工艺技术-半导体制造工艺之扩散原理概述(ppt 46页)

半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 上节课主要内容 1、掺杂工艺一般分为 哪两步？结深？薄层电 阻？固溶度？ 2、两种特殊条件下的费 克第二定律的解及其特 点？特征扩散长度？ 预淀积退火。预淀积：气固相预淀积 扩散或离子注入。 Rs：表面为正方形的 半导体薄层（结深），在平行电流方向 所呈现的电阻，单位为 /，反映 扩散 入硅内部的净杂质 总量。 固溶度：在平 衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生 反应形成分凝相的最大浓度。 表面浓度恒定，余误差函数分布 (erfc)。 随时间变化：杂质总量增加，扩散深度 增加 杂质总量恒定，高斯函数 /正态分布 (Gaussian)。 随时间变化：表面浓度下降 ，结深增加 1 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 如何判断对费克定律应用何种解析解？ 当表面浓度为固溶度时，意味着该分布是余误差分布 当表面浓度较低时，意味着该分布是经过长时间的推进过 程，是高斯分布。 费克定律解析解的应用 本征扩散时，理想边界条件下的解。实际情况需要修正，如： 高浓度 电场效应 杂质分凝 点缺陷 2 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 例题： CMOS中的 p阱的形成。要求表面浓度 Cs=4x1017 cm-3， 结 深 xj=3 mm。 已知 衬 底 浓 度 为 CB=11015 cm3。 设计该 工 艺过 程。 离子注入 退火 3 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 假定推进退火获得的结深，则根据 该数值为推进扩散的 “热预算 ”。 解： 1）假设离子注入 +推进退火 4 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 2）推进退火的时间 假定在 1100 C进行推进退火，则扩散系数 D=1.510-13 cm2/s 3）所需离子注入的杂质剂量 可以推算出 该剂量可以很方便地用离子注入实 现在非常薄的范围内的杂质预淀积 5 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 4）假如采用 950 C热扩散预淀积而非离子注入 预淀积时间为 此时， B的固溶度为 2.51020/cm3，扩散系数 D=4.210-15 cm2/s 该预淀积为余误差分布，则 但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离子注入！ 即使 6 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 影响杂质分布的其他因素 Ficks Laws： Only valid for diffusion under special conditions Simplification ! 7 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 1、电场效应（ Field effect） 非本征扩散 电场的产生：由于载流子 的迁移率高于杂质离子， 二者之间形成内建电场。 载流子领先于杂质离子， 直到内建电场的漂移流与 扩散流达到动态平衡。 如果 NA、 ND ni（扩散温度下）时，非本征扩散效应 8 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 所以，杂质流由两部分组成： 内建电场 以 n型掺杂为例， 9 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 由 并 假定杂质全部离化 ，有 场助扩散方程： 其中 h为扩散系数的电场增强因子： 当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时， h 接近 2。 10 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大 11 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 2、扩散系数与杂质浓度的关系 在杂质浓度很高 时，扩散系数不 再是常数，而与 掺杂浓度相关 扩散方程改写为： 箱型 12 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) p型掺杂 n型掺杂 、 族元素在硅中的扩散运动是建立在杂质与空位相互作用 的基础上的，掺入的施主或受主杂质诱导出了大量荷电态空位 ，从而增强了扩散系数。 13 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 非本征掺杂扩散系数比本征掺 杂扩散系数 高一个数量级 ！ 由于非本征掺杂的扩散系数在 掺杂边缘迅速衰减，因而出现 边缘陡峭的 “箱型 ”分布。 箱型 1000 C下，非本征扩散系数： 14 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 对于 B， P来说，在氧化过程中，其扩散系数增加。 