第3章 扩散(电子科大mems)

第3章扩散“分散〞是一种根本的掺杂技术。经过分散可将一定种类和数量的杂质掺入硅片或其它晶体中，以改动其电学性质。OxideOxidep+SiliconsubstrateDiffusedregionNDopantgas掺杂技术的种类中子嬗变离子注入分散掺杂可构成PN结、双极晶体管的基区、发射区、隔离区和隐埋区、MOS晶体管的源区、漏区和阱区，以及分散电阻、互连引线、多晶硅电极等。在硅中掺入少量Ⅲ族元素可获得P型半导体，掺入少量Ⅴ族元素可获得N型半导体。掺杂的浓度范围为1014~1021cm-3，而硅的原子密度是5×1022cm-3，所以掺杂浓度为1017cm-3时，相当于在硅中仅掺入了百万分之几的杂质。3.1一维费克分散方程本质上，分散是微观粒子作不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着浓度较低的地方进展，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。浓度差越大，温度越高，分散就越快。在一维情况下，单位时间内垂直分散经过单位面积的粒子数，即分散粒子的流密度J(x,t)，与粒子的浓度梯度成正比，即费克第一定律，式中，负号表示分散由高浓度处向着低浓度处进展。比例系数D称为粒子的分散系数，取决于粒子种类和分散温度。典型的分散温度为900℃~1200℃。D的大小直接表征着该种粒子分散的快慢。将费克第一定律针对不同边境条件和初始条件可求出方程的解，得出杂质浓度N(x,t)的分布，即N与x和t的关系。上式又称为费克第二定律。假定杂质分散系数D是与杂质浓度N无关的常数，那么可得到杂质的分散方程代入延续性方程3.2分散的原子模型杂质的位置：杂质原子在半导体中进展分散的方式有两种。以硅中的分散为例，O、Au、Cu、Fe、Ni、Zn、Mg等不易与硅原子键合的杂质原子，从半导体晶格的间隙中挤进去，即所谓“填隙式〞分散；而P、As、Sb、B、Al、Ga、In等容易与硅原子键合的杂质原子，那么主要替代硅原子而占据格点的位置，再依托周围空的格点〔即空位〕进展分散，即所谓“替位式〞分散。填隙式分散的速度比替位式分散快得多。其中Ea0、Ea-等代表分散激活能，D00、D0-等代表与温度无关的常数，取决于晶格振动频率和晶格几何构造。对于替位式杂质，不同带电形状的空位将产生不同的分散系数，实践的分散系数D是一切不同带电形状空位的分散系数的加权总和，即式中，ni代表分散温度下的本征载流子浓度；n与p分别代表分散温度下的电子与空穴浓度，可由下式求得1、恒定外表浓度分散式中，erfc代表余误差函数；称为特征分散长度。由上述边境条件与初始条件可求出分散方程的解，即恒定外表浓度分散的杂质分布情况，为余误差函数分布，3.3费克定律的分析解边境条件1N〔0,t〕=NS边境条件2N〔∞,t〕=0初始条件N〔x,0〕=0在整个分散过程中，杂质不断进入硅中，而外表杂质浓度NS一直坚持不变。恒定外表浓度分散的主要特点〔1〕杂质外表浓度NS由该种杂质在分散温度下的固溶度所决议。当分散温度不变时，外表杂质浓度维持不变；〔2〕分散的时间越长，分散温度越高，那么分散进入硅片内单位面积的杂质总量〔称为杂质剂量QT〕就越多；〔3〕分散时间越长，分散温度越高，那么杂质分散得越深。分散开场时，外表放入一定量的杂质源，而在以后的分散过程中不再有杂质参与。假定分散开场时硅片外表极薄一层内单位面积的杂质总量为QT，杂质的分散长度远大于该层厚度，那么杂质的初始分布可取为函数，分散方程的初始条件和边境条件为这时分散方程的解为中心在x=0处的高斯分布2、恒定杂质总量分散恒定杂质总量分散的主要特点〔1〕在整个分散过程中，杂质总量QT坚持不变；〔2〕分散时间越长，分散温度越高，那么杂质分散得越深；〔3〕分散时间越长，分散温度越高，外表浓度NS越低，即外表杂质浓度可控。3、两步分散恒定外表浓度分散适宜于制造高外表杂质浓度的浅结，但是难以制造低外表浓度的结。而恒定杂质总量分散那么需求事先在硅片中引入一定量的杂质。为了同时满足对外表浓度、杂质总量以及结深等的要求，实践消费中常采用两步分散工艺：第一步称为预分散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定外表浓度分散方式在硅片外表分散一薄层杂质原子，目的在于确定进入硅片的杂质总量；第二步称为主分散或再分布或推进分散，在较高的温度下，采用恒定杂质总量分散方式，让淀积在外表的杂质继续往硅片中分散，目的在于控制分散深度和外表浓度。例如，双极晶体管中基区的硼分散，普通采用两步分散。因硼在硅中的固溶度随温度变化较小，普通在1020cm-3以上，而通常要求基区的外表浓度在1018cm-3，因此必需采用第二步再分布来得到较低的外表浓度。第一步恒定外表浓度分散，淀积到硅片上的杂质总量为D2代表再分布温度下的杂质分散系数，t2代表再分布时间。再分布后的外表杂质浓度为D1代表预淀积温度下的杂质分散系数，t1代表预淀积时间，NS1代表预淀积温度下的杂质固溶度。