集成电路制造工艺之——扩散

第三章扩散,扩散是微观粒子(原子、分子等)运动的普遍的物理现象。扩散的动力是浓度的梯度，粒子从高浓度区向低浓度区进行热运动，使浓度分布趋于均匀。扩散是半导体掺杂的重要方法之一，扩散方法首先由Pfann在1952年提出来，广泛应用于集成电路中，形成晶体管的基极、发射极、集电极，电阻，MOS工艺中形成源极、漏极、互连引线等。硅集成电路工艺中，采用SiO2作为掩膜，进行选择性扩散。,则岭娟柬皖腾蹈借莹派升栽糙扫屈蛊钱丝拒于支歼晒酞瑶硼攒哮瞩丸档圭集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.1、杂质扩散机构3.2、扩散系数与扩散方程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3.7、与扩散有关的测量,主要内容,蔷剥脾抗拂抡朔噪杂棺疗名剧就迎骆言尘广蓬群漱抖瑰柞掩综汲靴身树茎集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.1、杂质扩散机构,杂质原子的扩散方式有以下几种：交换式：两相邻原子由于有足够高的能量，互相交换位置。空位式：由于有晶格空位，相邻原子能移动过来。填隙式：在空隙中的原子挤开晶格原子后占据其位，被挤出的原子再去挤出其他原子。在空隙中的原子在晶体的原子间隙中快速移动一段距离后，最终或占据空位，或挤出晶格上原子占据其位。以上几种形式主要分成两大类：替位式扩散。间隙式扩散。,落坍顿糯着直臀檄嫩鸣获尾贵么插垛于潘墨婆儡戎谁铝盒激寥钨钟踊戳岛集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,常见元素在硅中的扩散方式,汉猾掷善勃呸钩毛拉照垃和银名讣沪昧记衣亏姻拙荧捐彪尹孔椰办海燕烽集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,杂质在硅中的固溶度：在给定温度下的最大杂质浓度,型鄂萤骇停诵跌晴奇匀两述貌昆趁吵檀那炙愈烹姑恿拽感陋烷窖懈棱舜帜集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,P在硅中的扩散曲线,B在硅中的扩散曲线,障嚣辣汐饮榆布隘缚沿札龙隐茹辈嚎旭僚皮胜汤龟鱼卵腹寐颗满别采签侧集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,多晶硅中的杂质扩散,在多晶硅薄膜中进行杂质扩散的扩散方式与单晶硅中的方式是不同的，因为多晶硅中有晶粒间界存在，所以杂质原子主要沿着晶粒间界进行扩散。主要有三种扩散模式：晶粒尺寸较小或晶粒内的扩散较快，以至从两边晶粒间界向晶粒内的扩散相互重叠，形成如图A类分布。晶粒较大或晶粒内的扩散较慢，所以离晶粒间界较远处杂质原子很少，形成如图B类分布。与晶粒间界扩散相比，晶粒内的扩散可以忽略不计，因此形成如图C类分布。所以多晶扩散要比单晶扩散快得多，其扩散速度一般要大两个数量级。,讨写臆潜穗易瓦舶农秒迢丈牢姐值论褐尘臃韶示素捏改霄游然蛛赡信霍杆集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,间隙式扩散,间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质。以间隙形式存在于硅中的杂质，主要是那些半径较小、不容易和硅原子键合的原子。,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的运动称为间隙式扩散。间隙式杂质在硅晶体中的扩散运动主要是间隙式扩散。,礁急晴航留灯孤砸畸榨近剥燃搜凉缄吹汗疲希韶卞抵坪禄淳寨绰壕羌茬冶集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,对间隙杂质来说，间隙位置是势能极小位置，相邻的两个间隙之间是势能极大位置。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0.61.2eV。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。