第四章--半导体的高温掺杂.ppt

1 第四章半导体的高温掺杂 2 掺杂 doping 将一定数量和一定种类的杂质掺入硅中 并获得精确的杂质分布形状 dopingprofile MOSFET 阱 栅 源 漏 沟道等BJT 基极 发射极 集电极等 掺杂应用 pwell 掺杂工艺 热扩散法掺杂 diffusion 离子注入法掺杂 ionimplant 3 掺杂过程 气 固相扩散 离子注入 或 预淀积控制剂量 恒定剂量推进退火 4 4 1扩散现象扩散模型 扩散是一种物理想象 是因为分子受到热运动的驱动而使物质由浓度高的地方移向浓度低的地方 扩散可以发生在任何时间和任何地方 如香水在空气中扩散 糖 盐在溶液中扩散 扩散的发生需要的条件 浓度差 5 1 热扩散法掺杂 热扩散是最早使用也是最简单的掺杂工艺 主要用于Si工艺 利用原子在高温下的扩散运动 使杂质原子从浓度很高的杂质源向硅中扩散并形成一定的分布 6 氧化扩散炉 7 扩散炉中的硅片 用装片机将硅片装载到石英舟上 8 热扩散步骤 热扩散通常分三个步骤进行 预淀积 predeposition 也称预扩散 推进 drivein 也称主扩散 激活 activation 9 预淀积 预扩散 预淀积 温度低 炉温通常设为800到1100 时间短 因而扩散的很浅 可以认为杂质淀积在一薄层内 目的是为了控制杂质总量即形成一层较薄但具有较高浓度的杂质层 预淀积为整个扩散过程建立了浓度梯度 表面的杂质浓度最高 并随着深度的增加而减小 从而形成梯度 在扩散过程中 硅片表面杂质浓度始终不变 因此这是一种恒定表面源的扩散过程 10 推进 主扩散 推进是利用预淀积所形成的表面杂质层做杂质源 在高温下 炉温在1000到1250 将这层杂质向硅体内扩散 目的为了控制表面浓度和扩散深度 通常推进的时间较长 推进是限定表面源扩散过程 11 激活 稍微升高温度 使杂质原子与晶格中的硅原子键合 此过程激活了杂质原子 改变了硅的电导率 12 二维扩散 横向扩散 一般横向扩散 0 75 0 85 Xj Xj纵向结深 13 横向扩散 14 a 间隙式扩散 interstitial b 替位式扩 substitutional 间隙式杂质 O Au Fe Cu Ni Zn Mg int 0 6 1 2eV 替代式杂质P B As Al Ga Sb Ge int 3 4eV 2扩散原理及模型2 1扩散分类 15 替位式扩散 杂质离子占据硅原子的位置 族元素一般要在很高的温度 950 1280 下进行磷 硼 砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩散系数 可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层慢扩散杂质 间隙式扩散 杂质离子位于晶格间隙 Na K Fe Cu Au等元素扩散系数要比替位式扩散大6 7个数量级间隙式扩散原子的激活能量要比替位扩散小快扩散杂质 16 半导体中的扩散工艺是利用固体中的扩散现象 将一定种类和一定数量的杂质掺入到半导体中去 以改变半导体的电学性质 2 2扩散模型 17 1 恒定表面源扩散 恒定源扩散过程实际是预淀积过程2 有限源扩散 有限表面源扩散实际上是杂质的再分布 驱入 18 19 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 1 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 特点 表面浓度始终保持不变 20 2 恒定表面源扩散 表面杂质浓度恒定为Cs 边界条件 C x 0 0 x 0C 0 t CsC t 0 实际工艺中 这种工艺称作 预淀积扩散 即气相中有无限量的杂质存在 可以保证在扩散表面的杂质浓度恒定 解方程 得恒定扩散方程的表达式 C x t 为某处t时的杂质浓度Cs为表面杂质浓度 取决于某种杂质在硅中的最大固溶度 erfc称作 余误差函数 21 erfc x ComplementaryErrorFunction 1 erf x 余误差函数性质 对于x 1 对于x 1 22 称为特征扩散长度 1 掺杂总量为 A和Cs CB有关D与温度T是指数关系 因此T对结深的影响要较t大许多 2 扩散结深为xj 则 23 3 杂质浓度梯度 梯度受到Cs t和D 即T 的影响 改变其中的某个量 可以改变梯度 如增加Cs As 在p n结处 CB和Cs一定时 xj越深 结处的梯度越小 24 表面杂质浓度不变扩散时间越长 杂质扩散距离越深 进入衬底的杂质总量越多 杂质分布满足余误差函数分布 t1t2t3 t1 t2 t3 