假设预淀积后的分布可近似为δ函数，那么可求出再分布后的杂质浓度分布为还可求出再分布后的结深。设衬底杂质浓度为NB，即可解得令掺杂分布控制：前面得出的分散后的杂质分布是采用理想化假设的结果，而实践分布与实际分布之间存在着一定的差别，主要有：1、二维分散〔横向分散〕3.4简单实际的修正实践分散中，杂质在经过窗口垂直向硅中分散的同时，也将在窗口边缘沿外表进展横向分散。思索到横向分散后，要得到实践的杂质分布，必需求解二维或三维分散方程。横向分散的间隔约为纵向分散间隔的75%~80%。由于横向分散的存在，实践分散区域大于由掩模版决议的尺寸，此效应将直接影响到VLSI的集成度。2、杂质浓度对分散系数的影响前面的讨论假定分散系数与杂质浓度无关。实践上只需当杂质浓度比分散温度下的本征载流子浓度ni(T)低时，才可以为分散系数与掺杂浓度无关。在高掺杂浓度下各种空位增多，分散系数应为各种电荷态空位的分散系数的总和。3、电场效应高温分散时，掺入到硅中的杂质普通处于电离形状，电离的施主和电子，或电离的受主与空穴将同时向低浓度区分散。因电子空穴的运动速度比电离杂质快得多，因此在硅中将产生空间电荷区，建立一个自建场，使电离杂质产生一个与分散方向一样的漂移运动，从而加速了杂质的分散。值在0到1之间，与杂质浓度有关。4、发射区陷落效应在基区宽度极薄的NPN晶体管中，假设发射区分散磷，那么发射区正下方的内基区要比外基区深，这种景象称为发射区陷落效应。为防止此效应的发生，发射区可采用砷分散，或采用多晶硅发射极。5、气体气氛3.5常见杂质的分散系数硼：浓度在1020cm-3以下时，硼的分散系数中以D+为主，与杂质浓度的关系不大。浓度超越1020cm-3后，有些原子将处于填隙位置，或凝结成团，使硼的分散系数在这个浓度范围内降低。砷：浓度在1020cm-3以下时，砷的分散系数中以D0和D-为主。浓度超越1020cm-3后，有些原子也将处于填隙位置。砷在硅中的分散系数较低，因此常用于浅结分散中，例如亚微米NMOS的源漏区分散和微波双极晶体管的发射区分散。此外，高浓度下填隙原子的增多使分散分布的顶部变得平坦，高浓度下砷分散的电场加强效应很明显，这又使得分散分布的前沿非常陡。结果使砷分散的分布呈矩形的所谓箱形分布，这也有利于浅结分散。磷：磷的分散系数比砷高得多，而且分散分布比较平缓，因此不利于构成浅结。磷分散可用于较大尺寸NMOS的源漏区分散和低频双极晶体管的发射区分散；在大功率MOS器件中对漏区进展磷分散可降低漏附近的电场强度；在大规模集成电路中，磷分散主要用于阱区和隔离区。3.6分散分布的分析一、薄层电阻RS〔方块电阻R口〕的丈量无穷大样品有限尺寸样品丈量薄层电阻的方法主要有四探针法和范德堡法。四探针法范德堡法二、结深的丈量丈量结深的方法主要有磨角法、磨槽法和光干涉法。1、磨角染色法将分散片磨成斜角〔1~5〕，用染色液进展染色以区分N区和P区的界面。常用的染色液是浓氢氟酸加0.1~0.5体积的浓硝酸的混合液。最后经过下面的公式可求出结深，2、磨槽染色法适用于丈量浅结。式中，R是磨槽圆柱体的半径，a和b由显微镜测出。假设R远大于a和b，那么上式可近似为3、光干涉法三、杂质浓度分布的丈量丈量杂质浓度分布的方法主要有电容法、扩展电阻法、剥层法和扫描电容显微法等。电容法单边突变结的势垒电容为将上式对电压求导，可解出杂质浓度分布为扩展电阻法探针3.7SiO2中的分散杂质在SiO2中的分散系数也可表为B、P、As、Sb等杂质在SiO2中的分散系数很小，因此可将SiO2层用作杂质分散的掩蔽膜。SiO2掩蔽层厚度确实定杂质在SiO2层中的分布大部分按余误差函数分布假设定义N(x)/NS的比值为10–3时对应的SiO2厚度为可以有效掩蔽杂质的最小厚度tmin，那么大规模集成电路中的MOSFET普通采用硅栅自对准构造。SiO2掩蔽层厚度确实定在对源、漏区和多晶硅栅进展掺杂时，栅氧化层应确保沟道区不被掺杂。由于深亚微米MOSFET的栅氧化层厚度在10nm以下，且沟道区的杂质浓度仅为源、漏区和多晶硅栅的杂质浓度的10-4以下，所以这是一个严重问题。分散系统的种类很多。按所用杂质源的方式来分，有固态源分散、液态源分散、气态源分散；按所用分散系统的方式来分，有开管分散、闭管分散、箱法分散、“固-固分散〞等。3.8分散系统卧式分散炉立式分散炉分散技术的主要缺陷1、存在横向分散，影响分散后的图形精度。2、难以对掺杂总量、结深〔特别是浅结〕和杂质浓度分布进展精细的控制，均匀性和反复性也较差。3.10小结本章回想了分散的物理机制和分散的原子模型。引见了反映分散规律的费克第一定律和费克第二定律〔即分散方程〕，给出了针对预淀积和推进分散两种情况的特解及其特点，讨论了上述简单实际结果在实践情况下的修正。引见了检验分散结果的方法。由于B、P、As、Sb等在SiO2中的分散系数很小，因此可将SiO2层用作杂质分散的掩蔽膜。最后对分散系统作了简要引见。习题1、在1000℃下在硅片中进展20分钟的磷的预淀积分散，然后在1100℃下进展推进分散，假设衬底浓度为1017cm-3，那么为获得4.0微米的结深，推进时间应为多少？推进后的外