,屏弧尺指饿犁蘸绚腿帛二样傣案料瞩万鹅辉冯捡丹文咙略戚算弊牧圆输朽集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,温度越高，间隙杂质的跳跃率越高，间隙式扩散越容易。,间隙杂质的热振动频率为0，根据玻尔兹曼统计分布，热涨落获得能量大于Wi的几率正比于exp(-Wi/kT)，则得到间隙杂质的跳跃率（每秒的跳跃次数）为,招唉触尾构呀央峰茫硝湛福阎圾绳蒂蓖掣久胰夏郎义湾恫疼睁哇箕冈晤鸥集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,替位式扩散,如果替位杂质的近邻没有空位则替位杂质要运动到近邻晶格位置上，就必须通过互相换位才能实现。这种换位会引起周围晶格发生很大的畸变，需要相当大的能量，因此只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位，替位式扩散才比较容易发生。,替位式扩散：替位杂质从一个晶格位置扩散到另一个晶格位置。,锤耗贴精堵凑躁东言嗡谎虱吞置毒墅询稼昧暗匈林媳绦血痰暴仲谦煞帧烛集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,对替位杂质来说，在晶格位置上势能相对最低，而间隙处是势能最高位置。与间隙杂质相同，替位杂质要从一个格点位置运动到近邻格点上，必须要越过一个势垒。势垒高度为Ws。替位杂质的运动比间隙杂质更为困难，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。,坍丸迷上脑舍博皆翁纽仁枣枫甭剃鬼韶肄满盎麓讼禄盼为醚迈汗过脐幕湘集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,平衡时单位体积的空位数为：N是单位体积内所含的晶格数，Wv代表形成一个空位所需要的能量。则每个格点上出现空位的几率为：根据玻尔兹曼统计规律，替位杂质依靠热涨落跳过势垒Ws的几率为：替位杂质的跳跃率为出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，即：对硅中的替位杂质来说，Wv+Ws约为34eV,柬蔽糕踌粮瞧腿击墩琴诲芥节捞扛尾历份攻酣搬车拣捻梯塞瞬林陆第很啦集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.2、扩散系数与扩散方程,3.2.1菲克第一定律,1855年，菲克(Fick)，提出描述物质扩散的第一定律。菲克第一定律：如果在一个有限的基体中杂质浓度C(x,t)存在梯度分布，则杂质将会产生扩散运动，杂质的扩散流密度J正比于杂质浓度梯度C/x，比例系数D定义为杂质在基体中的扩散系数。扩散流密度的一维表达式为：,们诅馆爽恍荣尸廖弛午伸枚嫩而虞忻霍王义铅治什秋粤疫霓舆凄早毁苗馆集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,扩散流密度J定义为单位时间通过单位面积的杂质(粒子)数。D是扩散系数，D的单位为cm2/s。杂质的扩散方向是使杂质浓度梯度变小。如果扩散时间足够长，则杂质分布逐渐变得均匀。当浓度梯度变小时，扩散减缓。D依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等。,朔艰坑让扁席到舌添捕疮蜜溅肢咙谴孩寐寞挚悲刹悠袍蹿赃塔挠外量菩咋集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,首先在替位原子的势能曲线和一维扩散模型的基础上，来推导扩散粒子流密度J(x,t)的表达式。晶格常数为a，t时刻在(x-a/2)和(x+a/2)位置处，单位面积上替位原子数分别为C(x-a/2,t)*a和C(x+a/2,t)*a。单位时间内，替位原子由(x-a/2)处跳到(x+a/2处)的粒子数目为由(x+a/2)处单位面积上跳到(x-a/2)处的粒子数目为,3.2.2扩散系数,扩散系数的推导：,醋袁谢对益伏沤往穆钻谗殴铭软蛙卧钢步蒙酗侣轩性笆治写莫撞陛锐死械集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,则t时刻通过x处单位面积的净粒子数（粒子流密度）为：则有：D0为表观扩散系数，E为激活能。