硅集成電路工藝天大vlsi-09第三章擴散下

1、1集成電路工藝原理 仇志軍 邯鄲校區(qū)物理樓435室2大綱 第一章 晶體生長第二章 熱氧化第三章 熱擴散第四章 離子注入第五章 薄膜淀積第七章 外延第八章 光刻與刻蝕第九章 接觸與金屬化第十章 工藝集成第十一章 未來趨勢與挑戰(zhàn)3上節(jié)課主要內(nèi)容1、摻雜工藝一般分為哪兩步？結(jié)深？薄層電阻？固溶度？2、兩種特殊條件下的費克第二定律的解及其特點？特征擴散長度？預(yù)淀積退火。預(yù)淀積：氣固相預(yù)淀積擴散或離子注入。Rs：表面為正方形的半導(dǎo)體薄層（結(jié)深），在平行電流方向所呈現(xiàn)的電阻，單位為 /，反映擴散入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量。固溶度：在平衡條件下，雜質(zhì)能溶解在硅中而不發(fā)生反應(yīng)形成分凝相的最大濃度。表面濃度恒定，余誤

2、差函數(shù)分布(erfc)。隨時間變化：雜質(zhì)總量增加，擴散深度增加雜質(zhì)總量恒定，高斯函數(shù)/正態(tài)分布(Gaussian)。隨時間變化：表面濃度下降，結(jié)深增加4如何判斷對費克定律應(yīng)用何種解析解？當(dāng)表面濃度為固溶度時，意味者該分布是余誤差分布當(dāng)表面濃度較低時，意味者該分布是經(jīng)過長時間的推進(jìn)過程，是高斯分布。費克定律解析解的應(yīng)用本征擴散時，理想邊界條件下的解。實際情況需要修正，如：高濃度電場效應(yīng)雜質(zhì)分凝點缺陷5例題：CMOS中的p阱的形成。要求表面濃度Cs=4x1017 cm-3，結(jié)深xj=3 mm。已知襯底濃度為CB=11015 cm3。設(shè)計該工藝過程。離子注入退火6假定推入退火獲得的結(jié)深，則根據(jù)該數(shù)值

3、為推進(jìn)擴散的“熱預(yù)算”。解：1）假設(shè)離子注入+推進(jìn)退火72）推進(jìn)退火的時間假定在1100 C進(jìn)行推進(jìn)退火，則擴散系數(shù)D=1.510-13 cm2/s3）所需離子注入的雜質(zhì)劑量可以推算出該劑量可以很方便地用離子注入實現(xiàn)在非常薄的范圍內(nèi)的雜質(zhì)預(yù)淀積84）假如采用950 C熱擴散預(yù)淀積而非離子注入預(yù)淀積時間為此時，B的固溶度為2.51020/cm3，擴散系數(shù)D=4.210-15 cm2/s該預(yù)淀積為余誤差分布，則但是預(yù)淀積時間過短，工藝無法實現(xiàn)。應(yīng)改為離子注入！即使9影響雜質(zhì)分布的其他因素Ficks Laws：Only valid for diffusion under special condit

4、ionsSimplification !101、電場效應(yīng)（Field effect）非本征擴散電場的產(chǎn)生：由于載流子的遷移率高于雜質(zhì)離子，二者之間形成內(nèi)建電場。載流子領(lǐng)先于雜質(zhì)離子，直到內(nèi)建電場的漂移流與擴散流達(dá)到動態(tài)平衡。如果NA、NDni（擴散溫度下）時，非本征擴散效應(yīng)11所以，雜質(zhì)流由兩部分組成：內(nèi)建電場以n型摻雜為例， 12由 并假定雜質(zhì)全部離化，有場助擴散方程：其中h為擴散系數(shù)的電場增強因子：當(dāng)摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征載流子濃度時，h 接近 2。13電場效應(yīng)對于低濃度本體雜質(zhì)分布影響更大142、擴散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系在雜質(zhì)濃度很高時，擴散系數(shù)不再是常數(shù)，而與摻雜濃度相關(guān)擴散方程改寫為：箱

