第三章 擴(kuò)散課件

集成電路制造技術(shù)

ManufacturingTechnologyofIC第三章擴(kuò)散第三章擴(kuò)散

摻雜工藝（擴(kuò)散與離子注入）基本思想:通過(guò)某種技術(shù)措施，將一定濃度的Ⅲ價(jià)元素B，或Ⅴ價(jià)P、As等摻入半導(dǎo)體襯底。通過(guò)摻雜可在硅襯底上形成不同類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域，構(gòu)成各種器件結(jié)構(gòu)。目的：改變半導(dǎo)體的電特性定義:用人為方法，將所需的雜質(zhì)，以一定方式摻入到半導(dǎo)體基片規(guī)定的區(qū)域內(nèi)，達(dá)到規(guī)定的數(shù)量和符合要求的分布。應(yīng)用：制作①PN結(jié)②IC中的電阻③歐姆接觸區(qū)④硅柵⑤多晶硅互連線方法：①熱擴(kuò)散②離子注入③合金第三章擴(kuò)散擴(kuò)散定義：將摻雜氣體導(dǎo)入放有硅片的高溫爐中，從而達(dá)到將雜質(zhì)擴(kuò)散到硅片內(nèi)的目的。方法：按摻雜源①固體源擴(kuò)散：BN,B2O3,Sb2O3,As2O3②液態(tài)源擴(kuò)散：B(CH3O)3,POCL3③氣態(tài)源擴(kuò)散：B2H6,PH3,ASH3

按擴(kuò)散系統(tǒng)：開(kāi)管和閉管兩大類(lèi)。第三章擴(kuò)散替位式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子位置：Ⅲ、Ⅴ族元素高溫(950~1280℃)下進(jìn)行，橫向擴(kuò)散嚴(yán)重。對(duì)設(shè)備要求較低。磷、硼、砷等在SiO2中的D均遠(yuǎn)小于在硅中D，可用氧化層作掩蔽層。間隙式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子位于晶格間隙：Na、K、Fe、Cu、Au等元素?cái)U(kuò)散系數(shù)比替位式擴(kuò)散大6~7個(gè)量級(jí)（絕對(duì)不許用手摸硅片—防止Na+沾污）第三章擴(kuò)散N襯底摻III價(jià)，原先N襯底電子濃度變小，或N襯底變P型；

N襯底摻Ⅴ價(jià)，提高襯底表面雜質(zhì)濃度。

P襯底摻Ⅴ價(jià)，原先P襯底空穴濃度變低，或P襯底變N型;P襯底摻III價(jià)，提高P襯底表面濃度。

摻雜:熱擴(kuò)散法和離子注入由光刻工藝為摻雜確定摻雜的區(qū)域，在需要摻雜處(摻雜窗口)裸露出硅襯底，非摻雜區(qū)用SiO2或SiN屏蔽。離子注入常用SiO2

、光刻膠或這兩層材料同時(shí)作摻雜屏蔽。第三章擴(kuò)散

熱擴(kuò)散摻雜利用原子在高溫下的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使雜質(zhì)原子從濃度很高的雜質(zhì)源向硅中擴(kuò)散并形成一定的分布。熱擴(kuò)散通常分兩個(gè)步驟：預(yù)淀積和再分布。

預(yù)淀積:高溫下，利用雜質(zhì)源B,P，對(duì)硅片的摻雜窗口擴(kuò)散，在窗口處形成一層較薄但具有較高濃度的雜質(zhì)層,恒定表面源擴(kuò)散。

再分布:利用預(yù)淀積所形成的表面雜質(zhì)層做雜質(zhì)源，在高溫下將這層雜質(zhì)向硅體內(nèi)擴(kuò)散的過(guò)程。通常再分布時(shí)間長(zhǎng)，再分布可在硅襯底上形成一定的雜質(zhì)分布和結(jié)深。限定表面源擴(kuò)散。

