第2章-扩散教材

第2章扩散

“扩散”

是一种基本的掺杂技术。通过扩散可将一定种类和数量的杂质掺入硅片或其它晶体中，以改变其电学性质。OxideOxidep+SiliconsubstrateDiffusedregionNDopantgas掺杂技术的种类离子注入扩散掺杂可形成

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，以及扩散电阻、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

~

1021

cm-3，而硅的原子密度是5

×1022

cm-3，所以掺杂浓度为

1017

cm-3时，相当于在硅中仅掺入了百万分之几的杂质。1.扩散工艺定义：在一定温度下杂质原子具有一定能量，能够克服阻力进入半导体并在其中做缓慢的迁移运动。形式：替代式扩散和间隙式扩散

恒定表面浓度扩散和再分布扩散硅器件生产中的两步扩散工艺

在硅器件平面工艺中，常采用“两步扩散”工艺。第一步采用恒定表面源扩散的方式，在硅片表面淀积一定数量Q的杂质原子。由于扩散温度较低，扩散时间较短，杂质原子在硅片表面的扩散深度极浅，如同淀积在表面，通常称为“预淀积”。第二步是把经预淀积的硅片放入另一扩散炉内加热，使杂质向硅片内部扩散，重新分布，达到所要求的表面浓度和扩散深度。所以，这一步是有限表面源扩散，常称为“再分布”。扩散方式气态源扩散：气态掺杂剂穿过支管，通过压力罐被计量导入淀积炉管。液态源扩散：利用保护气体携带杂质蒸汽进入反应室，在高温下分解并与硅表面发生反应，产生杂质原子，杂质原子向硅内部扩散。固态源扩散：固态源在高温下汽化、活化后与硅表面反应，杂质分子进入硅表面并向内部扩散。扩散工艺主要参数结深：当用与衬底导电类型相反的杂质进行扩散时，在硅片内扩散杂质浓度与衬底原有杂质浓度相等的地方就形成了pn结，结距扩散表面的距离叫结深。薄层电阻Rs（方块电阻）表面浓度：扩散层表面的杂质浓度。方块电阻方块电阻是标志扩散层质量的另一个重要参数，一般用R□或Rs表示，单位是Ω/□。

由于扩散层存在杂质浓度分布梯度，电阻率应由平均电阻率来代替，则方块电阻

扩散层质量参数

表面浓度

扩散层质量参数

（1）杂质表面浓度

NS

由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变；（2）扩散的时间越长，扩散温度越高，则扩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）扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深。

表面浓度的大小一般由扩散形式、扩散杂质源、扩散温度和时间所决定。但恒定表面源扩散，表面浓度的数值基本上是扩散温度下杂质在硅中的固溶度。也就是说，对于给定杂质源、表面浓度由扩散温度控制。对有限表面源扩散，表面浓度则由预淀积的杂质总量和扩散时的温度和时间所决定。但扩散温度和时间由结深的要求所决定，所以此时的表面浓度主要由预淀积的杂质总量来控制。在结深相同的情况下，预淀积的杂质总量越多，再分布后的表面浓度就越大。扩散层质量参数

次表面浓度和次表面层薄层电阻次表面薄层就是指扩散表面之下，自某个深度x的平面到pn结位置之间的一个薄层。次表面层薄层电阻可表示为:

扩散层质量参数

二、结深的测量测量结深的方法主要有

磨角法、磨槽法（滚槽法）

和

光干涉法。

1、磨角染色法

将扩散片磨成斜角（1

~5

），用染色液进行染色以区分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。最后通过下面的公式可求出结深，

2、磨槽染色法适用于测量浅结。式中，R

是磨槽圆柱体的半径，a和b由显微镜测出。若

R

远大于a和b，则上式可近似为

3、光干涉法断面SEM法测结深1、四探针法测薄层电阻ＩVRs=kV/IsP扩散分布分析无穷大样品有限尺寸样品测量薄层电阻的方法主要有

四探针法

和

范德堡法。四探针法2、范德堡法测薄层电阻R=1/4[V12/I34+V23/I41+V34/I12+V41/I23]质量分析1．硅片表面不良：表面合金点；表面黑点或白雾；表面凸起物；表面氧化层颜色不一致；硅片表面滑移线或硅片弯曲；硅片表面划伤，边缘缺损，或硅片开裂等2．漏电电流大：表面沾污引起的表面漏电；氧化层的缺陷破坏了氧化层在杂质扩散时的掩蔽作用和氧化层在电路中的绝缘作用而导电；硅片的缺陷引起杂质扩散时产生管道击穿。3．薄层电阻偏差。工艺控制污染控制：颗粒、有机物、薄膜、金属离子污染来源：操作者,清洗过程,高温处理,工具•参量控制：温度，时间，气体流量(影响最大?)1.温度控制：源温、硅片温度、升温降温、测温2.时间：进舟出舟自动化,试片3.气体流量：流量稳定，可重复性

3.1一维费克扩散方程本质上，扩散是微观粒子作不规则热运动的统计结果。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行，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。浓度差越大，温度越高，扩散就越快。在一维情况下，单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子数，即扩散粒子的流密度

J

(

x

,

t

)

，与粒子的浓度梯度成正比，即

费克第一定律，式中，负号表示扩散由高浓度处向着低浓度处进行。比例系数

D

称为粒子的

扩散系数，取决于粒子种类和扩散温度。典型的扩散温度为

900℃~1200℃。D

的大小直接表征着该种粒子扩散的快慢。将费克第一定律针对不同边界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。假定杂质扩散系数

