擴(kuò)散工藝課件

18四月2024擴(kuò)散工藝

摻雜技術(shù)就是將所需要的雜質(zhì)，以一定的方式（合金、擴(kuò)散或離子注入等）加入到硅片內(nèi)部，并使在硅片中的數(shù)量和濃度分布符合預(yù)定的要求。利用摻雜技術(shù)，可以制作P-N結(jié)、歐姆接觸區(qū)、IC中的電阻、硅柵和硅互連線等等。4/18/2024

合金法是早期產(chǎn)生半導(dǎo)體器件常用的形成p-N結(jié)的方法。自從硅平面技術(shù)問世以后，合金法已經(jīng)被擴(kuò)散法取代了。擴(kuò)散技術(shù)是一種制作P-N結(jié)的好方法。隨著集成電路的飛速發(fā)展，擴(kuò)散工藝已日臻完善，其設(shè)備和操作也大多采用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制了。4/18/2024

擴(kuò)散是微觀粒子的一種極為普遍的熱運(yùn)動(dòng)形式，運(yùn)動(dòng)結(jié)果使?jié)舛确植稼呌诰鶆?。集成電路制造中的固態(tài)擴(kuò)散工藝，是將一定數(shù)量的某種雜質(zhì)摻入到硅晶體或其他半導(dǎo)體晶體中去，以改變電學(xué)性質(zhì)，并使摻入的雜質(zhì)數(shù)量、分布形式和深度等都滿足要求。4/18/2024

擴(kuò)散是向半導(dǎo)體中摻雜的重要方法之一，也是集成電路制造中的重要工藝。目前擴(kuò)散工藝以廣泛用來形成晶體管的基極、發(fā)射極、集電極，雙極器件中的電阻，在MOS制造中形成源和漏、互連引線，對(duì)多晶硅的摻雜等

4/18/2024

離子注入是目前VLSI優(yōu)越的摻雜工藝。就目前我國(guó)升昌集成電路來看，離子注入不能說完全代替了擴(kuò)散工藝，但至少許多原來由擴(kuò)散工藝所完成的加工工序，都已經(jīng)被離子注入取代了，這是時(shí)代發(fā)展的必然結(jié)果。4/18/2024§3.1雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)雜質(zhì)在硅晶體中的擴(kuò)散機(jī)構(gòu)主要有兩種：1）間隙式擴(kuò)散，（2）替位式擴(kuò)散一、間隙式擴(kuò)散1、間隙式雜質(zhì)：存在于晶格間隙的雜質(zhì)。主要那些半徑較小、并且不容易和硅原子鍵合的原子，它們?cè)诰w中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)主要是以間隙方式進(jìn)行的。如下圖所示。圖中黑點(diǎn)代表間隙雜質(zhì)，圓圈代表晶格位置上的硅原子。2、間隙式擴(kuò)散：間隙式雜質(zhì)從一個(gè)間隙位置到另一個(gè)間隙位置上的運(yùn)動(dòng)。4/18/20241234567間隙雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)4/18/20243、間隙雜質(zhì)要從一個(gè)間隙位置運(yùn)動(dòng)到相鄰的間隙位置上，必須要越過一個(gè)勢(shì)壘，勢(shì)壘高度Wi一般為0.6~1.2ev。4、間隙雜質(zhì)只能依靠熱漲落才能獲得大于Wi的能量，越過勢(shì)壘跳到近鄰的間隙位置上。5、跳躍率：Pi=v0e-wi/kT

溫度升高時(shí)Pi指數(shù)地增加。4/18/2024二、替位式擴(kuò)散1、替位雜質(zhì)：占據(jù)晶格位置的外來原子。2、替位式擴(kuò)散：替位雜質(zhì)從一個(gè)晶格位置到另一個(gè)晶格位置上。只有當(dāng)替位雜質(zhì)的近鄰晶格上出現(xiàn)空位，替位雜質(zhì)才能比較容易地運(yùn)動(dòng)到近鄰空位上。運(yùn)動(dòng)如下圖所示。3、替位雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)比間隙雜質(zhì)更困難，首先要在近鄰出現(xiàn)空位，同時(shí)還要依靠熱漲落獲得大于勢(shì)壘高度Ws的能量才能實(shí)現(xiàn)替位運(yùn)動(dòng)。4、跳躍率Pv=v0e-(Ws+Wv)/kT

Wv表示形成一個(gè)空位所需能量。4/18/2024替位雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)4/18/2024

§3.2擴(kuò)散原理（即擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散方程）

一.擴(kuò)散流方程（注：下面的N就是課本中的C）4/18/2024擴(kuò)散時(shí)質(zhì)量守衡，J隨時(shí)間變化與隨空間變化相同－－連續(xù)性方程以下式表示雜質(zhì)原子流密度擴(kuò)散方程為：2-12-22-34/18/2024考慮施加恒定電場(chǎng)E時(shí)：以上2－1，2－3為Fick’s擴(kuò)散第一、第二定律。2－44/18/2024二.擴(kuò)散系數(shù)4/18/20241.擴(kuò)散系數(shù)與溫度有關(guān)：如上圖D0：擴(kuò)散率，E：擴(kuò)散工藝激活能，k0：玻耳茲曼常數(shù)，T：絕對(duì)溫度。4/18/20242.擴(kuò)散工藝激活能E，

