第2章 IC工艺扩散掺杂技术

1、 Si双极双极npn晶体管芯片的工艺流程晶体管芯片的工艺流程 1、衬底制备，2、外延生长， 3、一次氧化，4、一次光刻， 5、基区扩散，6、二次氧化， 7、二次光刻，8、发射区扩散， 9、三次氧化，10、三次光刻， 11、金属镀膜，12、反刻金属膜 13、背面镀膜，14、合金化 E B C n+ p n n+ Implant Diffusion Test/Sort Etch Polish Photo Completed wafer Unpatterned wafer Wafer start Thin Films Wafer fabrication (front-end) Hard mask (

2、oxide or nitride) Anneal after implant Photoresist mask 局域掺杂和热处理技术局域掺杂和热处理技术 （p。37） 第二章：扩散掺杂技术第二章：扩散掺杂技术 第三章：热氧化技术第三章：热氧化技术 第四章：离子注入技术第四章：离子注入技术 第五章：快速热处理技术第五章：快速热处理技术 第二章：扩散掺杂技术第二章：扩散掺杂技术 B P 基本内容! 1) 杂质在材料中的扩散机制，和影响扩 散系数的几种因数。 2）常见的几种施主和受主杂质以及一些 金属杂质在Si中的扩散。 3）扩散源和扩散系统。 4）实际的扩散工艺。 5）扩散工艺的质量检控和分析。

3、2.1.晶体中的杂质扩散晶体中的杂质扩散 2.1. 1.基本扩散机理(模型) 1)间隙式扩散 间隙原子从一个间隙 位跳到邻近的间隙位， 造成原子的移动。 如：O、Fe、Au等 2）替位式扩散 杂质原子在晶 格中移动方式是由 一个晶格跳到下一 个晶格。 如：B、P、Au等。 替位式扩散需要杂质 原子的邻近位是一空位（空位交换）；或者， 需要将邻近的替位原子推到邻近的间隙位。 因此，这种扩散机制的扩散速率较慢。 3）其它扩散机制 a）直接交换 b）Kick-out机制 （page 45， Kick-out机制的 扩散速率一般超 过替位式扩散 如：Ni等。 扩散系数的普遍表达式： 通常高阶电荷态的几

4、率很小可以忽略 （P.43、44；Table:3.2, Example: 3.1) 而某一种扩散系数可以表达为： D=D0exp（-ka/kT） 可以得到Arrhenius Plot 多种扩散机制共存情况（p4852） 增强扩散 (P.4849) 各向异性扩散 2.1. 2. 扩散的数学描述（P 4547） 1）Ficks扩散定律（一维）（1855） （物理本质是热力学中的化学势梯度） Ficks First Law 由质量守恒，得 ， 因而， Ficks Second Law x txC DJ , x J t C 2 2 , x txC D t txC 2）两种边界条件 a）恒定表面源浓度

5、即： 可得： 一余误差分布。 其杂质总量为： 0, , 0 tC CtC S Dt x CtxC S 2 erfc, Dt C dx Dt x CdxtxCQ S S 2 2 erfc, 00 b）恒定杂质总量 Q 即： 0 , 0 0, 00 , , 0 dx td tC xC QdxtxC 可得： 为一高斯分布；其表面浓度为： Dt x Dt Q txC 4 exp, 2 Dt Q tCCS , 0 3）结深xj 在PN结的扩散中，衬底材料中已有导电性 相反的杂质，其浓度为Csub。定义导电性转 换处为结深xj ，即 （余误差） （高斯） subj CxC DtAx Dt C C x Dt

6、 C C erfcx j sub S j S sub j ln2 12 2.1. 3. 影响扩散系数的因素 1）晶向：一般情况下D100D111 2）温度： D0为扩散率，E0为激活能； kT E DD 0 0 exp 考题： 1）设计一个实验来测定某杂质在硅中的 扩散率和扩散激活能。 2）在一1100C的硼扩散工艺中，要求 结深为1m，其误差不超过2%。问：1） 若保证温度精确控制下，扩散时间的误 差应低于多少？2）若保证时间精确控制 下，扩散温度的误差应低于多少？（取 A=5，D0= 0.76cm2/s，E0= 3. 46eV） 3）恒定表面源扩散时的CS由什么决定？ 3）高杂质浓度及空位

