微電子工藝(4) - PRINT

1、第第5 5章章 擴散擴散微電子工藝微電子工藝441第第5 5章章 擴散擴散擴散是微電子工藝中最基本的平面工藝之一，擴散是微電子工藝中最基本的平面工藝之一，是在是在約約10001000的高溫、的高溫、p p或或n n型型雜質(zhì)雜質(zhì)氣氛中，氣氛中，使雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴散，達到一使雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴散，達到一定濃度，實現(xiàn)半導(dǎo)體定濃度，實現(xiàn)半導(dǎo)體定域、定量摻雜定域、定量摻雜的一種工的一種工藝方法，也稱為熱擴散。藝方法，也稱為熱擴散。 目的是通過目的是通過定域定域、定量定量擴散摻雜改變半導(dǎo)體導(dǎo)擴散摻雜改變半導(dǎo)體導(dǎo)電類型，電阻率，或形成電類型，電阻率，或形成PNPN結(jié)。結(jié)。2內(nèi)容題要內(nèi)容

2、題要5.15.1 擴散機構(gòu)擴散機構(gòu)5.25.2 晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學(xué)方程晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學(xué)方程 5.35.3 雜質(zhì)的擴散摻雜雜質(zhì)的擴散摻雜5.45.4 熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素?zé)釘U散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素5.55.5 擴散工藝條件與方法擴散工藝條件與方法5.6 5.6 擴散工藝質(zhì)量與檢測擴散工藝質(zhì)量與檢測5.7 擴散工藝的發(fā)展擴散工藝的發(fā)展35.1 5.1 擴散機構(gòu)擴散機構(gòu)擴散本質(zhì)上是物質(zhì)內(nèi)擴散本質(zhì)上是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點質(zhì)點（指各種微觀粒子）運動的基本（指各種微觀粒子）運動的基本方式，當(dāng)溫度高于絕對零度時，任何物系內(nèi)的質(zhì)點都在作方式，當(dāng)溫度高于絕對零度時，任何

3、物系內(nèi)的質(zhì)點都在作熱運動，熱運動，溫度溫度越高，熱運動越激烈，擴散現(xiàn)象越嚴(yán)重。越高，熱運動越激烈，擴散現(xiàn)象越嚴(yán)重。晶體擴散是通過微觀粒子一系列隨機跳躍來實現(xiàn)的，這些晶體擴散是通過微觀粒子一系列隨機跳躍來實現(xiàn)的，這些跳躍在整個三維方向進行，主要有三種方式：跳躍在整個三維方向進行，主要有三種方式：5.1.1替位式擴散替位式擴散5.1.2間隙式擴散間隙式擴散5.1.3 間隙間隙替位式擴散替位式擴散45.1.1 替位式擴散替位式擴散 硅中替位式擴散硅中替位式擴散雜質(zhì)雜質(zhì)：As， Al，Ga，Sb，Ge替位原子的運動一般替位原子的運動一般是以近鄰處有空位為是以近鄰處有空位為前提前提B B，P P一般作為

4、替代式一般作為替代式擴散雜質(zhì)，實際情況擴散雜質(zhì)，實際情況更復(fù)雜，是推替式擴更復(fù)雜，是推替式擴散散替位式擴散速率慢替位式擴散速率慢5硅中替位式擴散（硅中替位式擴散（substitutional）示意）示意5.1.1 替位式擴散替位式擴散 )/kTW(WvsevP0 產(chǎn)生替位式擴散必需存在空位，產(chǎn)生替位式擴散必需存在空位， 晶體中空位平衡濃度相當(dāng)?shù)途w中空位平衡濃度相當(dāng)?shù)?室溫下，替位式擴散跳躍率約每室溫下，替位式擴散跳躍率約每1045年一次年一次空位濃度空位濃度kTWvNen/Ws6/kTWeNn:各點出現(xiàn)空位概率/kTWssevW0:概率壘雜質(zhì)依靠熱張落跳過勢跳躍率：跳躍率：5.1kT:平均振

5、動能，室溫時為平均振動能，室溫時為0.026eVv0：振動頻率，振動頻率，1013-1014/seV43 svWW晶體中間隙式擴散（晶體中間隙式擴散（interstitial）示意）示意硅中填（間）隙式擴硅中填（間）隙式擴散雜質(zhì)主要是堿金屬散雜質(zhì)主要是堿金屬和過渡元素，如：和過渡元素，如：O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg填（間）隙式擴散速填（間）隙式擴散速率快率快5.1.2 間隙式擴散間隙式擴散75.1.2 間隙式擴散間隙式擴散Wi=0.6-1.2eV8 按照玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，獲得大按照玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，獲得大于于Wi的幾率正比于的幾率正比于exp(-WikT)kTWievP/0i跳躍率