第三章擴(kuò)散3.1擴(kuò)散機(jī)構(gòu)3.1.1間隙式擴(kuò)散①定義—重金屬雜質(zhì)Ni,Fe,Cu,Ag,Au在晶格間的間隙中運(yùn)動(dòng)(擴(kuò)散)②勢(shì)壘—間隙位置的勢(shì)能相對(duì)極小，相鄰兩間隙之間是勢(shì)能極大位置，必須越過(guò)一個(gè)勢(shì)壘W(wǎng)i。∵f(Wi)∝exp(-Wi/kT)—玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布

∴單位時(shí)間越過(guò)Wi的躍遷幾率Pi=ν0exp(-Wi/kT),

ν0–熱振動(dòng)頻率③雜質(zhì)—r較小的原子，如H。第三章擴(kuò)散3.1擴(kuò)散機(jī)構(gòu)3.1.2替位(代位)式擴(kuò)散

①定義--雜質(zhì)原子從一個(gè)晶格點(diǎn)替位位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)替位位置。前提--鄰近格點(diǎn)有空位②勢(shì)壘--與間隙式相反，勢(shì)能極小在晶格位置，間隙處是勢(shì)能極大位置，必須越過(guò)一個(gè)勢(shì)壘W(wǎng)s。躍遷幾率Pv=ν0exp[-(Wv+Ws)/kT],Wv-形成空位所需的能量第三章擴(kuò)散III-V族，r大，替位式，慢擴(kuò)散，不改變晶體結(jié)構(gòu)金屬雜質(zhì)，r小，間隙式，快擴(kuò)散(105-106)復(fù)合中心第三章擴(kuò)散3.2擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程擴(kuò)散本質(zhì)：微觀粒子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果擴(kuò)散規(guī)律：高濃度向低濃度擴(kuò)散擴(kuò)散條件：溫度，濃度梯度3.2.1菲克第一定律

J(x,t)=-D·D—擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s)，—濃度梯度“-”從高濃度向低濃度擴(kuò)散J—擴(kuò)散流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的雜質(zhì)數(shù)。第三章擴(kuò)散3.2擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程3.2.2擴(kuò)散系數(shù)

D=D0exp(-ΔE/kT)D0—表觀擴(kuò)散系數(shù)，既1/kT→0時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)ΔE—激活能；間隙擴(kuò)散：ΔE=Wi，替位擴(kuò)散：ΔE=Ws+WvD是描述粒子擴(kuò)散快慢的物理量，是微觀擴(kuò)散的宏觀描述。第三章擴(kuò)散3.2擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程D0、ΔE、T決定D(D=D0exp(-ΔE/kT))①D與ΔE成反比替位擴(kuò)散：ΔE=Ws+Wv

，能量高，慢擴(kuò)散；間隙擴(kuò)散：ΔE=Wi，能量低，快擴(kuò)散。②D與T成正比

a.高溫?cái)U(kuò)散：T=800-1000℃；

b.精確控溫：若ΔT=±1℃，則ΔD=5%-10%。

第三章擴(kuò)散

③擴(kuò)散雜質(zhì)種類(lèi)B,P④晶向，材料缺陷⑤本體濃度NB↑,D↑⑥雜質(zhì)源表面濃度Ns↑,D↑D不是常數(shù)，實(shí)際工藝修正。第三章擴(kuò)散第三章擴(kuò)散3.2擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程3.2.3菲克第二定律—擴(kuò)散方程對(duì)Si平面工藝，擴(kuò)散流近似沿垂直Si表面方向(x方向),質(zhì)量守恒：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，相距dx兩個(gè)平面(單位積)間，雜質(zhì)數(shù)的變化量等于通過(guò)兩個(gè)平面的流量差。故--擴(kuò)散方程第三章擴(kuò)散3.3擴(kuò)散雜質(zhì)的濃度分布3.3.1恒定表面源(濃度)擴(kuò)散

(constant-surface-concentration)定義:擴(kuò)散過(guò)程中，Si片表面雜質(zhì)濃度始終不變(等于雜質(zhì)在Si中的溶解度)。例如：預(yù)淀積工藝，箱法擴(kuò)散工藝初始條件：t=0，N(x,0)=0；邊界條件：N(0,t)=Ns

