第三章 扩散工艺.ppt

第三章扩散工艺 概述扩散原理 模型与公式 实际扩散分布的分析扩散工艺和设备扩散工艺质量检测 主要内容 概述 掺杂 将所需要的杂质按要求的浓度和分布掺入到半导体材料中的规定区域 以达到改变材料导电类型或电学性质的过程 掺杂的方法很多 合金法 扩散法 离子注入法 在IC制造中主要采用扩散和离子注入法 合金掺杂 通过杂质材料与半导体材料合金的方法实现掺杂的过程 离子注入掺杂 杂质通过离化 加速形成高能离子流 靠能量打入半导体材料的规定区域 形成杂质分布的过程 高浓度深结掺杂采用扩散方法 高精度浅结采用离子注入方法半导体器件制造中常用的掺杂杂质有磷 硼 砷 锑 扩散是微电子工艺中最基本的工艺之一 是在约1000 的高温 p型或n型杂质气氛中 使杂质向衬底硅片的确定区域内扩散 达到一定浓度 实现半导体定域 定量掺杂的一种工艺方法 也称为热扩散 目的是通过定域 定量扩散掺杂改变半导体导电类型 电阻率 或形成PN结 扩散工艺在IC制造中的主要用途 晶体管的基区 发射区双极器件的扩散电阻在MOS制造中形成源和漏互连引线多晶硅掺杂太阳能电池 杂质扩散机构 扩散运动 物质的随机热运动 趋向于降低其浓度梯度 即存在一个从高浓度区向低浓度区的净移动 扩散工艺 利用杂质的扩散运动 将所需要的杂质掺入硅衬底中 并使其具有特定的浓度分布 研究杂质在硅中的扩散运动规律目的何在呢 开发合适的扩散工艺 预测和控制杂质浓度分布 研究IC制造过程中其它工艺步骤引入的扩散过程对杂质分布和器件电特性的影响 1 1扩散的微观机制 1 间隙式扩散 interstitial 2 替位式扩散 substitutional 间隙扩散杂质 O Au Fe Cu Ni Zn Mg 替位扩散杂质 As Al Ga Sb Ge 替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前题 B P 一般作为替位式扩散杂质 实际情况更复杂 包含了硅自间隙原子的作用 称填隙式或推填式扩散 间隙式杂质 存在与晶格间隙的杂质替位式杂质 占据晶格位置的外来原子称为替位杂质 许多杂质即可以是替位式也可以是间隙式溶于晶体的晶格中 并以间隙 替位式扩散 这类扩散杂质的跳跃率随空位和自间隙等缺陷的浓度增加而迅速增加 3 间隙 替位式扩散 杂质原子被从晶格位置 踢出 Kick out AV 间隙 替位式扩散 有两种机制可能使这些杂质回到晶格位置 一种填隙杂质被一个空位俘获 另一种是杂质原子取代一个硅原子的晶格位置 1 2杂质扩散系数与扩散方程 菲克第一定律 如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度 则杂质将会产生扩散运动 而且杂质的扩散方向是使得杂质浓度梯度减小 菲克第一定律 杂质的扩散流密度J正比于杂质浓度梯度 比例系数D定义为杂质在基体中的扩散系数 表达式为 3 1 其中 C为杂质浓度 个 cm3 D为扩散系数 cm2 s J为杂质净流量 单位面积单位时间内流过的原子个数 个 cm2 s 虽然费克第一定律精确地描述了扩散过程 但在实际应用中很难去测量杂质的扩散流密度 讨论晶体中杂质浓度与扩散时间的关系在均匀横截面A的长条材料上 取长度为dx的一小段 J1是流入这一段体积的流量 J2是流出这一段体积的流量 流出该段体积的流量差为 J2 J1 dx A 菲克第二定律 如果J2 J1 说明在这一小段体积中扩散物质的浓度发生了变化 在这一体积元内杂质的数量为浓度和微分体积元 A dx 的乘积 因此连续性方程可以表示为 或者 J2 J1 A dx 上式可以写为 代入菲克第一定律 3 1 得菲克第二定律 3 2 费克第二定律最通用的表达式 假设D和位置无关 杂质浓度很低时 可认为扩散系数与浓度无关 D为常数 式3 2可以简化为 因为沿硅片深度方向的扩散是主要的关注之一 所以也可把位置变量用沿着硅圆片深度方向 Z 取代 上式可改写为 上式被称为菲克简单扩散方程 3 3 1 3扩散形式 扩散工艺是要将具有电活性的杂质 在一定温度 以一定速率扩散到衬底硅的特定位置 得到所需的掺杂浓度以及掺杂类型 