集成電路工藝基礎(chǔ)-03-擴散

集成電路工藝基礎(chǔ)——03_擴散第一頁，共41頁。雜質(zhì)摻雜摻雜：將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域中，以達到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成PN結(jié)、電阻、歐姆接觸磷(P)、砷(As)——N型硅硼(B)——P型硅摻雜工藝：擴散、離子注入第二頁，共41頁。擴散第三頁，共41頁。擴散70年代初期以前，雜質(zhì)摻雜主要通過高溫的擴散實現(xiàn)。雜質(zhì)原子通過氣相源或氧化物源擴散或淀積到硅晶片的表面。雜質(zhì)濃度從表面到體內(nèi)單調(diào)下降雜質(zhì)分布主要是由溫度和擴散時間決定可用于形成深結(jié)（deepjunction），如CMOS中的雙阱（twinwell）第四頁，共41頁。離子注入第五頁，共41頁。離子注入從70年代初開始，摻雜的操作改由離子注入完成摻雜原子以離子束的形式注入半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)濃度在半導(dǎo)體內(nèi)有峰值分布雜質(zhì)分布主要由離子質(zhì)量和離子能量決定用于形成淺結(jié)（shallowjunction），如MOSFET中的漏極和源極第六頁，共41頁。擴散機構(gòu)間隙式擴散定義：雜質(zhì)離子位于晶格間隙雜質(zhì)：Na、K、Fe、Cu、Au等元素勢能極大位置：相鄰的兩個間隙之間勢壘高度Wi：0.6~1.2eV間隙雜質(zhì)的振動能在室溫時，只有0.026eV；1200℃時為0.13eV，因此間隙雜質(zhì)靠熱漲落越過勢壘跳躍率：Pi依賴于溫度第七頁，共41頁。擴散機構(gòu)第八頁，共41頁。擴散機構(gòu)替位式擴散定義：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位雜質(zhì)特點：III、Ⅴ族元素相鄰晶格上出現(xiàn)空位才好進行替位式擴散勢能極大位置：間隙處勢壘高度：0.6~1.2eV跳躍率：近鄰出現(xiàn)空位的幾率乘以跳入該空位的幾率，Pv依賴于溫度間隙式擴散系數(shù)要比替位式擴散大6～7個數(shù)量級第九頁，共41頁。擴散機構(gòu)第十頁，共41頁。菲克第一定律擴散是微觀粒子熱運動的統(tǒng)計結(jié)果，當雜質(zhì)存在濃度梯度時，出現(xiàn)宏觀的擴散流。雜質(zhì)由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動，直至濃度趨于均勻，擴散流為零。實驗表明：擴散流的大小，正比于雜質(zhì)的濃度梯度。菲克第一定律:如果在一個有限的基體中存在雜質(zhì)濃度梯度，則雜質(zhì)將會產(chǎn)生擴散運動，而且雜質(zhì)的擴散方向使雜質(zhì)濃度梯度變小。第十一頁，共41頁。擴散系數(shù)擴散系數(shù)其中：V0代表振動頻率Wv代表形成一個空位所需要的能量Ws代表替位雜質(zhì)的勢壘高度

△E為擴散激活能，對替位式雜質(zhì)來說，一般為3~4eV第十二頁，共41頁。擴散方程擴散方程（菲克第二定律）第十三頁，共41頁。擴散方程擴散方程（菲克第二定律）經(jīng)過△t時間，體積元內(nèi)的雜質(zhì)變化量為體積元內(nèi)雜質(zhì)的變化，是由于在△t時間內(nèi)，通過x處和x＋△x處的兩個截面的流量差所造成第十四頁，共41頁。擴散方程擴散方程（菲克第二定律）假定體積元內(nèi)的雜質(zhì)不產(chǎn)生也不消失，上面兩式應(yīng)該相等，得到假設(shè)擴散系數(shù)D為常數(shù)（低濃度正確），得到第十五頁，共41頁。恒定表面源擴散定義：在整個擴散過程中，硅片表面的雜質(zhì)濃度始終不變的擴散邊界條件和初始條件C(0,t)=Cs；

C(∞,t)=0；C(x,0)=0,x>0恒定表面源擴散的雜質(zhì)分布：第十六頁，共41頁。恒定表面源擴散第十七頁，共41頁。恒定表面源擴散雜質(zhì)分布形式特點在表面濃度Cs一定的情況下，擴散時間越長，雜質(zhì)擴散的就越深，擴到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量也就越多。擴到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量可用高為Cs，底為2的三角形近似；表面濃度Cs由雜質(zhì)在擴散溫度下的固溶度所決定。而在900~1200℃內(nèi)，固溶度變化不大，可見很難通過改變溫度來控制Cs第十八頁，共41頁。恒定表面源擴散

