半导体的高温掺杂精

1、第四章半导体的高温掺杂掺杂热扩做人为地将所需要的杂质以一定的 方式(热扩散、离子注入)掺入 到硅片表面薄层，并使其达到规 定的数量和符合要求的分布形式。 不仅可以制造PN结，还可以制造 电阻.欧姆接触，互连线等。如 图所示。磷(P)、碑(As) N型硅硼(B)P型硅掺杂工艺：热扩散法播杂(diffusion)离离子注入法掺杂(ion implant)44扩散现象扩散模型扩散是一种物理想象，是因为分子受到热迄 动的驰动而使物砒由炊度离的地方砂向 浓度 衣的圾右.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。扩散的我生需耍的条件：浓度差；1.热扩散法掺杂热扩散是最早

2、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护散运动，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。氧化扩散炉0-匸z扩散炉中的硅片用装片机将硅片装载到石英舟上'E热扩散步骤热扩散通常分三个步骡进行：狈 法积（P rede position）也称預护散推进（drive in）也称主护散皺涪（acti vati on ）预淀积（领护散丿预汶积：温度低（炉温通常设为800到 1100-C）,时间短，因而扩散的很浅,可以认为杂质 淀积在一薄层内。目的是再了控制杂质总 即形成一层較誹但具有戦壽滾盛的杂质层。|;|预淀积为整个扩散过程建立了浓度梯度。表面的杂质

3、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 是一种植岌羔面源的扩散过程。推进f主护散丿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12509）将这层杂质向硅体内扩 散。目q为了担:制祝面3«t反和 通常推进的对间莪长，推进是限定表面源!*：扩散过程。NslE严t)仝旷散后的分布0 ?W扩散启K分卅实粹;生产中/采用竝扩孜力法住往昱上述可鮒散 方弍的辂含.激涪稍微升高温度，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。二维护散楫向护敢亘接VLSI更幅iff宴应减也彫用Xj()7

4、5 ().85 Xj二维扩散（構向扩散）一般横向扩散（0.75-0.85）*Xj（Xj纵向结深）跟濮是銅片麺枢域曲询,丽不是 鈔个硅片表面进行确城附瓠实时敵过程卩 撷酬窗口在tj硅表反 扩飾同師也将进行平行硅表而的籲护亂横向扩散2.1扩散分类(a)间隙式扩散(interstitial)(b)替位式扩(substitutional)替代式杂质P, B, As, Al, Ga, Sb, Ge A.,-3-4eV间隙式杂质：O,Au, Fe, Cu, Nh Zn, Mg A", 06-l2 eV2.2扩散模型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

5、体中去，以改 变半导体的电学性质-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珥分布（驱入）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*面颈扩散。特点.表面浓度始终保持不变1:1其扩散后杂质浓度分布为余煤*函数分布杂质分布恒定表面源的扩散1=127757特点：表面浓度始终保持不变，为G 初始条件：t = « ZA 0处C(Z, 0 = 0 边界条件：t»o Z = 0处C(Z, t) = C t»0 Z->oo C(x, t) = 0 解方程，得恒定扩散方程的表达式c(z

6、j)= G*/CZ, t)某处t时，杂质浓度G 表面杂质浓度，取决于某种杂质在硅中的最大固溶度Effc余误差函数Vdz称为特征扩散长度M<farM恒定表面源扩散的主要特点1主要分布形式 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oj 1 cr lAJ*>'rFtrrrJ硅片内部的杂质数量Qt( t)JIQAt)=c(z.t)dz = 2C0j)JO恒定表面源的扩散的表面 杂质浓度G基本由杂质在 扩散温度(900-1200)下 的固溶度决定，而固溶度 随温度变化不大杂质固溶度(dopant solid solubility)固溶度(solid solubilit

7、y):在平衡条件下， 在硅中而不发生反应形成分凝相的垠大浓度。杂质能溶解固溶度一热力学最夭浓度 动力学限制了 电活性掺杂浓度 一电固溶度超过电固熔度的 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2.结深Xj如果扩散杂质与原有杂质的导电类型不同 则在两种杂质浓度相等处形成pn结= AyfDf恒定表面源扩散XjXj = 2yrDterfc A和Cs/C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.有限表面源扩散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。这种类型 的扩散称为*限*面販犷散其扩散后杂质浓度分布

8、为离新函敎分布7有限表面源扩散特点：整个扩散过程杂质总量不变，没有外来 有用杂质的补充，所以杂质来自扩散前表面淀 积的一薄层中的杂质原子。有限表面源扩散住整个扩散过程中，已形成的扩散杂质总量作为扩散的杂质源，不再有新源补充， 其初始条件和边界条件为C(7 t=必 1 L"费克第二定律的解是高斯分布 ')-J兀斗表面浓度1：§随时间而减少_厂“、八_ QtCo C (U, *) 有限表面源扩散的特点1主要分布形式扩散时间越长，杂质扩散距离越深，表面杂质浓度越低 衬底的杂质总量不变表面杂质浓度可以控制表面浓度Cs随扩散时间而减少FkQunCftnG5小爲MVmoa hO