两种方式 恒定表面源扩散和限定表面源扩散扩散工艺重要的工艺参数包括 杂质的分布 表面浓度 结深 掺入杂质总量 预淀积扩散 菲克定律的第一类解 杂质源通常为气相源 原子自源蒸气输运到硅片表面 并扩散到硅内 在扩散过程中源蒸气保持恒定的表面浓度 这种扩散称为预淀积扩散 又称为恒定表面源扩散时间t 0时 初始条件 C x 0 0边界条件 C 0 t Cs以及 C t 0满足上述初始条件和边界条件的式 3 2 的解为 式中 Cs 恒定表面浓度D 扩散系数 特征扩散长度 erfc是余误差函数 x为距离坐标 时间越长 扩散深度越深 表面浓度不变前式对x积分 就可以得到扩散杂质剂量随时间变化的关系 恒定表面源扩散杂质浓度分布图 扩散入硅片单位表面的杂质总量 在实际工艺中 Cs的值一般都是杂质在硅中的固溶度 固溶度 平衡态下 杂质可溶于半导体材料中的最高浓度 与温度有关 3 4 如果衬底杂质浓度为CB 扩散杂质与衬底杂质反型 计算扩散形成的PN结结深 由于 可得结深 Cs Z CB t1 t2 t1 0 C z 恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布 延长扩散时间 表面杂质浓度不变 结深增加 扩入杂质总量增加 杂质浓度梯度减小 在硅片的扩散过程中 硅片内的杂质总量保持不变 没有外来杂质补充 仅限于扩散前积累在硅片表面无限薄层内的有限数量的杂质 向硅片体内扩散 又称 限定源 或 再分布 假设扩散开始时杂质总量Q0均匀分布在厚度为h的一个薄层内 不考虑硅片衬底杂质浓度的条件下 2 恒定杂质总量扩散 x h 根据上述边界条件 菲克定律的解是一个中心在x 0处的高斯分布 t2 0 表面浓度CS随时间而降低 延长扩散时间 提高扩散温度T 杂质表面浓度迅速减小 杂质总量不变 结深增加 杂质浓度梯度减小 t3 t2 t1 如果衬底杂质浓度为CB 扩散杂质与衬底杂质反型 计算扩散形成的PN结结深 由于 可得结深 在实际工艺中 往往用 预淀积 再分布 的两步扩散法 第一步 在较低的温度下进行短时间的恒定表面源扩散 扩散深度很浅 目的是控制进入硅片的杂质总量 称 预淀积 第二步 以预扩散杂质分布作为掺杂源 高温下进行有限表面源的推进扩散 使杂质向硅片内部推进 重新分布 通过控制扩散温度和时间以获得预期的表面浓度和结深 分布 又称 再分布 主扩散 作用 较好地解决了表面浓度 结深与扩散温度 时间之间的矛盾 3 两步扩散法 预淀积扩散 4 计算两步扩散法的杂质分布 初始条件 C z 0 0边界条件 C 0 t Cs 以及 C t 0 扩散后的杂质分布 预淀积 预淀积 扩散后的杂质总量 假设预淀积扩散的扩散系数为D1 扩散时间t1为 上式改为 有限表面源扩散 推进扩散 4 计算两步扩散法的杂质分布 假设推进扩散的扩散系数为D2 扩散时间t2为 上式改为 初始条件 边界条件 扩散后的杂质分布 推进扩散 t 0 上面两种扩散形式杂质分布的公式推导是基于理想的边界条件下 比如两步扩散法的公式 只有推进扩散时间比淀积扩散时间长得多的情况下才接近实际 即只有满足时 两步扩散中的推进扩散边界条件才成立 上述公式只考虑一维扩散方程的解 对于有掩蔽窗口的扩散 在窗口边缘需要考虑二维或三维扩散方程的解 说明 高浓度扩散 扩散气氛不同 如 氧气和氮气 杂质不同 硅衬底的晶向不同等 实际扩散情况同理论公式都有差别 必须要修正 由于离子注入技术的发展 大多数掺杂工艺已不再使用扩散法 但是需要重掺杂时仍然采用扩散方式 实际扩散工艺中 由于各种因素的影响 常使杂质分布偏离理论结果 横向扩散 杂质在纵向扩散的同时 也进行横向扩散 实际情况应是高维的扩散方程解 横向扩散长度是纵向扩散深度的0 75 0 85 横向扩散直接影响VLSI的集成度 也影响着PN结电容 而离子注入的横向扩散要小的多 2 实际扩散分布的分析 3 扩散工艺和扩散设备 扩散炉同氧化炉基本一样 英文中都用 furnace 这个词 差别是扩散系统的携带气体采用N2和Ar 并有扩散源 而氧化系统主要是O2 N2 H2等气体 从杂质源组成来看 分为单质元素 化合物和混合物等形式 