D

是与杂质浓度

N

无关的常数，则可得到杂质的

扩散方程代入

连续性方程1、恒定表面浓度扩散式中，erfc

代表余误差函数；称为特征扩散长度。由上述边界条件与初始条件可求出扩散方程的解，即恒定表面浓度扩散的杂质分布情况，为

余误差函数分布，3.2费克定律的分析解边界条件

1N（0,t）=NS

边界条件

2N（∞,t）=0初始条件N（x,0）=0

在整个扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度NS

始终保持不变。

恒定表面浓度扩散的主要特点

（1）杂质表面浓度

NS

由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变；（2）扩散的时间越长，扩散温度越高，则扩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）扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深。

扩散开始时，表面放入一定量的杂质源，而在以后的扩散过程中不再有杂质加入。假定扩散开始时硅片表面极薄一层内单位面积的杂质总量为

QT

，杂质的扩散长度远大于该层厚度，则杂质的初始分布可取为

函数，扩散方程的初始条件和边界条件为这时扩散方程的解为中心在x=0处的

高斯分布

2、恒定杂质总量扩散

恒定杂质总量扩散的主要特点

（1）在整个扩散过程中，杂质总量

QT

保持不变；（2）扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深；（3）扩散时间越长，扩散温度越高，表面浓度

NS

越低，即表面杂质浓度可控。第一步恒定表面浓度扩散，淀积到硅片上的杂质总量为

D2

代表再分布温度下的杂质扩散系数，t2

代表再分布时间。再分布后的表面杂质浓度为

D1

代表预淀积温度下的杂质扩散系数，t1

代表预淀积时间，NS1

代表预淀积温度下的杂质固溶度。若预淀积后的分布可近似为δ函数，则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：前面得出的扩散后的杂质分布是采用理想化假设的结果，而实际分布与理论分布之间存在着一定的差异，主要有：

1、二维扩散（横向扩散）

3.3简单理论的修正实际扩散中，杂质在通过窗口垂直向硅中扩散的同时，也将在窗口边缘沿表面进行横向扩散。考虑到横向扩散后，要得到实际的杂质分布，必须求解二维或三维扩散方程。横向扩散的距离约为纵向扩散距离的

75%

~

80%

。由于横向扩散的存在，实际扩散区域大于由掩模版决定的尺寸，此效应将直接影响到

VLSI

的集成度。

2、杂质浓度对扩散系数的影响前面的讨论假定扩散系数与杂质浓度无关。实际上只有当杂质浓度比扩散温度下的本征载流子浓度

ni(T)

低时，才可认为扩散系数与掺杂浓度无关。在高掺杂浓度下各种空位增多，扩散系数应为各种电荷态空位的扩散系数的总和。

3

、电场效应高温扩散时，掺入到硅中的杂质一般处于电离状态，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扩散。因电子空穴的运动速度比电离杂质快得多，因而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扩散方向相同的漂移运动，从而

加速了杂质的扩散

。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，若发射区扩散磷，则发射区正下方的内基区要比外基区深，这种现象称为发射区陷落效应。为避免此效应的发生，发射区可采用砷扩散，或采用多晶硅发射极。3.4常见杂质的扩散系数

硼：浓度在

1020cm-3

以下时，硼的扩散系数中以

D+

为主，与杂质浓度的关系不大

。浓度超过

1020cm-3

后，有些原子将处于填隙位置

，或凝结成团，使硼的扩散系数在这个浓度范围内降低。砷：浓度在

1020cm-3

以下时，砷的扩散系数中以

D0

和

D-

为主。浓度超过

1020cm-3

后，有些原子也将处于填隙位置。砷在硅中的扩散系数较低，因此常用于浅结扩散中，例如亚微米

NMOS

的源漏区扩散和微波双极晶体管的发射区扩散

。此外，高浓度下填隙原子的增多使扩散分布的顶部变得平坦，高浓度下砷扩散的电场增强效应很明显，这又使得扩散分布的前沿非常陡。结果使砷扩散的分布呈矩形的所谓

箱形分布，这也有利于浅结扩散。磷：磷的扩散系数比砷高得多，而且扩散分布比较平缓，因此不利于形成浅结。磷扩散可用于较大尺寸

NMOS

的源漏区扩散和低频双极晶体管的发射区扩散；在大功率

MOS

器件中对漏区进行磷扩散可降低漏附近的电场强度；在大规模集成电路中，磷扩散主要用于阱区和隔离区。二、结深的测量测量结深的方法主要有

磨角法、磨槽法（滚槽法）

和

光干涉法。

1、磨角染色法

将扩散片磨成斜角（1

~5

），用染色液进行染色以区分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。最后通过下面的公式可求出结深，

3、光干涉法

2、磨槽染色法适用于测量浅结。式中，R

是磨槽圆柱体的半径，a和b由显微镜测出。若

R

远大于a和b，则上式可近似为

三、杂质浓度分布的测量测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3.6

SiO2中的扩散杂质在

SiO2

中的扩散系数也可表为B、P、As、Sb

等杂质在

SiO2

中的扩散系数很小，因此可将

SiO2

层用作杂质扩散的掩蔽膜。

SiO2

掩蔽层厚度的确定杂质在

SiO2

层中的分布大部分按余误差函数分布如果定义

N(x)/NS的比值为

10–3

时对应的

SiO2

厚度为能够有效掩蔽杂质的最小厚度

tmin，则

大规模集成电路中的

MOSFET

一般采用

硅栅自对准结构。SiO2

掩蔽层厚度的确定在对源、漏区和多晶硅栅进行掺杂时，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。扩散技术的