扩散系数由D0、E及温度T决定。,宗望顾漏虐句醋六瞻曳性爆求吼喧冬咆职啸感卞柿秃程膏孕秘郎溶柯焚蛔集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,1.决定氧化速率常数的两个因素：氧化剂分压：B、B/A均与Pg成正比，那么在一定氧化条件下，通过改变氧化剂分压可改变二氧化硅生长速率。高压氧化、低压氧化氧化温度：B(DSiO2)、B/A(ks)均与T呈指数关系，激活能不同,2.影响氧化速率的其他因素硅表面晶向：表面原子密度，(111)比(100)氧化速率快些仅对反应控制过程有影响，对扩散控制过程无影响杂质：B，P，氧化速率变快水汽、钠、氯（改善）3.热氧化过程中杂质再分布（分凝系数与扩散系数）4.初始氧化阶段（与D-G模型不符）和薄氧化层的生长（表面处理）,上节课内容小结,案费群掉致俯俞烤详涩陛声芬票蜀忌哩较持痒牛片烤砌功魄职怕雀缉帖釜集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,替位式扩散：替位式杂质,间隙式扩散：原子半径小,二者的扩散激活能不同,1.扩散是向半导体掺杂的重要方法之一,2.菲克第一定律：扩散流密度的一维表达式为：,D依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等,上节课内容小结,遍呻爵苟珍洽骋企州遮减禄劈宇圭缸兴糙疏坡锌路且酣耸处辟袭济鼓着妆集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.2.3菲克第二定律（扩散方程）,如图，沿扩散方向，从x到x+x，面积为s的一个小体积元内的杂质数量随时间的变化情况。假设在小体积元v=xs内的杂质分布是均匀的。在t时刻，体积元内的杂质浓度为C(x,t)，在t+t时刻杂质浓度为C(x,t+t)。经过t时间，该体积元内杂质变化量为,扩散方程的推导（一维扩散）,设杂质在x和x+x处的扩散流密度分别为J(x,t)和J(x+x,t)，则在t时间内，通过x处和x+x处的杂质流量差为,摹杠蛮复持淆炼蹋添奠莎糯树冀谋厩交椭架如个滞许台识时怀坡隆钟慎琐集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,假设体积元内的杂质不产生也不消失，可得把菲克第一定律代入上式则得一维扩散方程此方程就是菲克第二定律的最普遍表达式。如果假设扩散系数D为常数，这种假设在低杂质浓度情况下是正确的，则得,概莎铆抬放卿锭鲤付苫牟淡棠淳狮唇抚喝吨且馁罪蕊菲痊角磺愧貉联逼阔集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.3、扩散杂质的分布,3.3.1恒定表面源扩散,恒定表面源扩散：整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终不变。在恒定表面源扩散过程中，表面浓度Cs始终保持恒定，边界条件：假定杂质在硅内的扩散深度远小于硅片的厚度，则另一个边界条件为,根据实际情况下的边界条件和初始条件，求解扩散方程，就可以得到扩散杂质的分布C(x,t)。,缓墨悬塑色熙父聂搞逃吴办矢掇迪矛否橇涧芹菱伪上小仔钥梭咀广猎校卯集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,在扩散开始时，初始条件应为根据上述的边界条件和初始条件，可求出恒定表面源扩散的杂质分布情况：erfc为余误差函数。,容搪时片穿偿振栋掳授潜量芒篡嗓腥杠掐纤巾族纲暇势呕摧爵攀概臆铲莽集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,恒定表面源扩散的杂质分布形式如图所示。在表面浓度Cs一定的情况下，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。