(沸点90℃)磷源：POCl3(沸点107℃)(3)液态源精选课件■

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：精选课件精选课件(2)填隙式扩散两种基本扩散机制：(1)替代式扩散三、扩散方程精选课件（一）费克一维扩散方程描述扩散运动的基本方程——费克第一定律其中，C是杂质浓度，D是扩散率(扩散系数)，F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扩散流量的减小相等，即：精选课件上式被称为费克扩散方程代入式3，得到费克第二定律假设D与位置无关，可简化为：精选课件■硅中杂质的扩散率曲线(低浓度本征扩散)：精选课件■替代式扩散需要的激活能比填隙式的大■扩散系数：其中，Ea为激活能；D0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)精选课件“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。四、扩散分布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)恒定表面源(浓度)扩散又被称为预淀积扩散；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；1）第一种边界条件：(恒定源扩散)精选课件由(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恒定源扩散(2)计算扩散形成的PN结结深：精选课件精选课件这是一个中心在x=0处的高斯分布2）第二种边界条件：(有限源扩散)此时扩散方程的解为：扩散过程中初始的杂质总量S是固定的精选课件由(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，讨论有限源扩散(2)计算扩散形成的PN结结深：精选课件第二步：主扩散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再分布扩散，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“恒定源”+“有限源”的两步扩散法精选课件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：精选课件■

扩散工艺是重要的掺杂技术之一，扩散过程决定了杂质在硅中的浓度和分布■一维扩散的费