9、B iMed wwv* pUlcd m bnor teak lor IMM» Utmi MM of W (Noto that JvcrMKt u nnitff«Im )2.结深Xj有限表面源扩散Xj可由 q =C(Xj,来定，得Xj = 2Z jinqV nDtHQURE"UAhmw ftm IMMI Mum r*o<tcd on kaw tea* tor hHBM unw* Il M of I：涉 (N«to 1«>»* wotdfm* I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

10、面源扩散（称为主扩散或再分布）控制扩散深度和表面浓度4.3扩散方法 一、液态源扩散二、固态源扩散1¥1液耐故系统支架上斛子q耐量计.菠相亜若M温）g控制池 二二亡、液态源扩散液态M扩散是箱杂质源为液态，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。滋源扩救iS :气体酚瀚丿贽廳蒸气帶入扩散炉管内0 瞻肛是隸胎制頤温勺涮t翎与 S融鼬出杂簸孔赭就胎觥牆产生 杂质的靴制a再与販应馳出邂壬 设备特点:目动腌g髙，杂质藪确， 扩緜统h有髓的瀚結恤碱気气爛 施舟前先经匀廠充分輒肺擾敲軸

11、W-1.液态源硼扩散杂质源为硼酸三甲酯，硼酸三丙酯，三漠化硼 硼酸三甲酯在500 -C以上分解B(OCH3)3 B2O3+CO2+H2O+.n；淀积在硅片表面2B2O3 +3SISIO2+4B三氧化二硼在900 9左右与硅反应生成硼原子,2. 液态源磷扩散液态源扩散常用POC13，在氮气携带下 (加入少量氧气)，把杂质源逋入石英管内 4P OCI3 + 3O2 =2 P2O5 +6CI2 2P2O5 + 5S1 =5S| O2+4P二、固态源扩散齡舟支架上的片子石勒散管 阀和流量计固态源扩散固态iSt麴是碱的氧化物或者舵 胎挤例如 B2O3、P20乂 BNio按扩散翔分有开管扩亂箱法扩散和 谕

12、浪法扩亂J4.3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 43.1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，电派 K 一侧面向另一侧面所旦现的电 阻值，另*层电又称方块屯la, MttAQ/n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=P L/S,得Rs= P L/LXj二 p /Xj鑑嚴瞬麟礙翊I裂层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，p载流子迁移率，n载流子浓度 假

13、定杂质全部电离载流子浓度=杂质浓度n = N则；P = R$ p! X j I X -C fMJ丿方块电阻越小,4杂钓杂质总童越大;（方块电酿越丸搀杂的杂质总童越小平位圜秣上张丿贝胚更四探针法测量原理图234S1 S2 S3探针系数(可由表査得)20兀C = 111 1Si S2 S1 + S2 S2 + S32.方块电阻测量般用四探针法测出方块电阻Rs (sheet Resistance), 通过它可判断扩散浓度的大小。当1、2、3、4四根 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1、4两处探 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

14、个探针之间的电位差材料电阻率式中:Sp S2> S3分别为探针1与2, 2与3, 3与4之 间距，用on为单位时的值若电流取I = C时，则p=V,可由数字电压表直接读出43.2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1 结深的定义Xj :当 X = xj 处2结深的计算 恒定源扩散Cnx（扩散杂质浓度）=Cb （本体浓度）吠2阪府黑 有限源扩散十眉悶常）决走护散结深的因素共有4个: 1、衬底杂质浓度Nb-2、表面杂质浓度Ns-3、扩散时间t-4、扩散系数DD与T有关，T上升icrc D上升1倍扩散常用杂质源杂质杂质源化学名称Arsenic (As)AsHi神烷

15、(gas)Phosphorus (P)PH、磷烷(gas)Phosph()ni> (P)POCI3三氯氣磷(liquid)Boron (B)乙硼烷(gas)Boron (B)BFj三緘化陽(gas)Boron (B)BBrj三涣化硼(liquid)Aniiinony (Sb)SbCk氯化佛(solid)扩散制程的缺点它不能很好的控制掺杂浓度和结面深度。由于扩散是一种等向过程，因此掺杂物总 是会扩散到遮蔽氧化层底下的部分，即产 生横向扩散。当使用较小的图形尺寸时， 扩散掺杂会造成相邻接面短路。因此，当离子注入法在70年代中期被引入 后，迅速的取代了扩散制程。第四章复习PA扩散 diffusion掺杂的两种方法是？扩散的三个