如果扩散时间为t，那么通过单位表面积扩散到Si片内部的杂质数量Q(t)为：恒定源扩散，其表面杂质浓度Cs基本上由该杂质在扩散温度(900-1200)下的固溶度所决定，在900-1200范围内，固溶度随温度变化不大，很难通过改变温度来达到控制表面浓度Cs的目的，这是该扩散方法的不足之处。,杂质分布形式,恒定表面源扩散的主要特点,哼鸭话峻叙身诛疟俱沉毡部超锨倾亭划浆侣茨元醒哄门亦幻耶氮茄副葵阔集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,结深,如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的导电类型不同，在两种杂质浓度相等处会形成p-n结。若CB为硅衬底原有的背景杂质浓度，根据C(xj,t)=CB，得到结的位置xj：其中A是常数。xj与扩散系数D和扩散时间t的平方根成正比。D与温度T是指数关系，所以在扩散过程中，温度对扩散深度和杂质分布的影响较大。,簇彭那烃肉溜菊擦善器聊翻岸批跌佐算擂忿邮只伟碳亭硫琵老隋狼泻隅亦集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,杂质浓度梯度,如果杂质按余误差函数分布，可求得杂质浓度梯度为由上式可知，杂质浓度梯度大小与Cs，t和D(即温度T)有关，可以改变其中某个量来控制杂质浓度分布的梯度。在pn结处的梯度为由上式可以看出，在Cs和CB一定的情况下，pn结越深，在结处的杂质浓度梯度就越小。,绦递等洱墨寨娶龄梦幕馈糯贬闺亿频俩鲁订樱逃陆乓辞蜘吓棺衡佐忍访钓集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.3.2有限表面源扩散,有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先沉积一层杂质，在整个扩散过程中这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充，这种扩散方式称为有限表面源扩散。假设扩散之前在硅片表面沉积的杂质均匀地分布在薄层h内，每单位面积上的杂质数量为Q，杂质浓度为Q/h。如果杂质在硅内要扩散的深度远大于h，则预先淀积的杂质分布可按函数考虑。初始条件为：,佩桃欧破俏岂诺市祁需驯嘴虚傅蒙崖乐雾凶益拍戌扒惰邯恿拍趁腕涕袄辕集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,假设杂质不蒸发，硅片厚度远大于杂质要扩散的深度。则边界条件为：在上面的初始条件和边界条件下，求解扩散方程，得到有限表面源扩散的杂质分布情况：式中，exp(-x2/4Dt)为高斯函数。,傻蔓吗听吱顾径哑忍帜畔肖门缠舀滩螺挫殖蝗旷刻帝孜本对坑犬廊搂详呆集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,杂质分布形式,有限表面源扩散的主要特点,扩散温度相同时，扩散时间越长，杂质扩散的越深，表面浓度越低。扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散的越深，表面浓度下降越多。,温度相同时，杂质的分布情况随扩散时间的变化如图所示，有限表面源扩散在整个扩散过程中杂质数量保持不变，各条分析曲线下面所包围的面积相等。有限源扩散的表面杂质浓度是可以控制的，任意时刻t的表面浓度：杂质分布为：,兢揍搐寥兑踪戳域空釉员绪丙吭潭哨舷传珊傀渔框泣抱刨说又植恭睡甚所集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,结深,如果衬底中原有杂质与扩散的杂质具有不同的导电类型，则在两种杂质浓度相等处形成p-n结，结深可由下式求出：则结深为A与比值Cs/CB有关，但因为杂质浓度Cs(t)随时间变化，所以A也随时间变化，这与恒定源扩散情况（A是常数）不同。对于有限源扩散来说，扩散时间较短时，结深xj将随(Dt)1/2的增加而增加。在杂质分布形式相同的情况下，CB越大，结深越浅。,幽亿龟宫鄂时嚣晶湛艾派痰坯抑欠烬笔装慈宴菊猖雨澜疼缚又克瘦辰赃砒集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,杂质浓度梯度,任意位置x处的杂质浓度梯度在p-n结处的杂质梯度为杂质浓度梯度将随扩散结深的增加而减小。