6、：跳躍率：5.1室溫下，室溫下， Pi約每分鐘一次。約每分鐘一次。在擴散溫度（如在擴散溫度（如1200）kT=0.13eV 跳躍率顯著提高。跳躍率顯著提高。跳躍率表征的是單位時間有效跳躍率表征的是單位時間有效跳躍次數(shù)跳躍次數(shù)5.1.3 間隙間隙-替位式擴散替位式擴散許多雜質(zhì)即可以是替位式也可以是間隙式溶于晶體許多雜質(zhì)即可以是替位式也可以是間隙式溶于晶體的晶格中，并以的晶格中，并以間隙間隙-替位替位方式擴散。方式擴散。這類擴散雜質(zhì)的跳躍率隨這類擴散雜質(zhì)的跳躍率隨空位空位和和自間隙自間隙等缺陷的濃等缺陷的濃度增加而迅速增加。度增加而迅速增加。Si中大多數(shù)過度元素：中大多數(shù)過度元素：Au、Fe、Cu

7、、Pt、Ni、Ag等以等以間隙間隙-替位替位方式擴散，如方式擴散，如Au在在Si中中90%有電活有電活性性比替位式擴散快比替位式擴散快5-6個數(shù)量級個數(shù)量級95.2 5.2 晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學(xué)方程晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學(xué)方程質(zhì)點的移動可在三維任一方向，自由程取決于最近鄰質(zhì)點質(zhì)點的移動可在三維任一方向，自由程取決于最近鄰質(zhì)點流體質(zhì)點間相距遠(yuǎn)、互作用小，擴散速率大，各向同性流體質(zhì)點間相距遠(yuǎn)、互作用小，擴散速率大，各向同性固體中質(zhì)點間相距近、互作用大，所有質(zhì)點均受束縛，在固體中質(zhì)點間相距近、互作用大，所有質(zhì)點均受束縛，在三維勢阱中，明顯的質(zhì)點擴散常開始于較高的溫度三維勢阱中，明

8、顯的質(zhì)點擴散常開始于較高的溫度晶體中粒子（原子或離子）以一定的對稱性和周期性排列，晶體中粒子（原子或離子）以一定的對稱性和周期性排列，限制著它每一步遷移的方向和自由程。限制著它每一步遷移的方向和自由程。溫度的高低，粒子的大小、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷濃度和粒子運溫度的高低，粒子的大小、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷濃度和粒子運動方式是決定擴散運動的重要因素動方式是決定擴散運動的重要因素105.2.2 擴散方程擴散方程在單位時間內(nèi)通過在單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向垂直于擴散方向的的單位面積單位面積上的擴散物質(zhì)流上的擴散物質(zhì)流量為量為擴散通量擴散通量（Diffusion flux，kg / m2 s），用），用J J表示。

9、表示。擴散通量擴散通量與其截面處的濃度梯度成正比。與其截面處的濃度梯度成正比。 比例系數(shù)比例系數(shù)D定義為雜質(zhì)在襯底中的定義為雜質(zhì)在襯底中的擴散系數(shù)擴散系數(shù)。1、Fick第一定律第一定律C( ,t)( , )xJ x tDx “” 表示粒子從高濃度表示粒子從高濃度向低濃度擴散，即逆濃度向低濃度擴散，即逆濃度梯度方向擴散梯度方向擴散11當(dāng)擴散處于非穩(wěn)態(tài)，即各點的濃度隨時間而改當(dāng)擴散處于非穩(wěn)態(tài)，即各點的濃度隨時間而改變時，利用第一定律不容易求出變時，利用第一定律不容易求出J。 通常的擴散過程大都是非穩(wěn)態(tài)擴散，為便于求通常的擴散過程大都是非穩(wěn)態(tài)擴散，為便于求出出J，還要從物質(zhì)的平衡關(guān)系著手，建立第二個