7、性缺陷的场助增强场助增强扩 散作用（？） 可以有：Deff=2D，（Nni） 2.1. 4. PN结制造中的扩散工艺(p.44-45) 1）目标：有确定的表面浓度CS，有确定的杂 质总量Q，有确定的结深xj。 2）常规工艺：先在恒定表面源的情况下扩散常规工艺：先在恒定表面源的情况下扩散 一短时间一短时间t1，使其在近表面处有一杂质总量，使其在近表面处有一杂质总量 为为Q1的高浓度薄层，这一过程通常在氮气氛的高浓度薄层，这一过程通常在氮气氛 中进行，并被称为中进行，并被称为“预沉积扩散预沉积扩散” (predeposition)；再在除去外部杂质源的情况再在除去外部杂质源的情况 下，在温度稍高的

8、条件下使总量为下，在温度稍高的条件下使总量为Q1的杂质的杂质 继续向内扩散，进行杂质的继续向内扩散，进行杂质的“再分再分 布布”(drive-in)，这一过程通常通常在氧气氛中进在氧气氛中进 行行。 （可否不用氧？实际工艺中还要复杂！）（可否不用氧？实际工艺中还要复杂！） 预扩散时的表面浓预扩散时的表面浓 度由固溶度决定！度由固溶度决定！ 3）再分布后的杂质总量、分布和结深 在无氧气氛时在无氧气氛时， 由于预沉积时间短且温度低，可以认为有 xj1xj2，因而，C（x，t）仍为高斯分布。 有氧时应是什么情况？有氧时应是什么情况？ 22 111 22 1 22 2 2 11 11 2 2 tD t

9、DC tD Q tD Q C tD CQ S S S 在氧气氛中再分布时在氧气氛中再分布时： 1）边界向内移动， 2）杂质在界面分凝。 P型杂质的耗尽和型杂质的耗尽和N型杂质的堆积效应（型杂质的堆积效应（Pile-up） 3）界面空位对扩散系数的影响（p4748） 预淀积和再分布工艺步骤小结预淀积和再分布工艺步骤小结 掺杂工艺与参数变化小结掺杂工艺与参数变化小结 2.2. 实际工艺中的扩散源、扩散方法和应用实际工艺中的扩散源、扩散方法和应用 2.2.1. 杂质源（p6061） 固溶度和扩散系数也是 在工艺中对杂质选择时 应考虑的因素 2.2.2. 液态源 1) B源: (如:硼酸三甲脂) 4B

10、3SiO3SiO2B OHCCOOBO)B(CH 232 223233 2) P源: (三氯氧磷POCl3)(POCl) 25225 252 5253 Cl10O2P5O4PCl 4P5SiO5SiO2P OPPCl35POCl PCl5对Si有 腐蚀作用 2.2.3. 固态源 1) B源: BN 4B3SiO3SiO2B NOB23O4BN 232 2322 与液态源不一样 的是B2O3生在 BN上。 2）P源：P2O5 液态源和固态源都是汽液态源和固态源都是汽固扩散固扩散 2.2.4. 箱法扩散（锑埋层扩散） 埋层扩散的作用： 埋层扩散的基本要求： 高浓度、低扩散系数、低外扩散 闭管扩散：

11、如Ga扩散 4Sb3SiO3SiO2Sb 232 2.2.5. 固固扩散 实现低表面浓度扩散、深结扩散和某些化合物材实现低表面浓度扩散、深结扩散和某些化合物材 料的扩散（见习题）料的扩散（见习题） 1）氧化物源扩散 先在硅表面淀积一层掺杂“SiO2“作为杂质源 2）氧化硅涂源扩散 3）纸片源 2.3. Diffusion in SiO2 1）扩散系数）扩散系数 2）作为选择性扩散的掩蔽膜）作为选择性扩散的掩蔽膜 1000/1/ )( min,2 suboxSiO NdN 2.4. 扩散层的质量分析与检测扩散层的质量分析与检测 陪片评估！陪片评估！ 2.4.1 . 结深结深xj 2/1 1 )(

12、ln2 )1 (2 B S S B j N N A N N erfA DtAx 结论：影响结深的主要因素是温度 结深的测量： 1）单探针（扩展电阻）： 2）染色法： （p5354） 如：CuSO45H2O：48%HF 光照下n区染上铜 工艺中的累积高温过程的扩散 Dt(最终)= Diti NPN中磷扩散时的发射区下陷 氧化和分凝对结深的影响氧化和分凝对结深的影响 2.4.2. 方块电阻方块电阻RS（p5253） jj S xxl l R 一般有： 由于扩散层的杂质分布不均匀，因此： Q为扩入的杂质总量为扩入的杂质总量 Nq Q x q dxxN x q dxxNq x j x j x j j