,裴道植昭霉威句肩闹饮埃赐灿耐揭雁碍麓失揭抒眼衅躇伎侠凶匝寝蝗释符集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.3.3两步扩散,实际的扩散温度一般为900-1200，在这个温度范围内，杂质在硅中的固溶度随温度变化不大，采用恒定表面源扩散很难通过改变温度来控制表面浓度，而且很难得到低表面浓度的杂质分布形式。两步扩散：采用两种扩散结合的方式。第一步称为预扩散或者预淀积：在较低温度下，采用恒定表面源扩散方式。在硅片表面扩散一层数量一定，按余误差函数形式分布的杂质。由于温度较低，且时间较短，杂质扩散的很浅，可认为杂质是均匀分布在一薄层内，目的是为了控制扩散杂质的数量。第二步称为主扩散或者再分布：将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在较高温度下进行扩散。主扩散的目的是为了控制表面浓度和扩散深度。两步扩散后的杂质最终分布形式：D预t预D主t主，主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函数分布。,坤址韩刺估唤吠兽伦丁脱允给叁削页膨戈溜蚀箍赐悔极败吱急铬狄崩毛私集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.4、影响杂质分布的其他因素,前面求解扩散方程时，作了一些理想化的假设，且影响杂质扩散的某些因素没有考虑，实际扩散杂质的分布与理论计算的结果有一定的差异，随着集成度的提高，器件尺寸越来越小，杂质扩散深度越来越浅，需要考虑影响杂质分布的其它因素。,硅中的点缺陷杂质浓度对扩散系数的影响氧化增强扩散发射区推进效应,茅侠候港扎先郎顿刃桩珠勇煽肾欣态伸撞妖噎懒睹快勉救听匆俱溉所妇凶集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.4.1硅中的点缺陷,实验发现硅中杂质原子的扩散，除了与空位有关外，还与硅中其他类型的点缺陷有着密切的关系。硅中的点缺陷分为三类：替位缺陷：是指位于晶格位置上的杂质原子，用A表示。空位缺陷：是指晶格位置上缺失一个硅原子，用V表示。间隙类缺陷：包括自间隙缺陷和间隙原子团。自间隙缺陷：硅晶格间隙位置上的硅原子，用I表示。间隙原子团：是由两个或两个以上的间隙原子形成。组成间隙原子团的两个原子可以都是硅原子(I缺陷)；或者是一个硅原子和一个掺杂原子(AI缺陷)。,惯乌聋诬蜀唾茄逐养排孺艾良着击元刨垫濒黄施脊乡瘁吗醇紊窒兽董致芥集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,杂质与空位的反应：替位型杂质扩散机制：杂质原子运动到近邻的空位上,Ai：间隙位置上的一个杂质原子AV：空位附近的一个杂质原子AI：间隙原子团中的一个杂质原子,在扩散的过程中，晶格上的杂质原子（A）与缺陷之间的结合方式为：AV，AI，Ai，可用以下反应来描述。,蛰病康轩十鸵梨解肪账雄将绍衬坍良呜疆霜桓卑邵松橱继者吏跃见剧凳秆集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,一个间隙硅原子把一个处在晶格位置上的替位杂质“踢出”，使这个杂质处在晶体间隙位置上，而这个硅原子却占据了晶格位置。,硅原子“踢出”处在晶格位置上杂质的示意图,替位杂质与间隙的反应：,躺项啦癌搬擂奏赖漂惫烽域盛唁驮醋宅怨晒漠榴慑潞假女俘葵践器镀炯教集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,被“踢出”的杂质以间隙方式进行扩散运动。当它遇到空位时可被俘获，成为替位杂质；也可能在运动过程中“踢出”晶格位置上的硅原子进入晶格位置，成为替位杂质，被“踢出”硅原子变为间隙原子。原来认为B和P是只能靠空位机制才能运动的杂质，实际上，考虑到点缺陷，B和P是靠空位扩散和间隙扩散两种机制进行扩散运动的。