10、，還要從物質(zhì)的平衡關(guān)系著手，建立第二個微分方程式。微分方程式。討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴散時間的關(guān)系，又稱討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴散時間的關(guān)系，又稱Fick第二定律。第二定律。 122、Fick第二定律第二定律dxJ1J2Ax x+dxJ1，J2分別為流入、流出該體分別為流入、流出該體積元的雜質(zhì)流量積元的雜質(zhì)流量21JJJxxC( ,t)xJtx 22C( ,t)C( ,t)xxDtx在非穩(wěn)態(tài)擴散過程中，在在非穩(wěn)態(tài)擴散過程中，在x處，雜質(zhì)原子濃度隨擴散時間處，雜質(zhì)原子濃度隨擴散時間t的變化率的變化率 如果擴散系數(shù)如果擴散系數(shù)D與濃度無關(guān)，則由與濃度無關(guān)，則由Fick第一定律可得：第一定律可得：假設(shè)一

11、段具有均勻橫截面假設(shè)一段具有均勻橫截面A的長方條材料，考慮其中長度為的長方條材料，考慮其中長度為dx的一小段的一小段體積體積則流入、流出該段體積的流量差為：則流入、流出該段體積的流量差為：132、Fick第二定律第二定律5.2.3 5.2.3 擴散系數(shù)擴散系數(shù)D0為表觀擴散系數(shù)；為表觀擴散系數(shù)；Ea為擴散激為擴散激活能活能vP,taxaC2vP,taxaC2擴散系數(shù)擴散系數(shù)(Diffusion coefficient)D是描述擴散速度的重要物理量，它是描述擴散速度的重要物理量，它相當(dāng)于濃度梯度為相當(dāng)于濃度梯度為1時的擴散通量時的擴散通量 。（以替位式擴散推導(dǎo)）（以替位式擴散推導(dǎo)）14xtxCP

12、aaP,taxCaP,taxCtxJvvv),(22),(2kTWWvsvevaPaD)(022kTEDDaexp0020vaD 在低濃度下在低濃度下硅和砷化鎵硅和砷化鎵中各種摻雜中各種摻雜劑雜質(zhì)的實劑雜質(zhì)的實測擴散系數(shù)測擴散系數(shù) 15快擴散快擴散雜質(zhì)雜質(zhì)慢擴散慢擴散雜質(zhì)雜質(zhì)一些雜質(zhì)在硅一些雜質(zhì)在硅111111面中的擴散系數(shù)面中的擴散系數(shù)16第九次課問題第九次課問題摻氯氧化工藝對提高氧化膜質(zhì)量有哪些作用？摻氯氧化工藝對提高氧化膜質(zhì)量有哪些作用？氧化層中出現(xiàn)固定電荷的機理，從工藝上如何能使氧化層中出現(xiàn)固定電荷的機理，從工藝上如何能使之降低之降低 ？擴散機構(gòu)有哪幾種？擴散機構(gòu)有哪幾種？給出主要的快

13、擴散雜質(zhì)和慢擴散雜質(zhì)。給出主要的快擴散雜質(zhì)和慢擴散雜質(zhì)。給出由給出由FickFick定律導(dǎo)出的擴散方程。定律導(dǎo)出的擴散方程。175.35.3雜質(zhì)的擴散摻雜雜質(zhì)的擴散摻雜擴散工藝擴散工藝是要將具有是要將具有電活性電活性的雜質(zhì)，在一定的雜質(zhì)，在一定溫度溫度，以一定以一定速率速率擴散到襯底硅的特定位置，得到所需擴散到襯底硅的特定位置，得到所需的的摻雜濃度摻雜濃度以及以及摻雜類型摻雜類型。 5.3.1 5.3.1 恒定表面源擴散恒定表面源擴散5.3.2 5.3.2 限定表面源擴散限定表面源擴散 5.3.3 5.3.3 兩部擴散工藝兩部擴散工藝185.3.1 恒定表面源擴散恒定表面源擴散恒定恒定( (表

14、面表面) )源源是指在擴散過程中，硅片表面的雜質(zhì)濃是指在擴散過程中，硅片表面的雜質(zhì)濃度始終是保持不變的。度始終是保持不變的。硅一直處于雜質(zhì)氛圍中，硅片硅一直處于雜質(zhì)氛圍中，硅片表面達到了該擴散溫度的固溶度表面達到了該擴散溫度的固溶度Cs。解擴散方程，得出解擴散方程，得出擴散工藝重要的工藝參數(shù)，包括：擴散工藝重要的工藝參數(shù)，包括： 雜質(zhì)的分布雜質(zhì)的分布 表面濃度表面濃度 結(jié)深結(jié)深 摻入雜質(zhì)總量摻入雜質(zhì)總量19解恒定源擴散方程：解恒定源擴散方程：初始條件為：初始條件為：C(x，0)=0，x0邊界條件為：邊界條件為：C(0，t)=Cs C(，t)= 0恒定表面源擴散雜質(zhì)分布為：恒定表面源擴散雜質(zhì)分布

