集成电路工艺基础——03_扩散

1、电子科技大学中山学院Chap 3 扩散v杂质扩散机构杂质扩散机构v扩散方程扩散方程v扩散杂质的分布扩散杂质的分布v扩散工艺扩散工艺电子科技大学中山学院杂质掺杂v 掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到域中，以达到改变半导体电学性质改变半导体电学性质，形成，形成PNPN结、电阻、欧姆接触结、电阻、欧姆接触 磷磷(P)(P)、砷、砷(As) N(As) N型硅型硅 硼硼(B) P(B) P型硅型硅v 掺杂工艺：扩散、离子注入掺杂工艺：扩散、离子注入电子科技大学中山学院扩散电子科技大学中山学院扩散v 70 70年代初期以前，杂质掺杂主要通过年代初期以前，

2、杂质掺杂主要通过高温的扩散高温的扩散实现。实现。v杂质原子通过气相源或氧化物源扩散或淀积到硅杂质原子通过气相源或氧化物源扩散或淀积到硅晶片的表面。晶片的表面。v杂质浓度从表面到体内单调下降杂质浓度从表面到体内单调下降v杂质分布主要是由杂质分布主要是由温度和扩散时间温度和扩散时间决定决定 可用于形成深结（可用于形成深结（deep junctiondeep junction），如），如CMOSCMOS中的中的双阱（双阱（twin welltwin well）电子科技大学中山学院离子注入电子科技大学中山学院离子注入v 从从7070年代初开始，掺杂的操作改由离子注入完成年代初开始，掺杂的操作改由离子注

3、入完成v 掺杂原子以离子束的形式注入半导体内掺杂原子以离子束的形式注入半导体内v杂质浓度杂质浓度在半导体内有在半导体内有峰值分布峰值分布v杂质分布主要由杂质分布主要由离子质量和离子能量离子质量和离子能量决定决定 用于形成浅结（用于形成浅结（shallow junctionshallow junction），如），如MOSFETMOSFET中中的漏极和源极的漏极和源极电子科技大学中山学院扩散机构v 间隙式扩散间隙式扩散 定义：杂质离子位于晶格间隙定义：杂质离子位于晶格间隙 杂质：杂质：NaNa、K K、FeFe、CuCu、Au Au 等元素等元素 势能极大位置：相邻的两个间隙之间势能极大位置：相

4、邻的两个间隙之间 势垒高度势垒高度WWi i：0.61.2eV0.61.2eV 间隙杂质的振动能在室温时，只有间隙杂质的振动能在室温时，只有0.026eV0.026eV；1200 1200 时为时为0.13eV0.13eV，因此间隙杂质靠热涨落越过势垒，因此间隙杂质靠热涨落越过势垒 跳跃率：跳跃率： P Pi i 依赖于温度依赖于温度kTWoiieP/电子科技大学中山学院扩散机构电子科技大学中山学院扩散机构v替位式扩散替位式扩散 定义：杂质离子占据硅原子的位定义：杂质离子占据硅原子的位 杂质特点：杂质特点：III III 、族元素族元素 相邻晶格上出现空位才好进行替位式扩散相邻晶格上出现空位才

5、好进行替位式扩散 势能极大位置：间隙处势能极大位置：间隙处 势垒高度：势垒高度：0.61.2eV0.61.2eV 跳跃率：跳跃率： 近邻出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，近邻出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，PvPv依赖于温度依赖于温度 间隙式扩散系数要比替位式扩散大间隙式扩散系数要比替位式扩散大6 67 7个数量级个数量级）（）（kTWkTWPvsov/exp/exp电子科技大学中山学院扩散机构电子科技大学中山学院菲克第一定律v扩散是微观粒子热运动的统计结果，当杂质存在扩散是微观粒子热运动的统计结果，当杂质存在浓度梯度浓度梯度时，出现宏观的扩散流。杂质由高浓度时，出现宏观的扩散流。杂质由

6、高浓度区向低浓度区移动，直至浓度趋于均匀，扩散流区向低浓度区移动，直至浓度趋于均匀，扩散流为零。实验表明：扩散流的大小，正比于杂质的为零。实验表明：扩散流的大小，正比于杂质的浓度梯度。浓度梯度。v菲克第一定律菲克第一定律: : 如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度，则杂质如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度，则杂质将会产生扩散运动，而且杂质的扩散方向使杂质浓度将会产生扩散运动，而且杂质的扩散方向使杂质浓度梯度变小。梯度变小。xtxCDJ),(电子科技大学中山学院oooaDkTEDD2)/exp(xtxCDJ),(扩散系数v扩散系数扩散系数/ )(expkTWWPsVovxtxCPaaPta