对 Sb来说，扩散系数减小。 双扩散机制 : 杂质可以通过空位和间隙两种方式扩散 3、氧化增强 /抑制扩散（ oxidation enhanced / retarded diffusion） OED/ORD 15 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 1 ） OED： 对于原子 B或 P来说，其在硅中的扩散可以 通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大 量 Si间隙原子注入，增加了 B和 P的扩散系数 （ 1 2） Si 2OI 2VSiO 2 2I stress A+I AI 16 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 2） ORD： 对于 Sb来说，其在硅中的扩散主要是 通过空位进行。 氧化注入间隙 间隙和空位在硅中复合 硅中空位浓度减小 Sb的扩散被抑制 I+VSis 表示晶格上 的 Si原子 As受间隙和空位 扩散两种机制控 制，氧化时的扩 散受影响较小 17 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 4、发射极推进效应（ Emitter Push effect） 实验现象：在 P（磷）发射区下的 B扩散比旁边的 B扩散快， 使得基区宽度改变。 A IAI， 由于发射区内大量 A(P)I的存在使得反应向左进 行，通过 掺杂原子 A(P)向下扩散并找到晶格位置的同时， 释放 大量的 间隙原子 I，产生所谓 “间隙原子泵 ”效应 ，加快了硼的 扩散。 Phosphorus Boron 18 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 常用杂质硼（ B），磷（ P），砷（ As）在硅中的性质 1）硼 B: III族元素，受主杂质， 1150 时固溶度达 2.41020 原子 /cm3 D 0=1 cm2/s Ea=3.46 eV 高浓度掺杂 如考虑场助效应 h 电场增强因子 19 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 2）磷 族元素，施主原子，有吸收铜 、金等快扩散杂质的性质（这些 杂质在缺陷处淀积会产生漏电） , 固溶度达 51021 原子 / 3。 磷的本征扩散系数主要由中性空 位 V0作用决定。 高浓度磷扩散 时浓度分布有三个 区域。主要是磷离子与 V0， V-， V=三种空位的作用造成的。 温度为 1000 时，尾区 的扩散系数 比本征情况 下的扩散系数大二个数 量级。因此磷常作为深 结扩散的杂质 20 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 3）砷 族元素，施主杂质，半径与硅相同， 扩散系数小，仅磷、硼的十分之一。 在高掺杂情况下也不引起畸变。 在硅晶体中，砷激活量低于掺杂量，电激活浓度达 21021 -3 适宜于浅结，精确控制 21 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 气态相源扩散（ gas source） 液态源扩散（ liquid source） 固态源扩散（ solid source） 旋涂源扩散（ spin-on-glass） 注意：在引入扩散源后作推进扩散时，常常会在硅片上表面 有一氧化层或其它覆盖层保护硅片，使硅片中的杂质不会挥 发到大气中去。 扩散掺杂工艺 22 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 1、气态源扩散 利用载气（如 N2）稀释杂质气体，杂质气体在高温下与硅表 面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。 气态杂质源 (剧毒气体 ) : 磷烷（ PH4）、砷烷（ AsH3）、氢 化锑（ SbH3）、乙硼烷（ H2B6）等 23 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 2、液态源扩散 利用载气（如 N2）通过液态杂质源，携带着杂质蒸汽进 入高温扩散反应管，杂质蒸汽在高温下分解，并与硅表 面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。 舟 24 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 1）液态源硼扩散 源 硼酸三甲脂 B(CH3)O3 在 500 oC 以上分解反应 B(CH3)O3 B2O3 + CO2 + H2O . 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B 例： 预淀积 : 950 oC 通源 10 20 分钟， N2 再分布 : 1100 1200 o C干氧湿氧干氧 25 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 2）液态源磷扩散 源 三氯氧磷 (POCl3) 600 C 5POCl3 P2O5 + 3PCl5 2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P (向硅中扩散 ) PCl5难分解，会腐蚀硅，故还要通入少量 O2 4PCl5 + 5O2 2P2O5 + 10Cl2 例 ： 预淀积 :1050 C N2 和 O2 再分布 : 950 C O2 26 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 3、固态源扩散 （ B2O3， P2O5， BN等） 舟 惰性气体作为载气把杂质源蒸气输运到硅片表面，在扩 散温度下，杂质化合物与硅反应生成单质杂质原子相硅 内扩散。 