15、為：2022),(),(xtxCDttxC2sxC x,tC erfcDtxCBCsxj1 xj2 xj3C(x,t)t1t2t30t3t2t1erfc(y)-稱為余誤差函數(shù)。稱為余誤差函數(shù)。恒定源擴散的解恒定源擴散的解恒定源擴散雜質(zhì)濃度服從恒定源擴散雜質(zhì)濃度服從余誤差分布余誤差分布延長擴散時間：延長擴散時間： 表面雜質(zhì)濃度不變，為表面雜質(zhì)濃度不變，為Cs； 結(jié)深增加；結(jié)深增加； 擴入雜質(zhì)總量增加；擴入雜質(zhì)總量增加； 雜質(zhì)濃度梯度減小。雜質(zhì)濃度梯度減小。DtADtsCCerfc2jxB14DtxeDtsCx,txC(x,t)Dts1.13C0Dts2Cdxx,tCQ2結(jié)深結(jié)深雜質(zhì)總量雜質(zhì)總量雜

16、質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度21余誤差函數(shù)22xdexerf022)(xdexerfxerfc22)(1)(誤差函數(shù)（也稱之為高斯誤差函數(shù)）是一個非基本函數(shù)，在誤差函數(shù)（也稱之為高斯誤差函數(shù)）是一個非基本函數(shù)，在概率論、統(tǒng)計學(xué)以及偏微分方程中都有廣泛的應(yīng)用。自變量概率論、統(tǒng)計學(xué)以及偏微分方程中都有廣泛的應(yīng)用。自變量為為x的誤差函數(shù)定義為：的誤差函數(shù)定義為：且有erf（）=1和erf(-x)=-erf(x)，則余誤差函數(shù)erfc（x）定義為：5.3.2 5.3.2 限定表面源擴散限定表面源擴散 指雜質(zhì)源在擴散前積累于硅片表面指雜質(zhì)源在擴散前積累于硅片表面薄層薄層內(nèi)，內(nèi)， Q為為單位面積雜質(zhì)總量單位面積

17、雜質(zhì)總量解擴散方程：解擴散方程：邊界條件邊界條件: C(x,0)=Q/ , 0 x000 ,CQdxx2322),(),(xtxCDttxC0, 0C0 xxxXC(x,t)CB0 解限定源擴散方程解限定源擴散方程DtQCs雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度:雜質(zhì)表面濃度雜質(zhì)表面濃度:結(jié)深結(jié)深:24雜質(zhì)分布雜質(zhì)分布:DtxeDtQtxC42,XXj1 Xj2 Xj3CsCsCs”t1t2t3C(x,t)CB0 t3t2t1高斯高斯函數(shù)函數(shù))()()(x,tC2Dtxx,txx,tCDtADtxBsj21CCln2有限源擴散雜質(zhì)濃度是一種高斯函數(shù)分布。有限源擴散雜質(zhì)濃度是一種高斯函數(shù)分布。延長擴散時間延長

18、擴散時間( (提高擴散溫度提高擴散溫度T T ) )： 雜質(zhì)表面濃雜質(zhì)表面濃度迅速減??；雜質(zhì)總量不變；度迅速減?。浑s質(zhì)總量不變； 結(jié)深增加；結(jié)深增加； 雜質(zhì)濃度梯度減小雜質(zhì)濃度梯度減小。 255.3.3 兩步擴散工藝兩步擴散工藝實際擴散工藝實際擴散工藝:一步工藝一步工藝 :是惰性氣氛下的恒定源擴散，雜質(zhì)分布服從余是惰性氣氛下的恒定源擴散，雜質(zhì)分布服從余誤差函數(shù)；誤差函數(shù)；兩步工藝：兩步工藝：分為預(yù)淀積（預(yù)擴散）、再分布（主擴散）分為預(yù)淀積（預(yù)擴散）、再分布（主擴散）兩步。兩步。預(yù)淀積預(yù)淀積是惰性氣氛下的是惰性氣氛下的恒定源擴散恒定源擴散，目的是在擴散窗口硅表層擴，目的是在擴散窗口硅表層擴入總量