?間隙擴(kuò)散物質(zhì)：如He,H2,O2,Au,Na,Ni,Cu,Fe。E在0.2～2.0eV之間

?替位擴(kuò)散物質(zhì)：如B,As,P,Sb

E在3～4eV之間3.擴(kuò)散系數(shù)與襯底摻雜濃度有關(guān)4/18/2024§3.3擴(kuò)散雜質(zhì)的分布1.恒定表面源擴(kuò)散

擴(kuò)散過程中，硅片表面雜質(zhì)濃度始終不變這種類型的擴(kuò)散稱為恒定表面源擴(kuò)散。其擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布為余誤差函數(shù)分布4/18/20244/18/20242.有限表面源擴(kuò)散

擴(kuò)散散前在硅片表面先淀積一層雜質(zhì)，在整個(gè)過程中，這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散源，不再有新源補(bǔ)充，雜質(zhì)總量不再變化。這種類型的擴(kuò)散稱為有限表面源擴(kuò)散。其擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布為高斯函數(shù)分布4/18/20244/18/20243.兩步擴(kuò)散4/18/2024預(yù)淀積（或預(yù)擴(kuò)散）：溫度低、時(shí)間短主淀積（或推進(jìn)）：溫度高、時(shí)間長(zhǎng)預(yù)淀積（或預(yù)擴(kuò)散）現(xiàn)已普遍被離子注入代替4/18/2024§3.4影響雜質(zhì)分布的其他因素（實(shí)際雜質(zhì)分布(偏離理論值)）1、二維擴(kuò)散一般橫向擴(kuò)散(0.75~0.85)*Xj(Xj縱向結(jié)深)4/18/2024Xj0.75~0.85Xj橫向擴(kuò)散4/18/20242、雜質(zhì)濃度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響其中Di0、Di＋、Di－、

Di2－分別表示中性

、正一價(jià)、負(fù)一價(jià)、負(fù)二價(jià)的低濃度雜質(zhì)－－空穴對(duì)的本征擴(kuò)散系數(shù)。4/18/2024其中Di0、Di＋(p/ni)、Di－(n/ni)、

Di2(n/ni)2分別表示中性

、正一價(jià)、負(fù)一價(jià)、負(fù)二價(jià)的高濃度雜質(zhì)－－空穴對(duì)的非本征條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)。以上是考慮多重電荷空位的雜質(zhì)擴(kuò)散模型時(shí)，擴(kuò)散襯底雜質(zhì)濃度將嚴(yán)重影響擴(kuò)散系數(shù)4/18/20243、電場(chǎng)效應(yīng)4/18/20244、發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)V2-:二價(jià)負(fù)電荷空位N+PN-4/18/20245、熱氧化過程中的雜質(zhì)再分布

(雜質(zhì)分凝)硼:m<1磷:m>1砷:m>14/18/20246、氧化增強(qiáng)擴(kuò)散4/18/20247、硅片晶向的影響4/18/2024§3.5擴(kuò)散工藝一．雙溫區(qū)銻擴(kuò)散制作雙極型集成電路的隱埋區(qū)時(shí)，常用銻和砷作雜質(zhì)。因?yàn)樗鼈兊臄U(kuò)散系數(shù)小，外延時(shí)自摻雜少，其中又因?yàn)殇R毒性小，故生產(chǎn)上常用銻。系統(tǒng)特點(diǎn)：用主輔兩個(gè)爐子，產(chǎn)生兩個(gè)恒溫區(qū)。雜質(zhì)源放在低溫區(qū)，硅片放在高溫區(qū)。4/18/2024反應(yīng)式：3Sb2O3+3Si=4Sb+SiO2優(yōu)點(diǎn)：1）可使用純Sb2O3粉狀源，避免了箱法擴(kuò)散中烘源的麻煩；2)兩步擴(kuò)散，不象箱法擴(kuò)散那樣始終是高濃度恒定表面源擴(kuò)散，擴(kuò)散層缺陷密度??；3）表面質(zhì)量好，有利于提高表面濃度。4/18/2024二.常見擴(kuò)散方法4/18/20244/18/20244/18/2024液態(tài)源擴(kuò)散－－常用POCl3>600℃5POCl3==P2O5＋3PCl52P2O5＋5Si=5SiO2＋4P氧過量4PCl5＋5O2=2P2O5＋10Cl24/18/2024影響擴(kuò)散參量的因素源POCl3的溫度擴(kuò)散溫度和時(shí)間氣體流量4/18/2024§3.3擴(kuò)散雜質(zhì)的分布1.恒定表面源擴(kuò)散

擴(kuò)散過程中，硅片表面雜質(zhì)濃度始終不變這種類型的擴(kuò)散稱為恒定表面源擴(kuò)散。其擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布為余誤差函數(shù)分布4/18/20244/18/20242.有限表面源擴(kuò)散