恒定表面源扩散的主要特点 25 固溶度 solidsolubility 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 固溶度 热力学最大浓度超过电固溶度的杂质可能形成电中性的聚合物 对掺杂区的自由载流子不贡献 恒定表面源的扩散 其表面杂质浓度Cs基本由杂质在扩散温度 900 1200 C 下的固溶度决定 而固溶度随温度变化不大 26 扩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 杂质来自扩散前表面淀积的一薄层中的杂质原子 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 2 有限表面源扩散 27 3 有限表面源扩散 表面杂质总量恒定为QT 在整个扩散过程中 预淀积的扩散杂质总量作为扩散的杂质源 不再有新源补充 如先期的预淀积扩散或者离子注入一定量的杂质 随后进行推进退火时发生的高温下扩散 初始条件 边界条件 得到高斯分布 28 2 扩散结深 1 表面浓度Cs随时间而减少 3 浓度梯度 在p n结处 浓度梯度随着扩散深度 结深 增加而下降 A随时间变化 29 杂质总量保持不变扩散时间越长 扩散越深 表面浓度越低 扩散时间相同时 扩散温度越高 表面浓度下降越多杂质分布满足高斯函数分布 有限表面源扩散的主要特点 30 余误差函数分布 erfc 表面浓度恒定杂质总量增加扩散深度增加 关键参数Cs 表面浓度 xj 结深 Rs 薄层电阻 31 二步扩散 第一步为恒定表面源扩散 称为预沉积或预扩散 控制掺入的杂质总量 第二步为有限表面源扩散 称为主扩散或再分布 控制扩散深度和表面浓度 32 一 液态源扩散二 固态源扩散 4 3扩散方法 33 一 液态源扩散 液态源扩散是指杂质源为液态 保护性气体把杂质源蒸汽携带入石英管内 杂质在高温下分解 并与衬底表面的硅原子发生反应释放出杂质原子 然后以原子的形式进入硅片内部 从而形成PN结 34 35 杂质源为硼酸三甲酯 硼酸三丙酯 三溴化硼硼酸三甲酯在500 以上分解B OCH3 3 B2O3 CO2 H2O 三氧化二硼在900 左右与硅反应生成硼原子 淀积在硅片表面2B2O3 3Si 3SiO2 4B 1 液态源硼扩散 36 液态源扩散 常用POCl3 在氮气携带下 加入少量氧气 把杂质源通入石英管内 4POCl3 3O2 2P2O5 6Cl22P2O5 5Si 5SiO2 4P 2 液态源磷扩散 37 二 固态源扩散 38 4 3扩散层参数测量 扩散参数测量主要指扩散薄层电阻 扩散结深的测量 1 方块电阻定义 如果扩散薄层为一正方形 其长度 边长 都等于L 厚度就是扩散薄层的深度 结深 在单位方块中 电流从一侧面流向另一侧面所呈现的电阻值 就称为薄层电阻 又称方块电阻 单位是 4 3 1扩散薄层电阻 又称方块电阻 数值反应出硅中所掺杂质总量 故扩散结束后要测量此参数 39 指一个正方形的薄膜导电材料边到边 之 间的电阻 如图所示 根据R L S 得RS L Lxj xj 方块电阻与方块的尺寸无关 仅与扩散结深 扩散薄层的深度 扩散形成的pn结的深度 xj及杂质浓度有关 40 2 物理意义薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量q电荷 载流子迁移率 n载流子浓度假定杂质全部电离载流子浓度 杂质浓度n N则 Q 从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量 方块电阻越小 掺杂的杂质总量越大 方块电阻越大 掺杂的杂质总量越小 41 2 方块电阻测量 四探针法测量原理图 当 四根金属探针排成一直线时 并以一定压力压在半导体材料上 在 两处探针间通过电流I 称为电流探针 由稳压电源供电 2和3称为电位探针 测量这两个探针之间的电位差 一般用四探针法测出方块电阻Rs sheetResistance 通过它可判断扩散浓度的大小 42 材料电阻 式中 S1 S2 S3分别为探针 与 与 与 之间距 用cm为单位时的值若电流取I C时 则R V 可由数字电压表直接读出 探针系数 可由表查得 1 2 43 1 结深的定义xj 当x xj处Cnx 扩散杂质浓度 Cb 本体浓度 4 3 2结深 xj 计算和测量 扩散结深是一个重要指标 可以计算 也可以测量 44 2 结深的计算 决定扩散结深的因素共有4个 1 衬底杂质浓度NB2 表面杂质浓度Ns3 扩散时间t4 扩散系数DD与T有关 T上升10 CD上升1倍 恒定源扩散 有限源扩散 45 扩散常用杂质源 46 扩散制程的缺点 它不能很好的控制掺