19、入總量Q一定的雜質(zhì)。一定的雜質(zhì)。再分布再分布是氧氣氛或惰性氣氛下的是氧氣氛或惰性氣氛下的限定源擴散限定源擴散，將窗口雜質(zhì)再進一，將窗口雜質(zhì)再進一步向片內(nèi)擴散，目的是使雜質(zhì)在硅中具有一定的表面濃度步向片內(nèi)擴散，目的是使雜質(zhì)在硅中具有一定的表面濃度Cs、分、分布布C（x）、且達到一定的結(jié)深）、且達到一定的結(jié)深xj，有時還需生長氧化層。，有時還需生長氧化層。26兩步工藝兩步工藝預(yù)淀積（預(yù)擴散）預(yù)淀積（預(yù)擴散）: :同常為低溫、短時，雜質(zhì)擴散同常為低溫、短時，雜質(zhì)擴散很淺，雜質(zhì)數(shù)量可控很淺，雜質(zhì)數(shù)量可控恒定源擴散恒定源擴散主擴散（再分布）主擴散（再分布）: : 高溫，擴散同時伴隨氧化高溫，擴散同時伴隨

20、氧化控控制表面濃度和擴散深度制表面濃度和擴散深度 兩步擴散之后的雜質(zhì)最終分布形式為兩個擴散兩步擴散之后的雜質(zhì)最終分布形式為兩個擴散過程結(jié)果的累加過程結(jié)果的累加: :D D1 1t t1 1D D2 2t t2 2預(yù)擴散起決定作用，雜質(zhì)按余誤差函數(shù)預(yù)擴散起決定作用，雜質(zhì)按余誤差函數(shù)形式分布形式分布D D1 1t t1 1 Ci 1019/cm3) ，將使擴散系數(shù)顯著提高。，將使擴散系數(shù)顯著提高。非本征擴散系數(shù)非本征擴散系數(shù)D：302302323iiiiiiiiiVVVVDDDDDDVVVV非本征荷電非本征荷電空位的院子空位的院子百分?jǐn)?shù)百分?jǐn)?shù)本征荷電空位本征荷電空位的原子百分?jǐn)?shù)的原子百分?jǐn)?shù)2 2、

21、間隙原子（團）影響、間隙原子（團）影響 b）踢出與間隙機制擴散）踢出與間隙機制擴散31a）硅原子踢出晶格位置上的）硅原子踢出晶格位置上的雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子 實際上硼和磷等雜質(zhì)往往是靠兩種機制進行擴散運動，哪一實際上硼和磷等雜質(zhì)往往是靠兩種機制進行擴散運動，哪一種擴散機制占主要地位將取決于具體工藝。種擴散機制占主要地位將取決于具體工藝。5.45.4.2 5.4.2 氧化增強擴散氧化增強擴散 (OED)硼在氧化氣氛中的擴散存在明顯增強現(xiàn)象，磷、砷也有此硼在氧化氣氛中的擴散存在明顯增強現(xiàn)象，磷、砷也有此現(xiàn)象?，F(xiàn)象。原因是氧化誘生堆垛層錯產(chǎn)生大量自填隙原因是氧化誘生堆垛層錯產(chǎn)生大量自填隙Si，間隙，間隙

22、-替位式替位式擴散中的擴散中的“踢出踢出”機制提高了擴散系數(shù)。機制提高了擴散系數(shù)。氧化層氧化層B限定源擴散限定源擴散氮化物氮化物p-Sin-Si氮化物氮化物n-Si氧化層氧化層摻摻BCB1019O2I+B IB32氧化阻滯擴散氧化阻滯擴散銻擴散是以替位方式進行，氧化堆垛層錯帶來的自填隙硅銻擴散是以替位方式進行，氧化堆垛層錯帶來的自填隙硅填充了空位，減少了空位濃度。填充了空位，減少了空位濃度。銻在氧化氣氛中的擴散卻銻在氧化氣氛中的擴散卻被阻滯。被阻滯。氮化物氮化物n-Sip-Si氧化層氧化層氮化物氮化物p-Si氧化層氧化層Sb有限源擴散有限源擴散CBD（111）晶格缺欠越多，擴散速率也越大。晶格