7、xCaPtaxCtxJvvv),(), 2/(), 2/(),(2其中：其中：V0代表振动频率代表振动频率 Wv代表形成一个代表形成一个空位所需要的能量空位所需要的能量 Ws代表替位杂质代表替位杂质的势垒高度的势垒高度 E为扩散激活能，对替为扩散激活能，对替位式杂质来说，一般为位式杂质来说，一般为34eV电子科技大学中山学院扩散方程v扩散方程（菲克第二定律）扩散方程（菲克第二定律）电子科技大学中山学院扩散方程v 扩散方程（菲克第二定律）扩散方程（菲克第二定律） 经过经过t t时间，体积元内的杂质变化量为时间，体积元内的杂质变化量为 体积元内杂质的变化，是由于在体积元内杂质的变化，是由于在t t

8、时间内，通过时间内，通过x x处处和和x xx x处的两个截面的流量差所造成处的两个截面的流量差所造成tstxCttxCtsttxCtstxC),(),(),(),(tstxJtxxJtstxJtstxxJ),(),(),(),(电子科技大学中山学院扩散方程v 扩散方程（菲克第二定律）扩散方程（菲克第二定律） 假定体积元内的杂质不产生也不消失，上面两式应该假定体积元内的杂质不产生也不消失，上面两式应该相等，得到相等，得到 假设扩散系数假设扩散系数DD为常数（低浓度正确），得到为常数（低浓度正确），得到),(),(xtxCDxttxC22),(),(xtxCDttxC电子科技大学中山学院恒定表面

9、源扩散v 定义：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度定义：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终不变的扩散始终不变的扩散v 边界条件和初始条件边界条件和初始条件 C(0,t)=CC(0,t)=Cs s ； C(C( ,t)=0 ,t)=0； C(x ,0)=0, xC(x ,0)=0, x00v 恒定表面源扩散的杂质分布：恒定表面源扩散的杂质分布：)2()21 (),(DtxerfcCDtxerfCtxCssx0ydye21x1x2erferfc电子科技大学中山学院恒定表面源扩散电子科技大学中山学院恒定表面源扩散v杂质分布形式特点杂质分布形式特点 在表面浓度在表面浓度CsCs一定的情况下，一

10、定的情况下，扩散时间越长，杂质扩扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。 扩到硅内的杂质数量可用高为扩到硅内的杂质数量可用高为CsCs，底为，底为2 2 的三角形的三角形近似；近似； 表面浓度表面浓度CsCs由杂质在扩散温度下的固溶度所决定。而由杂质在扩散温度下的固溶度所决定。而在在9001200 9001200 内，固溶度变化不大，可见内，固溶度变化不大，可见很难通过很难通过改变温度来控制改变温度来控制CsCsDtDtCdxtxCtQs02),()(电子科技大学中山学院恒定表面源扩散v 结深结深 如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的如果扩散

11、杂质与硅衬底原有杂质的导电类型不同导电类型不同，则，则在两种在两种杂质浓度相等处形成杂质浓度相等处形成p-np-n结。结。 杂质浓度相等：杂质浓度相等： 结的位置：结的位置：v 温度通过温度通过D D对扩散深度和杂质分布情况的影响，同时间对扩散深度和杂质分布情况的影响，同时间t t相比更为重要。相比更为重要。tDACCerfctDxSiOsBSiOj2212BjCtxC）,(电子科技大学中山学院恒定表面源扩散DtxseDtCtxxtxC4/2,),(sBsBxsxCCerfcCCerfcCxtxCjj12)exp(12),(v杂质浓度梯度杂质浓度梯度 任意位置任意位置 P-nP-n结处的杂质梯

12、度结处的杂质梯度 在在C Cs s和和C CB B一定的情况下，一定的情况下，p-np-n结越深，在结处的杂质结越深，在结处的杂质浓度梯度就越小。浓度梯度就越小。电子科技大学中山学院有限表面源扩散v定义：定义：扩散之前在硅片表面淀积一层杂质，在整个扩散扩散之前在硅片表面淀积一层杂质，在整个扩散过程中这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充过程中这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充v初始条件和边界条件初始条件和边界条件 C(x ,0)=0,xC(x ,0)=0,xhh C(C( ,t)=0 ,t)=0 C(x ,0)= CC(x ,0)= Cs s(0)=Q/h,0(0)=Q/h,0 x x