擴(kuò)散散前在硅片表面先淀積一層雜質(zhì)，在整個(gè)過程中，這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散源，不再有新源補(bǔ)充，雜質(zhì)總量不再變化。這種類型的擴(kuò)散稱為有限表面源擴(kuò)散。其擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布為高斯函數(shù)分布4/18/20244/18/20243.兩步擴(kuò)散4/18/2024預(yù)淀積（或預(yù)擴(kuò)散）：溫度低、時(shí)間短主淀積（或推進(jìn)）：溫度高、時(shí)間長(zhǎng)預(yù)淀積（或預(yù)擴(kuò)散）現(xiàn)已普遍被離子注入代替4/18/2024§3.4影響雜質(zhì)分布的其他因素（實(shí)際雜質(zhì)分布(偏離理論值)）1、二維擴(kuò)散一般橫向擴(kuò)散(0.75~0.85)*Xj(Xj縱向結(jié)深)4/18/2024Xj0.75~0.85Xj橫向擴(kuò)散4/18/20242、雜質(zhì)濃度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響其中Di0、Di＋、Di－、

Di2－分別表示中性

、正一價(jià)、負(fù)一價(jià)、負(fù)二價(jià)的低濃度雜質(zhì)－－空穴對(duì)的本征擴(kuò)散系數(shù)。4/18/2024其中Di0、Di＋(p/ni)、Di－(n/ni)、

Di2(n/ni)2分別表示中性

、正一價(jià)、負(fù)一價(jià)、負(fù)二價(jià)的高濃度雜質(zhì)－－空穴對(duì)的非本征條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)。以上是考慮多重電荷空位的雜質(zhì)擴(kuò)散模型時(shí)，擴(kuò)散襯底雜質(zhì)濃度將嚴(yán)重影響擴(kuò)散系數(shù)4/18/20243、電場(chǎng)效應(yīng)4/18/20244、發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)V2-:二價(jià)負(fù)電荷空位N+PN-4/18/20245、熱氧化過程中的雜質(zhì)再分布

(雜質(zhì)分凝)硼:m<1磷:m>1砷:m>14/18/20246、氧化增強(qiáng)擴(kuò)散4/18/20247、硅片晶向的影響4/18/2024§3.5擴(kuò)散工藝一．雙溫區(qū)銻擴(kuò)散制作雙極型集成電路的隱埋區(qū)時(shí)，常用銻和砷作雜質(zhì)。因?yàn)樗鼈兊臄U(kuò)散系數(shù)小，外延時(shí)自摻雜少，其中又因?yàn)殇R毒性小，故生產(chǎn)上常用銻。系統(tǒng)特點(diǎn)：用主輔兩個(gè)爐子，產(chǎn)生兩個(gè)恒溫區(qū)。雜質(zhì)源放在低溫區(qū)，硅片放在高溫區(qū)。4/18/2024反應(yīng)式：3Sb2O3+3Si=4Sb+SiO2優(yōu)點(diǎn)：1）可使用純Sb2O3粉狀源，避免了箱法擴(kuò)散中烘源的麻煩；2)兩步擴(kuò)散，不象箱法擴(kuò)散那樣始終是高濃度恒定表面源擴(kuò)散，擴(kuò)散層缺陷密度??；3）表面質(zhì)量好，有利于提高表面濃度。4/18/2024二.常見擴(kuò)散方法4/18/20244/18/20244/18/2024液態(tài)源擴(kuò)散－－常用POCl3>600℃5POCl3==P2O5＋3PCl52P2O5＋5Si=5SiO2＋4P氧過量4PCl5＋5O2=2P2O5＋10Cl24/18/2024影響擴(kuò)散參量的因素源POCl3的溫度擴(kuò)散溫度和時(shí)間氣體流量4/18/2024§3.7工藝控制和質(zhì)量檢測(cè)一.工藝控制二.質(zhì)量檢測(cè)4/18/2024一.工藝控制污染控制：顆粒、有機(jī)物、薄膜、金屬離子污染來源：操作者,清洗過程,高溫處理,工具參量控制：溫度，時(shí)間，氣體流量(影響最大?)1.溫度控制：源溫、硅片溫度、升溫降溫、測(cè)溫2.時(shí)間：進(jìn)舟出舟自動(dòng)化,試片3.氣體流量：流量穩(wěn)定，可重復(fù)性，假片4/18/2024假片和試片假片假片假片假片正片試片4/18/2024二.質(zhì)量檢測(cè)1.質(zhì)檢項(xiàng)目2.結(jié)深測(cè)量3.擴(kuò)展電阻法4.方塊電阻測(cè)量4/18/20241.擴(kuò)散工藝質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目4/18/20242.結(jié)深測(cè)量4/18/20243.擴(kuò)展電阻法敘述其他策略列出每項(xiàng)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)敘述每項(xiàng)所需的消耗4/18/20244.方塊電阻測(cè)量4/1