結(jié)深如果擴散雜質(zhì)與硅襯底原有雜質(zhì)的導(dǎo)電類型不同，則在兩種雜質(zhì)濃度相等處形成p-n結(jié)。雜質(zhì)濃度相等：結(jié)的位置：溫度通過D對擴散深度和雜質(zhì)分布情況的影響，同時間t相比更為重要。第十九頁，共41頁。恒定表面源擴散雜質(zhì)濃度梯度任意位置P-n結(jié)處的雜質(zhì)梯度在Cs和CB一定的情況下，p-n結(jié)越深，在結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度就越小。第二十頁，共41頁。有限表面源擴散定義：擴散之前在硅片表面淀積一層雜質(zhì)，在整個擴散過程中這層雜質(zhì)作為擴散的雜質(zhì)源，不再有新源補充初始條件和邊界條件C(x,0)=0,x>hC(∞,t)=0C(x,0)=Cs(0)=Q/h,0≤x≤h解得：第二十一頁，共41頁。有限表面源擴散第二十二頁，共41頁。有限表面源擴散雜質(zhì)分布形式特點當擴散溫度相同時，擴散時間越長，雜質(zhì)擴散的就越深，表面濃度就越低。當擴散時間相同時，擴散溫度越高，雜質(zhì)擴散的就越深，表面濃度下降的也就越多擴散過程中雜質(zhì)量不變表面雜質(zhì)濃度可以控制，有利于制作低表面濃度和較深的p-n結(jié)。第二十三頁，共41頁。有限表面源擴散結(jié)深雜質(zhì)濃度梯度任意位置P-n結(jié)處得雜質(zhì)梯度第二十四頁，共41頁。兩步擴散實際方法實際生產(chǎn)中的擴散溫度一般為900~1200℃，在這樣的溫度范圍內(nèi)，常用雜質(zhì)如硼、磷、砷等在硅中的固溶度隨溫度變化不大，因而采用恒定表面源擴散很難得到低濃度的分布形式。為了同時滿足對表面濃度、雜質(zhì)數(shù)量、結(jié)深以及梯度等方面的要求，實際生產(chǎn)中往往采用兩步擴散法第二十五頁，共41頁。兩步擴散預(yù)擴散：在低溫下采用恒定表面源擴散方式，控制擴散雜質(zhì)的數(shù)量，雜質(zhì)按余誤差形式分布。主擴散將由預(yù)擴散引入的雜質(zhì)作為擴散源，在較高溫度下進行擴散?？刂票砻鏉舛群蛿U散深度。雜質(zhì)按高斯形式分布。分布形式：D1t1>>D2t2,

余誤差分布D1t1<<D2t2

，高斯分布兩步擴散第二十六頁，共41頁。3.4影響雜質(zhì)分布的其它因素上面推導(dǎo)的雜質(zhì)分布形式——理想化實際上理論分布與實際分布存在一定的差異主要是因為硅中摻雜原子的擴散，除了與空位有關(guān)外，還與硅中其它類型的點缺陷有密切的關(guān)系。氧化增強擴散發(fā)射區(qū)推進效應(yīng)第二十七頁，共41頁。氧化增強擴散（OED）實驗結(jié)果表明，與中性氣氛相比：雜質(zhì)B在氧化氣氛中的擴散存在明顯的增強。B和P的增強現(xiàn)象比較明顯雜質(zhì)As在氧化氣氛中的擴散有一定強度的增強雜質(zhì)銻在氧化氣氛中的擴散被阻滯參考P78圖3.14第二十八頁，共41頁。發(fā)射區(qū)推進效應(yīng)在npn窄基區(qū)晶體管制造中，如果基區(qū)和發(fā)射區(qū)分別擴B和擴P，則發(fā)現(xiàn)在發(fā)射區(qū)正下方（內(nèi)基區(qū)）B的擴散深度，大于不在發(fā)射區(qū)正下方（外基區(qū)）B的擴散深度，該現(xiàn)象稱為發(fā)射區(qū)推進效應(yīng)，或發(fā)射區(qū)下陷效應(yīng)。第二十九頁，共41頁。發(fā)射區(qū)推進效應(yīng)第三十頁，共41頁。二維擴散實際擴散在掩蔽層的邊緣，橫向擴散與縱向擴散同時進行第三十一頁，共41頁。二維擴散

實際擴散低濃度擴散假定：D與雜質(zhì)濃度無關(guān)，橫向擴散與縱向擴散都近似以同樣方式進行L橫=75%~85%L縱高濃度擴散：D與雜質(zhì)濃度相關(guān)，L橫=65%~70%L縱第三十二頁，共41頁。雜質(zhì)橫向擴散示意圖第三十三頁，共41頁。雜質(zhì)橫向擴散示意圖

由于橫向擴散作用，結(jié)包含一個中央平面區(qū)一個近似圓柱、曲率半徑為rj的邊如果擴散掩蔽層有尖銳的角，在這角處的結(jié)將因橫向擴散而近似于圓球狀。電場強度在圓柱和圓球結(jié)處較強，該處雪崩擊穿電壓將遠低于有相同襯底摻雜的平面結(jié)處。第三十四頁，共41頁。實際擴散區(qū)域大于窗口影響集成度第三十五頁，共41頁。擴散工藝（1）－固態(tài)源擴散擴散物質(zhì)：雜質(zhì)的氧化物或其他化合物通過惰性氣體把雜質(zhì)源蒸氣輸運到硅片表面溫度決定固溶度，對濃度有直接影響固態(tài)源擴散：如B2O3、P2O5、BN等第三十六頁，共41頁。擴散工藝（2）－液態(tài)源擴散方法：攜帶氣體經(jīng)過源瓶，將雜質(zhì)源蒸氣（雜質(zhì)化合物）帶入擴散爐管內(nèi)與硅反應(yīng)，或分解后與硅反應(yīng)。條件：源溫控制在0℃，以保證穩(wěn)定性和重復(fù)性攜帶氣體進行純化和干燥，以防止雜質(zhì)源水解而變質(zhì)特點：系統(tǒng)簡單，操作方便，成本低，效率高，重復(fù)性和均勻性好，較常用。第三十七頁，共41頁。利用液態(tài)源進行擴散的裝置示意圖液態(tài)源擴散第三十八頁，共41頁。擴散工藝（3）－氣態(tài)源擴散方法：氣態(tài)雜質(zhì)源一般先在硅片表面進行化學(xué)反應(yīng)生成摻雜氧化層，雜質(zhì)再由氧化層向硅中擴散。雜質(zhì)源：多為雜質(zhì)的氫化物或鹵化物，毒性大易