，N(∞,t)=0；解擴(kuò)散方程，第三章擴(kuò)散3.3.1恒定表面源擴(kuò)散簡(jiǎn)化，

―余誤差分布

―擴(kuò)散長(zhǎng)度；Ns=NSi(雜質(zhì)在Si中的固溶度)erf(x)—誤差函數(shù)(errorfunction);erfc(x)—余誤差函數(shù)(complementaryerrorfunction)；第三章擴(kuò)散3.3.1恒定表面源擴(kuò)散余誤差函數(shù)性質(zhì)：①erfc(x)＝；erfc(x)≡1-erf(x)；②erfc(0)＝1；③erfc(∞)＝0；④erfc(x)≌，當(dāng)x?1；

erfc(x)≌，當(dāng)x?1；第三章擴(kuò)散3.3.1恒定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)總量

T一定,t↑Q↑；t一定,T↑Q↑結(jié)深第三章擴(kuò)散3.3.1恒定表面源擴(kuò)散第三章擴(kuò)散3.3.2有限表面源擴(kuò)散/恒定雜質(zhì)總量

擴(kuò)散(constant-total-dopant)定義：擴(kuò)散過(guò)程中，雜質(zhì)源限定于擴(kuò)散前淀積在晶片表面極薄層內(nèi)的雜質(zhì)總量Q，沒(méi)有補(bǔ)充，也不減少如：再分布工藝初始條件：假設(shè)擴(kuò)散開(kāi)始時(shí)，雜質(zhì)總量均勻分布在厚度為δ的薄層內(nèi)；

N(x,0)=Q/δ=Ns,0≤x≤δ；

N(x,0)=0,x>δ；邊界條件：N(∞,t)=0；第三章擴(kuò)散3.3.2有限表面源擴(kuò)散/恒定雜質(zhì)總量

擴(kuò)散(constant-total-dopant)解擴(kuò)散方程，－高斯分布

―表面濃度結(jié)深T一定,t↑Xj↑Ns↓;t一定,T↑Xj↑Ns↓;Q不變第三章擴(kuò)散第三章擴(kuò)散3.3.3兩步擴(kuò)散工藝1預(yù)淀積:較低溫度(800-900℃)，短時(shí)間淺結(jié)恒定源擴(kuò)散2再分布:預(yù)淀積的晶片在較高溫度下(1000-1200℃)深結(jié)擴(kuò)散，達(dá)到所要求的表面濃度及結(jié)深。如：雙極器件基區(qū)要求Ns=1017-1018cm-3,Xj=2-3μm。采用恒定源一次擴(kuò)散摻B(900-1200℃),

最大固溶度NSi=5×1020cm-3,Ns無(wú)法達(dá)到要求。摻P,NSi=1021cm-3

Si:5×1022cm-3第三章擴(kuò)散3.3.3兩步擴(kuò)散工藝兩步法的濃度分布：①預(yù)淀積－恒定源擴(kuò)散，溫度低，時(shí)間短，擴(kuò)散淺。目的:準(zhǔn)確控制表面雜質(zhì)總量Q。

―余誤差分布；

第三章擴(kuò)散3.3.3兩步擴(kuò)散工藝②再分布—高溫、深結(jié)目的：達(dá)到所需Ns和Xja.若預(yù)淀積的Xj1<<再分布Xj2，

或

―高斯分布表面濃度第三章擴(kuò)散3.3.3兩步擴(kuò)散工藝b.若預(yù)淀積的Xj1與再分布Xj2相近，

―Smith分布，，

第三章擴(kuò)散§1擴(kuò)散第三章擴(kuò)散3.4影響雜質(zhì)分布的其他因素3.4.1硅中的點(diǎn)缺陷缺陷：任何對(duì)周期晶格形成擾動(dòng)都稱(chēng)為“缺陷”①面缺陷：層錯(cuò)、多晶的晶粒間界等；②線缺陷：位錯(cuò)等；③點(diǎn)缺陷：雜質(zhì)原子產(chǎn)生的缺陷，如空位、間隙、間隙原子團(tuán)?？瘴蝗毕荩壕Ц裆先笔б粋€(gè)Si原子。①中性空位V0②帶一個(gè)負(fù)電荷的空位V-③帶兩個(gè)負(fù)電荷的空位V--④帶一個(gè)正電荷的空位V+