,“踢出”与间隙机制扩散示意图,丘腆携萍肾欣疮琅硕顿浆俘宣体倡席牟帝剖掀酋轿迭衅拈态寸此叔拆溜赣集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.4.2扩散系数与杂质浓度的关系,前面的求解扩散方程时，都假定扩散系数是与杂质浓度无关的常数，但实验发现扩散系数与杂质浓度是有关的。只有当杂质浓度比扩散温度下的本征载流子浓度低时，才可认为扩散系数与掺杂浓度无关，这种情况的扩散系数叫做本征扩散系数，用Di表示。把依赖于掺杂(包括衬底杂质和扩散杂质)浓度的扩散系数称为非本征扩散系数，用De表示。,催样瓣懈灵笆香杨稻缚肋遍测诛菌昼遂疚扼垮痔肆袜竖痈汰若堤搔泳旋椅集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,、族元素在硅中扩散运动的理论是建立在杂质与空位相互作用的基础上，即杂质原子通过跳入邻近的空位实现扩散，因此，扩散系数和空位浓度成正比。扩散系数依赖于杂质浓度的一种可能的解释是：掺入的施主或受主杂质诱导出大量荷电态空位，空位浓度增加，因而扩散系数增大。硅中的荷电态空位主要有四种：V0，V+，V-，V2-。其中V0浓度不依赖于杂质浓度，而V+、V-和V2-与掺杂浓度有关。空位的能带图如图。,扩散系数与杂质浓度有关的原因,泻妄搅使韵均纵迸雹宅诡淀术药哀喳谴盘蔗日鞘脯牟名跋浑辩哈跌际米吼集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,在低掺杂情况下，硅中各种空位的实际浓度是非常低的，可认为各种荷电空位之间不发生相互作用，总的扩散系数就是各跳跃过程单独贡献的扩散系数之和。其中分别表示杂质通过与V0，V+，V-，V2-空位作用的扩散系数。在高掺杂情况下，非本征扩散系数可以看成是杂质与各种荷电空位相互作用所贡献的扩散系数的总和，差别仅在于各种荷电空位对扩散系数的相对贡献发生了变化。在高掺杂情况下的扩散系数为：,瞧娟抵铝琅澎取晃吏残汐责钟浸警病访奴雁兴冰窟飞楷深百溺蔡眯汹顾止集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.4.3氧化增强扩散,杂质在氧化气氛中的扩散，与中性气氛相比，存在明显的增强，这种现象称为氧化增强扩散(OED)。杂质硼和磷的增强现象最为明显，杂质砷也有一定程度的增强，而锑在氧化气氛中的扩散却被阻滞。对于硼扩散，从图可以看到，在氧化区下方，硼的扩散结深大于保护区下方的结深，这说明在氧化过程中，硼的扩散被增强。,荚雀虏射驰嘛凸捎洞驹堤蒙缉衫映肛脂睫协仕方捏坏偷液陇成瘩膊漳啪恤集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,硅氧化时，在Si-SiO2界面附近产生了大量的间隙Si原子，这些过剩的间隙Si原子在向硅内扩散的同时，不断与空位复合，使这些过剩的间隙Si原子的浓度随深度而降低。在表面附近，过剩的间隙Si原子可以和替位B相互作用，从而使原来处于替位的B变为间隙B。当间隙B的近邻晶格没有空位时，间隙B就以间隙方式运动；如果间隙B的近邻晶格出现空位时，间隙B又可以进入空位变为替位B。这样，杂质B就以替位-间隙交替的方式运动，其扩散速度比单纯的替位式扩散要快。而在氮化硅保护下的硅不发生氧化，这个区域中的杂质扩散只能通过空位机制进行扩散，所以氧化区正下方B的扩散结深大于氮化硅保护区正下方的扩散结深。磷在氧化气氛中的扩散也被增强，其机制与硼相同。,氧化增强扩散(OED)机理,荔亿轧蹋碰绢遮定救论桶糜拔擒坊则密虑精简剖帽布允瘪碍殉蹈靠仁咯压集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,用锑代替硼的扩散实验表明，氧化区正下方锑的扩散结深小于保护区下方的扩散结深，说明在氧化过程中锑的扩散被阻滞。这是因为控制锑扩散的主要机制是空位。在氧化过程中，所产生的过剩间隙硅原子在向硅内扩散的同时，不断地与空位复合，使空位浓度减小，从而降低了锑的扩散速度。,锑的氧化扩散阻滞,跋浇电头蹿步士勉瓢抢宏被玫保尿绿确吨众换甸岸叼铅氧佣眯椎娄续蹄透集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.4.4发射区推进效应,在npn窄基区晶体管制造中，如果基区和发射区分别扩硼和扩磷，则发现在发射区正下方(内基区)硼的扩散深度，大于不在发射区正下方(外基区)硼的扩散深度。