扩散工艺培训课件(ppt 74页).ppt

2020 3 3 第三章扩散工艺 3 1杂质扩散机构 3 2扩散原理 扩散系数扩散方程 3 3扩散杂质的分布 3 4影响杂质分布的其他因素 3 5扩散工艺 3 6扩散工艺的发展 自学 3 7工艺控制和质量监测 补充 2020 3 3 掺杂技术就是将所需要的杂质 以一定的方式 合金 扩散或离子注入等 加入到硅片内部 并使在硅片中的数量和浓度分布符合预定的要求 利用掺杂技术 可以制作P N结 欧姆接触区 IC中的电阻 硅栅和硅互连线等等 2020 3 3 合金法是早期产生半导体器件常用的形成p N结的方法 自从硅平面技术问世以后 合金法已经被扩散法取代了 扩散技术是一种制作P N结的好方法 随着集成电路的飞速发展 扩散工艺已日臻完善 其设备和操作也大多采用电子计算机进行控制了 2020 3 3 扩散是微观粒子的一种极为普遍的热运动形式 运动结果使浓度分布趋于均匀 集成电路制造中的固态扩散工艺 是将一定数量的某种杂质掺入到硅晶体或其他半导体晶体中去 以改变电学性质 并使掺入的杂质数量 分布形式和深度等都满足要求 2020 3 3 扩散是向半导体中掺杂的重要方法之一 也是集成电路制造中的重要工艺 目前扩散工艺以广泛用来形成晶体管的基极 发射极 集电极 双极器件中的电阻 在MOS制造中形成源和漏 互连引线 对多晶硅的掺杂等 2020 3 3 离子注入是目前VLSI优越的掺杂工艺 就目前我国升昌集成电路来看 离子注入不能说完全代替了扩散工艺 但至少许多原来由扩散工艺所完成的加工工序 都已经被离子注入取代了 这是时代发展的必然结果 2020 3 3 3 1杂质扩散机构 杂质在硅晶体中的扩散机构主要有两种 1 间隙式扩散 2 替位式扩散一 间隙式扩散1 间隙式杂质 存在于晶格间隙的杂质 主要那些半径较小 并且不容易和硅原子键合的原子 它们在晶体中的扩散运动主要是以间隙方式进行的 如下图所示 图中黑点代表间隙杂质 圆圈代表晶格位置上的硅原子 2 间隙式扩散 间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置上的运动 2020 3 3 1 2 3 4 5 6 7 间隙杂质运动 2020 3 3 3 间隙杂质要从一个间隙位置运动到相邻的间隙位置上 必须要越过一个势垒 势垒高度Wi一般为0 6 1 2ev 4 间隙杂质只能依靠热涨落才能获得大于Wi的能量 越过势垒跳到近邻的间隙位置上 5 跳跃率 Pi v0e wi kT温度升高时Pi指数地增加 2020 3 3 二 替位式扩散1 替位杂质 占据晶格位置的外来原子 2 替位式扩散 替位杂质从一个晶格位置到另一个晶格位置上 只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位 替位杂质才能比较容易地运动到近邻空位上 运动如下图所示 3 替位杂质运动比间隙杂质更困难 首先要在近邻出现空位 同时还要依靠热涨落获得大于势垒高度Ws的能量才能实现替位运动 4 跳跃率Pv v0e Ws Wv kTWv表示形成一个空位所需能量 2020 3 3 替位杂质运动 2020 3 3 3 2扩散原理 即扩散系数和扩散方程 一 扩散流方程 注 下面的N就是课本中的C 2020 3 3 扩散时质量守衡 J随时间变化与随空间变化相同 连续性方程 以下式表示杂质原子流密度 扩散方程为 2 1 2 2 2 3 2020 3 3 考虑施加恒定电场E时 以上2 1 2 3为Fick s扩散第一 第二定律 2 4 2020 3 3 二 扩散系数 2020 3 3 1 扩散系数与温度有关 如上图 D0 扩散率 E 扩散工艺激活能 k0 玻耳兹曼常数 T 绝对温度 2020 3 3 2 扩散工艺激活能 E 间隙扩散物质 如He H2 O2 Au Na Ni Cu Fe E在0 2 2 0eV之间 替位扩散物质 如B As P Sb E在3 4eV之间 3 扩散系数与衬底掺杂浓度有关 2020 3 3 3 3扩散杂质的分布 1 恒定表面源扩散扩散过程中 硅片表面杂质浓度始终不变这种类型的扩散称为恒定表面源扩散 其扩散后杂质浓度分布为余误差函数分布 2020 3 3 2020 3 3 2 有限表面源扩散扩散散前在硅片表面先淀积一层杂质 在整个过程中 这层杂质作为扩散源 不再有新源补充 杂质总量不再变化 这种类型的扩散称为有限表面源扩散 其扩散后杂质浓度分布为高斯函数分布 2020 3 3 2020 3 3 3 两步扩散 2020 3 3 预淀积 或预扩散 温度低 时间短主淀积 或推进 温度高 时间长预淀积 或预扩散 现已普遍被离子注入代替 2020 3 3 3 4影响杂质分布的其他因素 实际杂质分布 偏离理论值 1 二维扩散一般横向扩散 0 75 0 85 Xj Xj纵向结深 2020 3 3 横向扩散 2020 3 3 2 杂质浓度对扩散系数的影响 其中Di0 Di Di Di2 分别表示中性 正一价 负一价 负二价的低浓度杂质 