5、型15p型摻雜n型摻雜、族元素在硅中的擴散運動是建立在雜質(zhì)與空位相互作用的基礎(chǔ)上的，摻入的施主或受主雜質(zhì)誘導(dǎo)出了大量荷電態(tài)空位，從而增強了擴散系數(shù)。16非本征摻雜擴散系數(shù)比本征摻雜擴散系數(shù)高一個數(shù)量級！由于非本征摻雜的擴散系數(shù)在摻雜邊緣迅速衰減，因而出現(xiàn)邊緣陡峭的“箱型”分布。箱型1000 C下，非本征擴散系數(shù)：17對于B，P來說，在氧化過程中，其擴散系數(shù)增加。對Sb來說，擴散系數(shù)減小。雙擴散機制: 雜質(zhì)可以通過空位和間隙兩種方式擴散3、氧化增強/抑制擴散（oxidation enhanced / retarded diffusion）OED/ORD181 ）OED：對于原子B或P來說，其在硅

6、中的擴散可以通過間隙硅原子進(jìn)行。氧化時由于體積膨脹，造成大量Si間隙原子注入，增加了B和P的擴散系數(shù)A+IAI192）ORD：對于Sb來說，其在硅中的擴散主要是通過空位進(jìn)行。氧化注入間隙間隙和空位在硅中復(fù)合硅中空位濃度減小Sb的擴散被抑制I+VSis表示晶格上的Si原子As受間隙和空位擴散兩種機制控制，氧化時的擴散受影響較小204、發(fā)射極推進(jìn)效應(yīng)（Emitter Push effect）實驗現(xiàn)象：在P（磷）發(fā)射區(qū)下的B擴散比旁邊的B擴散快，使得基區(qū)寬度改變。AIAI，由于發(fā)射區(qū)內(nèi)大量A(P)I的存在使得反應(yīng)向左進(jìn)行，通過摻雜原子A(P)向下擴散并找到晶格位置的同時，釋放大量的間隙原子I，產(chǎn)生所

7、謂“間隙原子泵”效應(yīng)，加快了硼的擴散。PhosphorusBoron21常用雜質(zhì)硼（B），磷（P），砷（As）在硅中的性質(zhì) 1）硼B(yǎng): III族元素，受主雜質(zhì)，1150 時固溶度達(dá)2.41020 原子/cm3D0=1 cm2/s Ea=3.46 eV高濃度摻雜 如考慮場助效應(yīng) h 電場增強因子222）磷族元素，施主原子，有吸收銅、金等快擴散雜質(zhì)的性質(zhì)（這些雜質(zhì)在缺陷處淀積會產(chǎn)生漏電）,固溶度達(dá)51021 原子/3。磷的本征擴散系數(shù)主要由中性空位V0作用決定。高濃度磷擴散時濃度分布有三個區(qū)域。主要是磷離子與V0，V-，V=三種空位的作用造成的。 溫度為1000 時，尾區(qū)的擴散系數(shù)比本征情況下的擴

8、散系數(shù)大二個數(shù)量級。因此磷常作為深結(jié)擴散的雜質(zhì)233）砷族元素，施主雜質(zhì)，半徑與硅相同，擴散系數(shù)小，僅磷、硼的十分之一。在高摻雜情況下也不引起畸變。在硅晶體中，砷激活量低于摻雜量，電激活濃度達(dá) 21021 -3適宜于淺結(jié)，精確控制24氣態(tài)相源擴散（gas source）液態(tài)源擴散（liquid source）固態(tài)源擴散（solid source）旋涂源擴散（spin-on-glass）注意：在引入擴散源后作推進(jìn)擴散時，常常會在硅片上表面有一氧化層或其它覆蓋層保護(hù)硅片，使硅片中的雜質(zhì)不會揮發(fā)到大氣中去。擴散摻雜工藝251、氣態(tài)源擴散利用載氣（如N2）稀釋雜質(zhì)氣體，雜質(zhì)氣體在高溫下與硅表面硅原子發(fā)