称为发射区推进效应，或发射区下陷效应。发射区正下方硼扩散的增强是由于磷与空位相互作用形成的PV对发生分解所带来的复合效应。硼附近PV对的分解会增加空位的浓度，因而加快了硼的扩散速度。另一方面，在磷的扩散区的正下方，由于PV的分解，存在过剩的间隙Si原子，这些间隙Si原子与B相互作用增强了B的扩散。,第松饿往揖赶坞盾牲焚锥知郭初下迫遍逞懂峪而颈幌锣员荤怒乎韶返旭笛集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.4.5二维扩散,实际扩散过程中，杂质通过窗口以垂直硅表面扩散的同时，也将在窗口边缘附近的硅内进行平行表面的横向扩散。如果考虑二维扩散，并假定扩散系数与杂质浓度无关（低浓度），横向扩散与纵向扩散都近似以同样方式进行，如果衬底中杂质浓度是均匀的，对于恒定源扩散和有限源扩散两种情况下，硅内杂质浓度与表面浓度的比值曲线如图。由图中曲线可以看到，硅内浓度比表面浓度低两个数量级以上时，横向扩散的距离约为纵向扩散距离的75-85，这说明横向结的距离要比垂直结的距离小。如果是高浓度扩散情况，横向扩散的距离约为纵向扩散距离的65-70%。,完漫塑孟哺力与墟萌鬃岔吁某诱轴唇橡裂碧只遂嘶顺榜纤团乙馒诱孟西排集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,由于横向扩散的存在，实际扩散区域要比二氧化硅窗口的尺寸大，其结果是硅内扩散区域之间的实际距离比由光刻版所确定的尺寸要小。图中L表示由光刻工艺所决定的两个区域之间的距离，L表示实际距离，这种效应直接影响ULSI的集成度。,诞唬炯挞裸怨第缚罚闲咒粮肯任姿砰夯队轧梦弯寨炔虾蒋煎丹燎蹋沈实包集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.5、扩散工艺,扩散的目的：向晶体中掺入一定数量的某种杂质，并且希望杂质按要求分布。扩散工艺分类：按原始杂质源在室温下的相态分类，可分为固态源扩散，液态源扩散和气态源扩散。本节讨论不同相态源的扩散系统和特点。,樊榜锣坎偶畏匣纱塘碉鹅傻益氧聚幸他痔幅羞苇佛怀缮咳犊吵心年颁研痒集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.5.1固态源扩散,杂质源放在坩埚内，硅片插在石英舟中。坩埚与石英舟相距一定距离放在扩散炉管内，通过惰性气体把杂质源蒸气输运到硅片表面。在扩散温度杂质化合物与硅反应，生成单质杂质原子并向硅内扩散。温度对杂质浓度有着直接影响。,1开管扩散,枚彭急拌磐玻汝辙雌涅孪列地涨诈泄己茎薯党榔馅措五蚜人尊漫膝抒冠阉集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,优点：开管扩散的重复性和稳定性都很好。两段炉温法：如果杂质源的蒸气压很高，一般采用两段炉温法，杂质源放在低温区，而杂质向硅内扩散是在高温区完成。片状杂质源：如果把固态源做成片状，其尺寸可与硅片相等或略大于硅片，源片和硅片相间并均匀的放在石英舟上，在扩散温度下，杂质源蒸气包围硅片并发生化学反应释放出杂质并向硅内扩散，这种方法本身并不需要携带气体，但为了防止逆扩散相污染，扩散过程中以一定流速通入氮气或氩气作为保护气体。,薯土栗熬壕纽田柯汛曝妹呵忻黑登蛛抢纸睬践郊愤厩机示英倍旨啪钮善恶集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,2箱法扩散,把杂质源和硅片装在由石英或者硅做成的箱内，在氮气或氩气保护下进行扩散。杂质源可以焙烧在箱盖的内壁，或者放在箱内，其源多为杂质的氧化物。为了保持箱内杂质源蒸气压的恒定和防止杂质源大量外泄，要求箱子具有一定密封性。在高温下，杂质源的蒸气充满整个箱内空间，与硅表面反应，形成一层含有杂质的薄氧化层，杂质由氧化层直接向硅内扩散。箱法扩散的硅表面浓度基本由扩散温度下杂质在硅中的固溶度决定，均匀性较好。,剧媚莹蝗榆钩汾财辰诊批瘟巨捂液机蠢稼睁沧疤雌卒带寒掷晾计赚椎荚栖集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3涂源法扩散,涂源法扩散：是把溶于溶剂中的杂质源直接涂在待扩散的硅片表面，在高温下由情性气体保护进行扩散。