23、缺欠越多，擴散速率也越大。395.5 5.5 擴散工藝條件與方法擴散工藝條件與方法5.5.1 5.5.1 擴散方法的選擇擴散方法的選擇5.5.2 5.5.2 雜質(zhì)源選擇雜質(zhì)源選擇5.5.3 5.5.3 常用雜質(zhì)的擴散工藝常用雜質(zhì)的擴散工藝 405.5.1 擴散方法的選擇擴散設(shè)備：擴散設(shè)備：多是爐絲加熱的熱壁式擴散爐。和氧化多是爐絲加熱的熱壁式擴散爐。和氧化爐相類似，有臥式（水平式）和立式擴散爐。爐相類似，有臥式（水平式）和立式擴散爐。擴散方法：擴散方法：開管擴散；開管擴散；閉管擴散；閉管擴散；箱法擴散；箱法擴散；涂源擴散涂源擴散415.55.5.2 雜質(zhì)源選擇1、固態(tài)源擴散、固態(tài)源擴散采用的方

24、式采用的方式開管擴散開管擴散箱式擴散箱式擴散涂源擴散涂源擴散固態(tài)源固態(tài)源 陶瓷片或粉陶瓷片或粉體：體：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等等石英管石英管接排風(fēng)接排風(fēng)閥和流量計閥和流量計載載氣氣鉑源舟鉑源舟石英舟和硅片石英舟和硅片開管固態(tài)源擴散開管固態(tài)源擴散系統(tǒng)系統(tǒng)422、液態(tài)源擴散、液態(tài)源擴散液態(tài)源液態(tài)源 POCl3、BBr3、B(CH3O)3 （TMB）接排風(fēng)接排風(fēng)閥和流量計閥和流量計載載氣氣石英舟和硅片石英舟和硅片石英管石英管溫度控制溫度控制池池源瓶和源瓶和液相源液相源液相源擴散系統(tǒng)液相源擴散系統(tǒng)433、氣態(tài)源擴散、氣態(tài)源擴散氣態(tài)源氣態(tài)源 BCl3、B2H6、PH3、AsH3石英管石英管

25、接排風(fēng)接排風(fēng)閥和質(zhì)量閥和質(zhì)量流量計流量計氣氣源源石英舟和硅片石英舟和硅片氣態(tài)源擴散系統(tǒng)氣態(tài)源擴散系統(tǒng)44源的選擇原則：源的選擇原則：對所選擇的雜質(zhì)：對所選擇的雜質(zhì)：Ga、B、P、Sb、As ，SiOSiO2 2掩膜掩膜應(yīng)能起著有效的掩蔽擴散作用；應(yīng)能起著有效的掩蔽擴散作用；在硅中的固溶度足夠高，要大于所需要的表面濃度；在硅中的固溶度足夠高，要大于所需要的表面濃度；擴散系數(shù)的大小要適當(dāng)，雜質(zhì)擴散便于控制，擴散系數(shù)的大小要適當(dāng)，雜質(zhì)擴散便于控制，必需必需滿足滿足固溶度固溶度、擴散系數(shù)擴散系數(shù)要求。要求。相繼擴散的不同雜質(zhì)的擴散系數(shù)，其大小應(yīng)搭配適相繼擴散的不同雜質(zhì)的擴散系數(shù)，其大小應(yīng)搭配適當(dāng)。當(dāng)。

26、例如：例如：晶體管的基區(qū)擴散和發(fā)射區(qū)擴散，前者的雜質(zhì)擴晶體管的基區(qū)擴散和發(fā)射區(qū)擴散，前者的雜質(zhì)擴散系數(shù)應(yīng)小于后者；散系數(shù)應(yīng)小于后者；ICIC埋層雜質(zhì)源，的擴散系數(shù)盡可能埋層雜質(zhì)源，的擴散系數(shù)盡可能小。小。 455.5第九次課主要問題:什么是恒定源擴散什么是恒定源擴散?其雜質(zhì)濃度服從什么分其雜質(zhì)濃度服從什么分布函數(shù)布函數(shù)?什么是限定源擴散什么是限定源擴散?其雜質(zhì)濃度服從什么分其雜質(zhì)濃度服從什么分布函數(shù)布函數(shù)?為什么實際擴散常采用兩步工藝為什么實際擴散常采用兩步工藝?B或或P擴散的氧化增強效應(yīng)是指什么？擴散的氧化增強效應(yīng)是指什么？什么是場助擴散？什么是場助擴散？465.5.3 5.5.3 常用雜質(zhì)