9、生反應(yīng)，釋放出雜質(zhì)原子向硅中擴散。氣態(tài)雜質(zhì)源(劇毒氣體) : 磷烷（PH4）、砷烷（AsH3）、氫化銻（SbH3）、乙硼烷（H2B6）等262、液態(tài)源擴散利用載氣（如N2）通過液態(tài)雜質(zhì)源，攜帶著雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入高溫擴散反應(yīng)管，雜質(zhì)蒸汽在高溫下分解，并與硅表面硅原子發(fā)生反應(yīng)，釋放出雜質(zhì)原子向硅中擴散。舟271）液態(tài)源硼擴散 源 硼酸三甲脂 B(CH3)O3 在500 oC 以上分解反應(yīng) B(CH3)O3 B2O3 + CO2 + H2O . 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B 例： 預(yù)淀積: 950 oC 通源 1020 分鐘，N2 再分布: 1100 1200 o C干氧濕氧干氧282）

10、液態(tài)源磷擴散 源 三氯氧磷 (POCl3) 600 C 5POCl3 P2O5 + 3PCl5 2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P (向硅中擴散) PCl5難分解，會腐蝕硅，故還要通入少量O2 4PCl5 + 5O2 2P2O5 + 10Cl2 例 ： 預(yù)淀積 :1050 C N2 和 O2 再分布: 950 C O2293、固態(tài)源擴散（B2O3，P2O5，BN等）舟惰性氣體作為載氣把雜質(zhì)源蒸氣輸運到硅片表面，在擴散溫度下，雜質(zhì)化合物與硅反應(yīng)生成單質(zhì)雜質(zhì)原子相硅內(nèi)擴散。30銻的箱法擴散 硅片與擴散源同放一箱內(nèi)， 在N2氣保護(hù)下擴散 源 ： Sb2O3 : SiO2 = 1:4 (

11、粉末重量比) 2Sb2O3 + 3Si = 4Sb + 3SiO2 片狀固態(tài)氮化硼擴散 活化處理 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 900 C 1 h. 通 O2 擴散 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B BN片與硅片大小相當(dāng)，和硅片相間均勻放置在舟上。不需載氣，但以N2或Ar2保護(hù)。314、 旋涂摻雜法（spin-on-glass）用旋涂法在Si表面形成摻雜氧化層，然后在高溫下雜質(zhì)向硅中擴散。 源：As（arsenosilica）； Sb（antimonysilica）； B （borosilica）；P（phosphorosilica） 烘焙 200 C 15分鐘去處溶

12、劑根據(jù)Rs和xj要求決定擴散溫度和時間特點 ：摻雜元素多 濃度范圍廣32擴散層質(zhì)量檢驗薄層電阻測量結(jié)深測量摻雜分布測量33四探針薄層電阻測量 四根探針何四個針尖都保持在一條直線上（linear），并以等壓力壓在半導(dǎo)體樣品表面。1和4稱為電流探針，由穩(wěn)壓電源恒電流供電；3和4稱為電位探針，測量這兩個探針之間的電位差VItS S SS t時成立！143234結(jié)深測量磨角染色法（bevel and stain）pn結(jié)顯示技術(shù)：不同導(dǎo)電類型的區(qū)域，由于電化學(xué)勢不同，經(jīng)染色后顯示出不同顏色。常用染色液：HF與01HNO3的混合液，使p區(qū)的顯示的顏色比n區(qū)深。35摻雜分布測量CV測量（Capacitance-Voltage Measurement） 測量結(jié)的反偏電容和電壓的關(guān)系可以測得擴散層的摻雜分布。VR1/C2對于均勻摻雜的單邊突變結(jié)，結(jié)電容由下式給出： s 硅的介電常數(shù); NB 襯底摻雜濃度 Vbi 結(jié)的內(nèi)建勢; VR 反偏電壓36二次離子質(zhì)譜（Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS）用高能離子束轟