从杂质在常温下所处的状态 分为固态源扩散 液态源扩散和气态源扩散 扩散方式片状源扩散开管扩散箱式扩散涂源扩散固态源陶瓷片或粉体 BN B2O3 Sb2O5 P2O5等 3 1固态源扩散 BN BN BN Si Si Si 片状源扩散 将固体扩散源做成与晶片一样大小的园片 与硅片相间地插在石英舟上 在一定温度下扩散 也分预淀积和再分布两步 目前最常用的是BN 硼微晶玻璃 后者不需活化 常用片状源扩散 片状源扩散优点 方便 重复性好 生产效率高 也称开管扩散 间距 2 4mm 并通入保护气体 作用 既可防止大气反向扩散到石英管内造成污染 并能改善扩散结果的波动性 箱法扩散 将硅片和扩散源放在一个石英密封箱子里 效果好 较麻烦 涂源扩散 在低温下采用涂布等方法 在硅片上形成一层含所需杂质的薄膜 氧化物 氮化物 烘干后在高温下扩散 优缺点 方便 重复性好 成本低 自动化程度高 杂质量控制精确和能够高浓度掺杂等优点 缺点是腐蚀性高 工艺对温度太敏感 3 2液态源扩散 利用保护性气体 如氮气 通过液态杂质源瓶 携带杂质源蒸汽进入反应室 生成的P2O5在扩散温度下与硅反应 生成二氧化硅 SiO2 和磷原子 液态源POCl3 BBr3 B CH3O 3 TMB 气态源BCl3 B2H6 PH3 AsH3 3 3气态源扩散 气态源扩散 AsH3 PH3 B2H6掺杂气体同稀释气体一起通入炉内进行扩散 3 4扩散工艺的控制要点 防止污染工艺参数控制 温度分布 气流量和排片方式 片间距等 4 扩散工艺的质量检测 目的 获取作为深度和横向位置函数的杂质浓度 杂质分布 主要的检测项目 4 1薄层电阻Rs的测量 这里用结深Xj代替前面公式中的厚度t 所以Rs就是扩散薄层的方块电阻 对于薄膜材料而言 通常规定 t而不是单独规定 和tRs t单位是 Rs称为薄层电阻或方块电阻或方阻 这里方块的数目就是电阻条的长宽比 习惯上称为方数 也就是薄膜电阻的阻值等于方阻和方数的乘积 1 四探针法测量薄层电阻 四探针可以排成不同的几何形状 最常见的是排成一条直线 这种排列方式下 外面的两根探针之间加电流 里面的两根针之间测量电压 计算测量到的电压降和所加的电流之间的比值 再乘上一个几何修正因子就可得到薄层电阻值 需要说明一点 上述几何修正因子同探针排列形状及探针间距与扩散区深度的比值有关 对于探针直线排列 探针间距远远大于结深时 该几何修正因子值为4 5325 虽然用直线阵列等间距四探针方法常用于测量薄层掺杂浓度 但是由于试片大小不一 修正系数不够严格 而且由于探针之间的间距不能太小 一般为1mm 所以测量不够精确 更不能测量微区的情况 为获得精确的结果 一般根据范德堡原理进行测量 常用的方法是通过光刻确定图形 并用氧化层隔离来限制扩散区的几何形状 2 范德堡法测量薄层电阻 在范德堡图形四个测量位置上 在一对相邻的接触点之间施加电流 并在另一对接触点之间测量电压 为提高精度 一般将探针旋转九十度进行测量 共测量四次 取平均电阻R 并有 F Q 是一个与探针形状有关的修正因子 对于正方形的探针排列 F Q 1 所以 1 磨角染色法测量结深 将扩散片磨成斜角 1 5 用染色液进行染色以区分N区和P区的界面 常用的染色液是浓氢氟酸加0 1 0 5体积的浓硝酸的混合液 最后通过公式可求出结深 4 2测量结深 2 磨槽染色法测量结深 在扩散工艺后常常需要知道扩散层的深度 磨槽染色法是其中的方法之一 它的原理是使用一个已知直径的砂轮 在硅片上磨出一个凹槽 然后用一种选择性的腐蚀液进行染色腐蚀 最后用光学显微镜测量 计算出结深Xj 硅衬底 掺杂 砂轮 开槽后的圆片 选择性腐蚀后的圆片 利用霍尔效应 可直接测量总的载流子浓度以及载流子类型 迁移率等信息 总的载流子浓度 利用霍尔效应测量载流子类型 迁移率和浓度 4 3其它测量方法 杂质浓度 深度分布关系的测量MOS电容德C V法扩展电阻法二次离子质谱法 SIMS 卢瑟福背射法 RBS 在CMOSIC工艺中 只有多晶硅淀积厚重掺杂P还采用POCL3进行扩散掺杂 扩散工艺存在的主要问题 不能精确控制掺杂浓度和分布 横向效应大 不适于低剂量 浅分布的掺杂