27、的擴散工藝常用雜質(zhì)的擴散工藝原理原理 2 B2O3 + 3Si 4B +3SiO2 選源選源 固態(tài)固態(tài)BN源使用最多，必須活化源使用最多，必須活化 活化：活化： 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2特點特點 B與與Si原子半徑相差較大，有伴生應(yīng)力缺陷，能造成原子半徑相差較大，有伴生應(yīng)力缺陷，能造成晶格損傷。硼在硅中的最大固溶度達晶格損傷。硼在硅中的最大固溶度達4*1020/cm3，但濃度在，但濃度在1020/cm3以上有結(jié)團現(xiàn)象。以上有結(jié)團現(xiàn)象。工藝工藝 兩步工藝，預(yù)淀積為恒定源擴散，用氮氣保護，再分兩步工藝，預(yù)淀積為恒定源擴散，用氮氣保護，再分布有限源擴散，生長氧化層（干氧布有限源擴散

28、，生長氧化層（干氧-濕氧濕氧-干氧）硼擴散干氧）硼擴散900-1100 471、硼擴散（、硼擴散（NPN管為例）管為例）B擴散工藝流程擴散工藝流程預(yù)淀積，一般預(yù)淀積溫度較低，時間也較短。氮預(yù)淀積，一般預(yù)淀積溫度較低，時間也較短。氮氣保護。氣保護。漂硼硅玻璃，予淀積后的窗口表面有薄薄的一層漂硼硅玻璃，予淀積后的窗口表面有薄薄的一層硼硅玻璃，用硼硅玻璃，用HF漂去。漂去。再分布，溫度較高，時間也較長。通氧氣，直接再分布，溫度較高，時間也較長。通氧氣，直接生長氧化層。生長氧化層。測方塊電阻測方塊電阻，方塊電阻是指表面為正方形的薄膜，方塊電阻是指表面為正方形的薄膜，在電流方向的電阻值。在電流方向的電阻

29、值。 482、磷擴散、磷擴散（以（以NPN管為例）管為例）原理原理 2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2選源選源 固態(tài)固態(tài)P2O5陶瓷片源使用最多，無須活化。陶瓷片源使用最多，無須活化。 特點特點 磷是磷是n型替位雜質(zhì)，型替位雜質(zhì)， B與與Si原子半徑接近，原子半徑接近，雜質(zhì)濃度可達雜質(zhì)濃度可達1021/Cm3，該濃度即為電活性濃，該濃度即為電活性濃度。度。工藝工藝 與硼擴相近兩步工藝，不漂磷硅玻璃。與硼擴相近兩步工藝，不漂磷硅玻璃。49NPN管結(jié)構(gòu)管結(jié)構(gòu)Nx5*102010183*1016N+PNN型型erfc分布分布P型高斯分布型高斯分布N型襯底型襯底0 Xebj XbcjNx發(fā)射

30、區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)B擴：擴：D1t1D2t2503、砷與銻D DAsAs、D DSbSb是是D DP P、D DB B的十分之一，因此適于作前擴散雜的十分之一，因此適于作前擴散雜質(zhì)，如質(zhì)，如埋層擴散埋層擴散或或前結(jié)擴散前結(jié)擴散的雜質(zhì)。的雜質(zhì)。AsAs一般是采用一般是采用閉管式擴散閉管式擴散方式，方式，源源為為3%3%砷粉，固溶砷粉，固溶度最高度最高Cs=2Cs=210102121/cm/cm3 3。SbSb一般是采用一般是采用箱式擴散箱式擴散方式，源為方式，源為SbSb2 2O O5 5固態(tài)源，固固態(tài)源，固溶度最高溶度最高Cs=2-5Cs=2-510101919/cm/cm3 3。5