空穴对的本征扩散系数 2020 3 3 其中Di0 Di p ni Di n ni Di2 n ni 2分别表示中性 正一价 负一价 负二价的高浓度杂质 空穴对的非本征条件下的有效扩散系数 以上是考虑多重电荷空位的杂质扩散模型时 扩散衬底杂质浓度将严重影响扩散系数 2020 3 3 3 电场效应 2020 3 3 4 发射区推进效应 V2 二价负电荷空位 N P N 2020 3 3 5 热氧化过程中的杂质再分布 杂质分凝 硼 m1砷 m 1 2020 3 3 6 氧化增强扩散 2020 3 3 7 硅片晶向的影响 2020 3 3 3 5扩散工艺 一 双温区锑扩散制作双极型集成电路的隐埋区时 常用锑和砷作杂质 因为它们的扩散系数小 外延时自掺杂少 其中又因为锑毒性小 故生产上常用锑 系统特点 用主辅两个炉子 产生两个恒温区 杂质源放在低温区 硅片放在高温区 2020 3 3 反应式 3Sb2O3 3Si 4Sb SiO2优点 1 可使用纯Sb2O3粉状源 避免了箱法扩散中烘源的麻烦 2 两步扩散 不象箱法扩散那样始终是高浓度恒定表面源扩散 扩散层缺陷密度小 3 表面质量好 有利于提高表面浓度 2020 3 3 二 常见扩散方法 2020 3 3 2020 3 3 2020 3 3 液态源扩散 常用POCl3 600 5POCl3 P2O5 3PCl52P2O5 5Si 5SiO2 4P氧过量4PCl5 5O2 2P2O5 10Cl2 2020 3 3 影响扩散参量的因素 源POCl3的温度扩散温度和时间气体流量 2020 3 3 3 3扩散杂质的分布 1 恒定表面源扩散扩散过程中 硅片表面杂质浓度始终不变这种类型的扩散称为恒定表面源扩散 其扩散后杂质浓度分布为余误差函数分布 2020 3 3 2020 3 3 2 有限表面源扩散扩散散前在硅片表面先淀积一层杂质 在整个过程中 这层杂质作为扩散源 不再有新源补充 杂质总量不再变化 这种类型的扩散称为有限表面源扩散 其扩散后杂质浓度分布为高斯函数分布 2020 3 3 2020 3 3 3 两步扩散 2020 3 3 预淀积 或预扩散 温度低 时间短主淀积 或推进 温度高 时间长预淀积 或预扩散 现已普遍被离子注入代替 2020 3 3 3 4影响杂质分布的其他因素 实际杂质分布 偏离理论值 1 二维扩散一般横向扩散 0 75 0 85 Xj Xj纵向结深 2020 3 3 横向扩散 2020 3 3 2 杂质浓度对扩散系数的影响 其中Di0 Di Di Di2 分别表示中性 正一价 负一价 负二价的低浓度杂质 空穴对的本征扩散系数 2020 3 3 其中Di0 Di p ni Di n ni Di2 n ni 2分别表示中性 正一价 负一价 负二价的高浓度杂质 空穴对的非本征条件下的有效扩散系数 以上是考虑多重电荷空位的杂质扩散模型时 扩散衬底杂质浓度将严重影响扩散系数 2020 3 3 3 电场效应 2020 3 3 4 发射区推进效应 V2 二价负电荷空位 N P N 2020 3 3 5 热氧化过程中的杂质再分布 杂质分凝 硼 m1砷 m 1 2020 3 3 6 氧化增强扩散 2020 3 3 7 硅片晶向的影响 2020 3 3 3 5扩散工艺 一 双温区锑扩散制作双极型集成电路的隐埋区时 常用锑和砷作杂质 因为它们的扩散系数小 外延时自掺杂少 其中又因为锑毒性小 故生产上常用锑 系统特点 用主辅两个炉子 产生两个恒温区 杂质源放在低温区 硅片放在高温区 2020 3 3 反应式 3Sb2O3 3Si 4Sb SiO2优点 1 可使用纯Sb2O3粉状源 避免了箱法扩散中烘源的麻烦 2 两步扩散 不象箱法扩散那样始终是高浓度恒定表面源扩散 扩散层缺陷密度小 3 表面质量好 有利于提高表面浓度 2020 3 3 二 常见扩散方法 2020 3 3 2020 3 3 2020 3 3 液态源扩散 常用POCl3 600 5POCl3 P2O5 3PCl52P2O5 5Si 5SiO2 4P氧过量4PCl5 5O2 2P2O5 10Cl2 2020 3 3 影响扩散参量的因素 源POCl3的温度扩散温度和时间气体流量 2020 3 3 3 7工艺控制和质量检测 一 工艺控制二 质量检测 2020 3 3 一 工艺控制 污染控制 颗粒 有机物 薄膜 金属离子污染来源 操作者 清洗过程 高温处理 工具参量控制 温度 时间 气体流量 影响最大 1 温度控制 源温 硅片温度 升温降温 测温2 时间 进舟出舟自动化 试片3 气体流量 流量稳定 可重复性 假片 2020 3 3 假片和试片 2020 3 3 二 质量检测 1 质检项目2 结深测量3 扩展电阻法4 方块电阻测量 2020 3 3 1 扩散工艺质量检测项目 2020 3 3 2 结深测量 2020 3 3 3 扩展电阻法 叙述其他策略列出每项的优势和劣势叙述每项所需的消耗 2020 3 3 4 方块电阻测量 2020 3 3 2020 3 3 三 质量分析 1 硅片表面不良 表面合金点