13、j 0 0 )( )( 1 所以： 测量：四探针法 C为与样品长度、宽度、厚度、探针间距有 关的修正常数。 Qq RS 1 I V CRS Four Point Probe Figure 7.3 Wafer R Voltmeter Constant current source V I s = V I x 2s (ohms-cm) 2.4.3. 杂质分布杂质分布N(x)与表面杂质分布与表面杂质分布NS j x S dxxNq R 0 )( 1 RS、NS、xj三者是相 关的，与分布有关。 方块电阻变化方块电阻变化方块电阻不变化方块电阻不变化 实际工艺中对实际工艺中对RS、NS、xj的调控原理？

14、的调控原理？ 测量： 1）单探针： Rsp ES r Probes Direction of measurements Beveled surface t Rsp = 4r (ohms) B P 2) C-V法: (p55) 是对扩散层测量吗是对扩散层测量吗? 2 2 3 )()(8 )( dV zdC qA VV zN bi sub sub bi NqA VV VC 22 )(2 )( 1 sub bi NqA VV C 22 )(21 3）SIMS：(Secondary Ion Mass Spectroscopy) Ion beam Sputtered atoms and molecule

15、s O、Cs 质谱仪 2.4.4. 扩散工艺对扩散工艺对PN结击穿电压的影响结击穿电压的影响 1）软击穿： 结边缘沾污“并联电阻”漏电 2）“靠背椅”击穿：表面沟道漏电 3）分段击穿：局部穿通 4）低压（硬）击穿：大面积穿 通 5）二次击穿：局部热击穿 实际上：预扩散后表面仍有一氧化层，要去掉！实际上：预扩散后表面仍有一氧化层，要去掉！ 2.4.4. 扩散工艺对扩散工艺对PN结击穿电压的影响结击穿电压的影响 1）软击穿： 结边缘沾污“并联电阻”漏电 2）“靠背椅”击穿：表面沟道漏电 3）分段击穿：局部穿通 4）低压（硬）击穿：大面积穿通 5）二次击穿：热击穿 2.4.5. 横向扩散横向扩散 2

16、.4.6. 应用实例应用实例 1)硼预扩散Si （111） 条件：T=950C；t=25min； 衬底浓度=5cm。 求：NB，NS1，xj，Q，VB，RS。 解：NB？ NS1？ （Page 27，图1-3-11） 11015cm-3 （Page 18，图1-2-12）1.51020cm-3 VB=？ 300V xj=？ D=41015cm2/s，A=6.3，xj=0.154m Q=? 214 00 1015. 42 2 erfc, cm Dt N dx Dt x NdxtxNQ S S RS？ Qq RS 1 6 .37 2)硼的再分布 条件：T=1100C； t=5（干）45（湿）5（干

17、O2） 求：NS2，xj， Dt Q tNN S , 0 318 101 . 9 cm P60中的一句话 Heater 1 Heater 2 Heater 3 Pressure controller Gas flow controller Wafer handler controller Boat loader Exhaust controller Temperature controller Microcontroller Wafer load/unload system Boat motor drive system Quartz boat Quartz process chamber T

18、hree-zone heater Gas panel Process gas cylinder Exhaust 关于SUPREM III You should have understood: 1）杂质扩散有多种机制，有时会是几种机制共存。即 使对于同一种杂质和衬底材料，扩散机制也可能受温度 （？）、杂质浓度（？） 、外界气氛（？）等因素的影 响。 2）扩散工艺的目标：确定的表面浓度？、结深？和分 布？ 3）两种扩散方法（Pre-deposition和Drive-in）的特点； 实验控制原理；通常的实际工艺情况（氧、增强扩散、 横向扩散）和对结果的影响； 4）完整的工艺流程图完整的工艺流程图 eff kT E DeDD a 0 5）杂质源、扩散方式和设备。（固态源=固相扩散？） 6）扩散结果的测试的主要物理内容、方法和方法的特 点。 7）扩散质量对PN Junction的IV特性的影响。 8）为什么有些IC工艺书不介绍扩散工艺？ Assignment :(8分分) 画出一个典型的两步扩散工艺的流程图，画出一个典型的两步扩散工艺的流程图， 并给出工艺目标；给你在出每个步骤所选用的并给出工艺目标；给你在出每个步骤所选用的 工艺技术和检测技术。工艺技术和检测技术。 工艺目标设计工艺目标设计 预扩散预扩散 陪片检测陪片检测 再分布再分布 陪片测陪片测 试试