第三章擴(kuò)散圖3.13硅中空位的能帶圖第三章擴(kuò)散3.4影響雜質(zhì)分布的其他因素3.4.2擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系①N<ni,D與N無(wú)關(guān)，稱(chēng)本征擴(kuò)散系數(shù)Di；②N>ni,D與N有關(guān)，稱(chēng)非本征擴(kuò)散系數(shù)De?？瘴粷舛扰c摻雜濃度①V0與N無(wú)關(guān)；②高摻雜施主可使V-和V-2濃度增加；③高摻雜受主可使V+濃度增加。各種空位以不同方式與離化的摻雜原子相互作用，具有不同的ΔE和D。擴(kuò)散系數(shù)與空位濃度成正比第三章擴(kuò)散3.4影響雜質(zhì)分布的其他因素總的擴(kuò)散系數(shù)①低摻雜(本征擴(kuò)散系數(shù))Di=Di0+

Di++

Di-+

Di--

②高摻雜(非本征擴(kuò)散系數(shù))De=Di0+

Di+(p/ni)+

Di-(n/ni)+

Di—(n/ni)2ni-本征載流子濃度；p-空穴濃度；n-電子濃度第三章擴(kuò)散第三章擴(kuò)散3.4影響雜質(zhì)分布的其他因素3.4.3氧化增強(qiáng)擴(kuò)散(EOD)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：P、B、As等在氧化氣氛中擴(kuò)散增強(qiáng)。氧化增強(qiáng)機(jī)理—替位-間隙交替的雙擴(kuò)散：

Si-SiO2界面產(chǎn)生大量間隙Si與替位B、P等相互作用，使替位B、P變?yōu)殚g隙B、P；B、P在近鄰晶格有空位時(shí)以替位方式擴(kuò)散，無(wú)空位時(shí)以間隙方式擴(kuò)散；B、P的間隙擴(kuò)散作用更強(qiáng)；擴(kuò)散速度比單純替位方式快。Sb氧化擴(kuò)散是減弱的：Sb是替位擴(kuò)散為主。As氧化增強(qiáng)低于B、P：替位-間隙兩種擴(kuò)散作用相當(dāng)?shù)谌聰U(kuò)散第三章擴(kuò)散3.4影響雜質(zhì)分布的其他因素3.4.4發(fā)射區(qū)推進(jìn)(陷落)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：NPN管的工藝中，發(fā)射區(qū)下方的內(nèi)基區(qū)B的擴(kuò)散深度大于發(fā)射區(qū)外的基區(qū)擴(kuò)散深度。推進(jìn)(陷落)機(jī)理：①P與空位作用形成PV對(duì),發(fā)生分解帶來(lái)的綜合效應(yīng)。

P++V-2→P+V-2

P+V-2→P++

V-+e

大量過(guò)飽和V-擴(kuò)散較遠(yuǎn)，深入基區(qū)，增強(qiáng)B擴(kuò)散速度;②P+V-2的分解導(dǎo)致大量的間隙Si，增強(qiáng)了B擴(kuò)散。第三章擴(kuò)散3.4影響雜質(zhì)分布的其他因素3.4.5二維擴(kuò)散(橫向擴(kuò)散)實(shí)際擴(kuò)散：雜質(zhì)在垂直Si表面擴(kuò)散的同時(shí)，也進(jìn)行平行Si表面的橫向擴(kuò)散。橫向擴(kuò)散深度:①硅內(nèi)濃度比Ns小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，縱向擴(kuò)散的75%-85%。②高濃度摻雜，為縱向擴(kuò)散的65%-70%。第三章擴(kuò)散

雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖柱面平面球面xJxJScSc橫向擴(kuò)展寬度=0.8xj立體圖剖面圖第三章擴(kuò)散第三章擴(kuò)散3.4影響雜質(zhì)分布的其他因素橫向擴(kuò)散的影響①ULSI集成度減小：設(shè)計(jì)尺寸如溝道長(zhǎng)度L，大于實(shí)際尺寸。②橫向穿通效應(yīng)第三章擴(kuò)散3.5擴(kuò)散工藝分類(lèi)擴(kuò)散系統(tǒng)形式：開(kāi)管、閉管擴(kuò)散系統(tǒng)環(huán)境：真空擴(kuò)散、保護(hù)氣體擴(kuò)散N2，Ar2按雜質(zhì)源形態(tài)：固態(tài)源、液態(tài)源、氣態(tài)源對(duì)擴(kuò)散系統(tǒng)的要求：①有一定長(zhǎng)度的恒溫區(qū)(600℃以上，波動(dòng)小于±0.5℃)②對(duì)NS、xj易控制；③不能使Si片變形和表面損傷；④一次(一爐)能擴(kuò)散幾十、上百片，均勻性和重復(fù)性好第三章擴(kuò)散擴(kuò)散雜質(zhì)源的選擇雜質(zhì)導(dǎo)電類(lèi)型；p,III族BAlGaInn,V族(N)PAsSbB:可選Al:D大,不易控制(深結(jié)，功率器件中)Ga:DSiO2>DSiIn:深能級(jí),不易全電離(Ge中0.011eV,0.16eV)P：發(fā)射區(qū)DP>DBAs：微波管發(fā)射區(qū),無(wú)基區(qū)下陷效應(yīng),與Si晶格匹配,固溶度大,D小,易控制Sb：D小,毒性小擴(kuò)散系數(shù)D；先擴(kuò)散小D,后擴(kuò)散大D,基區(qū)寬度好調(diào)解雜質(zhì)固溶度>NS；P1.3×1021cm-3Sb4×1019cm-3易獲得，純度高，蒸汽壓高，使用期長(zhǎng)，毒性小第三章擴(kuò)散雜質(zhì)源(熱分解化學(xué)反應(yīng))→雜質(zhì)氧化物沉積硅片上(與硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng))→單質(zhì)雜質(zhì)原子→擴(kuò)散進(jìn)入硅片內(nèi)。第三章擴(kuò)散3.5擴(kuò)散工藝3.5.1固態(tài)源擴(kuò)散組成：摻雜元素的氧化物B2O3,P2O5,BN,Sb2O3,As2O3形態(tài)：片狀、粉狀、乳膠狀、薄膜(摻雜多晶硅)擴(kuò)散方式：①開(kāi)管:雜質(zhì)源片狀和粉狀,雜質(zhì)源與Si平分開(kāi),不接觸特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)便，重復(fù)性、穩(wěn)定性好。第三章擴(kuò)散3.5擴(kuò)散工藝②箱法：雜質(zhì)源和Si片放在有蓋的石英箱里。特點(diǎn)：恒定表面源擴(kuò)散NS=NSi；兼有開(kāi)管和閉管優(yōu)點(diǎn)。③涂源法：將摻有擴(kuò)散雜質(zhì)的乳膠源旋涂在Si片上。特點(diǎn)：適于各種擴(kuò)散雜質(zhì)；表面濃度難控制，不均勻。④薄膜法：用CVD方法先在Si片上淀積一層含擴(kuò)散雜質(zhì)的薄膜，如SiO2、Poly-Si、Si3N4。特點(diǎn)：均勻性重復(fù)性好，密排，工藝靈活。第三章擴(kuò)散鉑固態(tài)源擴(kuò)散：如B2O3、P2O5、BN等第三章擴(kuò)散3.5擴(kuò)散工藝3.5.2液態(tài)源擴(kuò)散摻雜源：液態(tài)化合物，如POCl3、PCl3、AsCl3、方法：摻雜源通過(guò)攜帶氣體(N2)進(jìn)入擴(kuò)散爐；特點(diǎn)：相比固態(tài)源擴(kuò)散，摻雜量控制精確(爐溫，擴(kuò)散時(shí)間，氣體流量，源溫)，均勻性、重復(fù)性好。3.5.3氣態(tài)源擴(kuò)散摻雜源：氣態(tài)化合物，如PH3、AsH3、B2H6、BCl等，毒性較大；為了安全及便于控制，需用N2、Ar2稀釋到1%-2%。特點(diǎn)：相比液態(tài)源擴(kuò)散，操作更方便。第三章擴(kuò)散液態(tài)源擴(kuò)散第三章擴(kuò)散3.5擴(kuò)散工藝3.5.4雜質(zhì)源1.B摻雜源①固態(tài)：粉狀B2O3