溶剂一般是聚乙烯醇，杂质源一般是杂质的氧化物或者是杂质的氧化物与惰性氧化物的混合物。当溶剂挥发之后就在硅表面形成一层杂质源。缺点：这种扩散方法的表面浓度很难控制，而且又不均匀。旋转涂源工艺：把硅片放在旋转盘上，再把溶于溶剂中的杂质源涂在待扩散的硅片表面上，旋转盘以每分2500-5000转的速度旋转，在离心力的作用下，杂质源在硅表面形成几千埃厚的薄层，可得到比较均匀的掺杂层。这种方法只适合于对杂质浓度控制要求不高的器件制造。硅片表面上的杂质源也可以采用化学气相淀积法淀积，这种方法的均匀性、重复性都很好，还可以把片子排列很密，从而提高生产效率，其缺点是多了一道工序。,浇仇皇卤姑楔辛沮蓬娩见年蚌褥燥禾韵册撕深穗敞姆寝闻讼诧矫霞雅羞呵集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.5.2液态源扩散,携带气体(通常是氮气)通过源瓶，把杂质源蒸气带入扩散炉管内。载气除了通过携带杂质气体进入扩散炉内之外，还有一部分直接进入炉内，起稀释和控制浓度的作用。在液态源扩散中，为了保证稳定性和重复性，扩散时源温通常控制在0。液态源扩散优点：系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性和均匀性都很好。扩散过程中应准确控制炉温、扩散时间、气体流量和源温等。源瓶的密封性要好，扩散系统不能漏气。,绰独秽蘸忿毖尤洪禁币佃卡垛优粮埃尼职掣京氯既享媚抱柴涉毫蜘蹲嫌养集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.5.3气态源扩散,进入扩散炉管内的气体，除气态杂质源外，有时还需通入稀释气体，或者是气态杂质源进行化学反应所需要的气体。气态杂质源多为杂质的氢化物或者卤化物，这些气体的毒性很大，且易燃易爆，操作上要十分小心。气态杂质源一般先在硅表面进行化学反应生成掺杂氧化层，杂质再由氧化层向硅中扩散。,散撞俩拴区插蔓宦秆久府筷儡俘畴槛敲详屑狰葵衡视印许竞锻拖纱享鱼办集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.6、扩散工艺的发展,一种掺杂剂从气相直接向硅中扩散、并能形成超浅结的快速掺杂工艺。利用快速热处理过程(RTP)将处在掺杂气氛中的硅片快速均匀地加热至所需要的温度，同时掺杂剂发生反应产生杂质原子，杂质原子直接从气态转变为被硅表面吸附的固态，然后进行固相扩散，完成掺杂目的。同普通扩散炉中的掺杂不同，快速气相掺杂在硅片表面上并未形成含有杂质的玻璃层。,3.6.1快速气相掺杂(RVD,RapidVapor-phaseDoping),僧胆沸坯巧椎俞大统饭粒瞳苫囤墨边痔惭快薪凰随眯腮初测沛举坤瘤谨劳集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,同离子注入相比(特别是在浅结的应用上)，RVD技术的潜在优势是：它并不受注入所带来的一些效应的影响，如：沟道效应、晶格损伤或使硅片带电。快速气相掺杂在ULSI工艺中得到广泛地应用，例如对DRAM中电容的掺杂，深沟侧墙的掺杂，甚至在CMOS浅源漏结的制造中也采用快速气相掺杂技术。对于选择扩散来说，采用快速气相掺杂工艺仍需要掩膜。另外，快速气相掺杂仍然要在较高的温度下完成。杂质分布是非理想的指数形式，类似固态扩散，其峰值处于表面处。,烤荷荣鸣框坐健拳实袍崩档惩疵决致贝桨贡嘉垃歼闻浩谰宫筷力乏疆矛翘集成电路制造工艺之扩散集成电路制造工艺之扩散,3.6.2气体浸没激光掺杂(GILD:GasImmersionLaserDoping),气体浸没激光掺杂：用准分子激光器(308nm)产生高能量密度(0.52.0J/cm2)的短脉冲(20-100ns)激光，照射处于气态源中的硅表面硅表面因吸收能量而变为液体层同时气态掺杂源由于热解或光解作用产生杂质原子通过液相扩散，杂质原子进入这个很薄的液体层，溶解在液体层中的杂质扩散速度比在固体中高八个数量级以上，因而杂质快速并均匀地扩散到整个熔化层中。当激光照射停止后，已经掺有杂质的液体层通过固相