31、15.55.6 5.6 擴散工藝質(zhì)量與檢測擴散工藝質(zhì)量與檢測工藝指標(biāo)：雜質(zhì)表面濃度工藝指標(biāo)：雜質(zhì)表面濃度Cs，結(jié)深，結(jié)深xj，方塊電阻，方塊電阻R（或稱薄層電阻（或稱薄層電阻Rs)，分布曲線，分布曲線C(x)工藝條件工藝條件(T, t)的確定：解析擴散方程獲得工藝條的確定：解析擴散方程獲得工藝條件，目前用計算機模擬獲得工藝參數(shù)。件，目前用計算機模擬獲得工藝參數(shù)。本節(jié)內(nèi)容：本節(jié)內(nèi)容：5.6.1結(jié)深的測量結(jié)深的測量5.6.2 表面濃度的確定表面濃度的確定5.5.3 器件的電學(xué)特性與擴散工藝的關(guān)系器件的電學(xué)特性與擴散工藝的關(guān)系525.6.15.6.1 結(jié)深的測量結(jié)深的測量53jxA Dt12()Bs

32、CAerfcC122(ln)sBCACC(x,t)為余誤差分布時為余誤差分布時：C(x,t)高斯分布時高斯分布時：。 sBCC與A值之間的關(guān)系曲線 Xj測量方法：測量方法：染色法，擴展電阻法，陽染色法，擴展電阻法，陽極氧化剝離法極氧化剝離法染色法測結(jié)深染色法測結(jié)深54原理原理：Si的電極電位低于的電極電位低于Cu，Si能從硫酸銅染色液中把能從硫酸銅染色液中把Cu置置換出來，而且在換出來，而且在Si表面上形成紅色表面上形成紅色Cu鍍層，又由于鍍層，又由于N型型Si的的標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于P型型Si的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，因此會先在的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，因此會先在N型型Si上先有上先有Cu析出，這樣

33、就把析出，這樣就把P-N結(jié)明顯的顯露出來。結(jié)明顯的顯露出來。染色液染色液：CuSO45H2O：48% HF：H2O=5g：2mL：50mLXj=Lsin 5.65.6.2表面濃度的確定 1jx R55Ns與與R，xj三者之間存在對應(yīng)的關(guān)系，已知其中的兩個，第三個就三者之間存在對應(yīng)的關(guān)系，已知其中的兩個，第三個就唯一地被確定，從而具有確定的雜質(zhì)分布。唯一地被確定，從而具有確定的雜質(zhì)分布。查表獲得查表獲得Ns5.6.2表面濃度的確定 NsNs由由擴散形式擴散形式、擴散雜質(zhì)源擴散雜質(zhì)源、擴擴散溫度散溫度和和時間時間決決定。定。恒定源擴散，恒定源擴散，NsNs就是擴散溫度下就是擴散溫度下雜質(zhì)在硅中的固

34、雜質(zhì)在硅中的固溶度。溶度。限定源擴散，限定源擴散，NsNs由雜質(zhì)總量、溫由雜質(zhì)總量、溫度和時間所決定。度和時間所決定。56次表面濃度次表面濃度和和次表面層薄層電阻次表面層薄層電阻 ：在晶體管的分析中，常要用到次表面薄層在晶體管的分析中，常要用到次表面薄層的概念。的概念。次表面薄層就是指擴散表面之下，自某個次表面薄層就是指擴散表面之下，自某個深度深度 的平面到的平面到pn結(jié)位置之間的一個薄層。結(jié)位置之間的一個薄層。5.65.5.3 器件的電學(xué)特性與擴散工藝的關(guān)系器件的電學(xué)特性與擴散工藝的關(guān)系由不良的由不良的pnpn結(jié)反向特性結(jié)反向特性I-VI-V曲線了解工藝情況曲線了解工藝情況(a)(a)當(dāng)當(dāng)pnpn結(jié)的表面被雜質(zhì)沾污，結(jié)的表面被雜質(zhì)沾污，Si-SiOSi-SiO2 2界面存在界面態(tài)時，會導(dǎo)致表界面存在界面態(tài)時，會導(dǎo)致表面復(fù)合中心大量存在，引起表面漏電面復(fù)合中心大量存在，引起表面漏電(b)(b)產(chǎn)生的原因很多，如產(chǎn)生的原因很多，如pnpn結(jié)有較大的局部尖峰，基區(qū)過窄或外延層過結(jié)有較大的局部尖峰，基區(qū)過窄或外延層過薄，以及擴散層上的合金點、外延層的層借和位借密度較高等都會薄，以及擴散層上的合金點、外延層的層借和位借密度較高等都會造成低擊穿。造成低擊穿。(c)(c)基片內(nèi)存在局部薄弱點，如層錯、位借密度過高，光刻圖形邊緣不基片內(nèi)存在局部薄弱點，如層錯、位借密度過高，光刻