、BN；陶瓷片BN、B2O3+SiO2+Al2O3；

BN+O2→B2O3+N2(BN不易揮發(fā)，高溫1000℃氧氣活化0.5-1h)B2O3+Si→B+SiO2；B2O3+SiO2→BSG(硼硅玻璃)②液態(tài)：B(CH3O)3、BBr3；

B(CH3O)3→B2O3+CO2+H2O+CC+O2→CO2③氣態(tài)：乙硼烷B2H6、BCl3；

B2H6+O2→B2O3+H2OB2H6+CO2→B2O3+CO+H2OB2O3性質(zhì)：無(wú)色粉末、熔點(diǎn)577℃，沸點(diǎn)1860℃能溶于酸和醇第三章擴(kuò)散3.5擴(kuò)散工藝2.P摻雜源①固態(tài)：粉狀P2O5；陶瓷片P3N5、Si·P2O7+Al(PO3)3P3N5+O2→P2O5+N2P2O5+Si→P+SiO2；P2O5+SiO2→PSG(磷硅玻璃)②液態(tài)：POCl3、PCl5、PBr3、P(CH3O)3。高溫(>600℃)下，POCl3→P2O5+PCl5PCl5+O2→P2O5+Cl2③氣態(tài)：PH3；PH3+O2→P2O5+H2OP2O5性質(zhì)：白色粉末，熔點(diǎn)420℃，300℃升華，吸水性強(qiáng)第三章擴(kuò)散3.6擴(kuò)散工藝的發(fā)展快速氣相摻雜RVD(RapidVapor-phaseDoping)摻雜劑從氣相直接向硅中擴(kuò)散，形成超淺結(jié)的快速摻雜工藝。替換離子注入(溝道效應(yīng)，晶格損傷，硅片帶電)，短溝CMOS特性好。高溫，需要掩膜，雜質(zhì)分布非理想指數(shù)分布，峰值在表面。第三章擴(kuò)散氣體浸沒(méi)激光摻雜GILD(GasImmersionLaserDoping)準(zhǔn)分子激光(308nm)器產(chǎn)生高能量密度(0.5-2.0J/cm2)的短脈沖(20-100nm)激光，照射處于氣態(tài)源(PF5,BF3)中的硅表面，硅表面因?yàn)槲漳芰孔優(yōu)橐后w層。摻雜源由于熱分解,光解產(chǎn)生雜質(zhì)原子，通過(guò)液相擴(kuò)散，雜質(zhì)進(jìn)入很薄的液體層。擴(kuò)散快，分布均勻，陡峭，突變結(jié)，超淺深度，極底的串連電阻。激光能量和脈沖時(shí)間控制摻雜濃度。第三章擴(kuò)散3.7擴(kuò)散層質(zhì)量參數(shù)包括:結(jié)深xJ

，方塊電阻R□(RS)

，表面濃度NS

擊穿電壓BV等。①結(jié)深xj

定義：pn結(jié)幾何位置與擴(kuò)散層表面的距離.

襯底雜質(zhì)濃度NB,N(XJ,t)=NB，第三章擴(kuò)散3.6擴(kuò)散層質(zhì)量參數(shù)恒定源結(jié)深：,余誤差分布有限源分布：，高斯分布第三章擴(kuò)散結(jié)深的測(cè)量Xj小,~μm,直接測(cè)量困難，磨角滾槽側(cè)面放大硫酸銅染色，陽(yáng)極氧化法，a.磨角染色法：Xj深?:3-5°

石蠟