27 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 锑的箱法扩散 硅片与扩散源同放一箱内， 在 N2气保护下扩散 源 ： Sb2O3 : SiO2 = 1:4 (粉末重量比 ) 2Sb2O3 + 3Si = 4Sb + 3SiO2 片状固态氮化硼扩散 活化处理 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 900 C 1 h. 通 O2 扩散 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B BN片与硅片大小相当，和硅片相间均匀放置在舟上。 不需载气，但以 N2或 Ar2保护。 28 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 4、 旋涂掺杂法（ spin-on-glass） 用旋涂法在 Si表面形成掺杂氧化层，然后在高温 下杂质向硅中扩散。 源： As （ arsenosilica）； Sb （ antimonysilica）； B （ borosilica）； P （ phosphorosilica） 烘焙 200 C 15分钟去处溶剂 根据 Rs和 xj要求决定扩散温度和时间 特点 ：掺杂元素多 浓度范围广 29 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 扩散层质量检验 薄层电阻测量 结深测量 掺杂分布测量 30 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 四探针薄层电阻测量 四 根 探针的四个针尖都保持在一 条直线上（ linear），并以等压力 压在半导体样品表面。 1和 4称为 电流探针，由稳压电源恒电流供 电； 3和 4称为电位探针，测量这 两个探针之间的电位差 V I t S S S S t时成立！ 1 432 31 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 结深测量 磨角染色法（ bevel and stain） vpn结显示技术：不同导电类型的区域，由于电 化学势不同，经染色后显示出不同颜色。 v常用染色液： HF与 01 HNO3的混合液，使 p 区的显示的颜色比 n区深。 32 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 掺杂分布测量 C V测量（ Capacitance- Voltage Measurement） 测量结的反偏电容和电压的关系 可以测得扩散层的掺杂分布。 VR 1/C2对于均匀掺杂的单边突变结，结电容由下式给出： s 硅的介电常数 ; NB 衬底掺杂浓度 Vbi 结的内建势 ; VR 反偏电压 33 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 二次离子质谱（ Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS） 用高能离子束轰击样品，使 其产生正负二次离子，将这 些二次离子引入质谱仪进行 分析，再由检测系统收集， 据此识别样品的组分。 34 半导体制造工艺基础 第六章 扩散原理 (下 ) 35 非本征扩散 前面讨论对于恒定扩散系数而言，只发生在掺杂浓度低于扩散温度下的 本征载流子浓度 ni时。当杂质浓度大于 ni时，扩散系数变得与浓度有关， 称为非本征扩散。非本征扩散区内，同时扩散或相继扩散的杂质之间存 在着相互作用和协同效应，使扩散更为复杂。 36 与浓度有关的扩散 当基质原子离开晶格位置而产生空位，依照空位的电荷数，可有中性空 位 V0、受主空位 V 、双电荷受主 V2 、施主空位 V+等。可以预期，某种 带电状态下的空位密度，有类似与载流子浓度的温度相关性。 如果杂质扩散以空位扩散为主，则 D正比于空位密度。低掺杂浓度时， EF Ei，空位密度等于 Ci而与杂质浓度无关。正比与 Ci的 D也将和杂质浓 度无关。高掺杂浓度时， EF向导带底移动，指数项大于 1，这是 CV增大 ，进而是 D变大。如上图的右侧所示。 37 考虑扩散系数时， D可以写成： Cs为表面浓度， Ds为表面扩散系数， 是用来描述与浓度有关的参数。 扩散方程式为： 可将扩散方程式写成一常微分方程式并以数值法求解。 38 结深可以用下式表示 39 扩散分布硅中的扩散 硅内所测量到的 D与杂质浓度的关系 B和 As ，其 1，曲线（ c）所 示，非常陡峭。 Au和 Pt， -2，曲线（ d）所示， 呈一凹陷的形状。 P，与 V2 有关， D随 C2而变化， 分布解决曲线（ b）所示。但由于 离解效应，扩散分布将呈现出不 规则的形状。 40 磷在不同表面浓度下，在 1000 下扩散 1h后的分布 41 在砷化镓中的锌扩散 在砷化镓中的扩散会比在硅中要来得复杂，因为杂质的扩散包含砷和镓 两种