13、 h hv解得：解得：DtxeDtQtxC4/2),(DtQtC) t , 0(C)(s电子科技大学中山学院有限表面源扩散电子科技大学中山学院有限表面源扩散v杂质分布形式特点杂质分布形式特点 当扩散当扩散温度相同温度相同时，扩散时间越长，杂质扩散的就越时，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，表面浓度就越低。深，表面浓度就越低。 当扩散当扩散时间相同时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散的就越时，扩散温度越高，杂质扩散的就越深，表面浓度下降的也就越多深，表面浓度下降的也就越多 扩散过程中杂质量不变扩散过程中杂质量不变 表面杂质浓度可以控制，有利于制作低表面浓度和较表面杂质浓度可以控制，有利于制作低表面浓

14、度和较深的深的p-np-n结。结。电子科技大学中山学院有限表面源扩散 结深结深 杂质浓度梯度杂质浓度梯度 任意位置任意位置 P-nP-n结处得杂质梯度结处得杂质梯度tDAxSiOj2),(2),(),(txCDtxxtxCtxBsBsjsxCCCCInxCxtxCj/)/(2),(电子科技大学中山学院两步扩散v实际方法实际方法 实际生产中的实际生产中的扩散温度一般为扩散温度一般为9001200 9001200 ，在这样的温度范围内，常用杂质如硼、磷、砷在这样的温度范围内，常用杂质如硼、磷、砷等在硅中的等在硅中的固溶度随温度变化不大固溶度随温度变化不大，因而采用，因而采用恒定表面源扩散很难得到低

15、浓度的分布形式。恒定表面源扩散很难得到低浓度的分布形式。为了同时满足对表面浓度、杂质数量、结深以为了同时满足对表面浓度、杂质数量、结深以及梯度等方面的要求，实际生产中往往采用两及梯度等方面的要求，实际生产中往往采用两步扩散法步扩散法电子科技大学中山学院v两步扩散两步扩散 预扩散：在预扩散：在低温低温下采用下采用恒定表面源恒定表面源扩散方式，扩散方式，控控制扩散杂质的数量，制扩散杂质的数量，杂质按余误差形式分布。杂质按余误差形式分布。 主扩散将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在主扩散将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在较较高温度高温度下进行扩散。下进行扩散。控制表面浓度和扩散深度。控制表面浓度和扩散

16、深度。杂质按高斯形式分布。杂质按高斯形式分布。 分布形式：分布形式：DD1 1t t1 1DD2 2t t2 2 , , 余误差分布余误差分布DD1 1t t1 1 D D2 2t t2 2 ，高斯分布，高斯分布两步扩散电子科技大学中山学院3.4 影响杂质分布的其它因素v上面推导的杂质分布形式上面推导的杂质分布形式理想化理想化v实际上理论分布与实际分布存在一定的差异实际上理论分布与实际分布存在一定的差异v主要是因为硅中掺杂原子的扩散，除了与空位有主要是因为硅中掺杂原子的扩散，除了与空位有关外，还与硅中其它类型的点缺陷有密切的关系。关外，还与硅中其它类型的点缺陷有密切的关系。 氧化增强扩散氧化增

17、强扩散 发射区推进效应发射区推进效应电子科技大学中山学院氧化增强扩散（OED）v 实验结果表明，与中性气氛相比：实验结果表明，与中性气氛相比： 杂质杂质B B在氧化气氛中的扩散存在明显的增强。在氧化气氛中的扩散存在明显的增强。B B和和P P的的增强现象比较明显增强现象比较明显 杂质杂质AsAs在氧化气氛中的扩散有一定强度的增强在氧化气氛中的扩散有一定强度的增强 杂质锑在氧化气氛中的扩散被阻滞杂质锑在氧化气氛中的扩散被阻滞 参考参考P78 P78 图图3.143.14电子科技大学中山学院发射区推进效应v 在在npnnpn窄基区晶体管制造中，如果基区和发射区分别扩窄基区晶体管制造中，如果基区和发

18、射区分别扩B B和扩和扩P P，则发现在发射区正下方（内基区），则发现在发射区正下方（内基区）B B的扩散深度，的扩散深度，大于不在发射区正下方（外基区）大于不在发射区正下方（外基区）B B的扩散深度，该现象的扩散深度，该现象称为发射区推进效应，或发射区下陷效应。称为发射区推进效应，或发射区下陷效应。电子科技大学中山学院发射区推进效应电子科技大学中山学院二维扩散v实际扩散实际扩散 在掩蔽层的边缘，横向扩散与纵向扩散在掩蔽层的边缘，横向扩散与纵向扩散同时进行同时进行电子科技大学中山学院二维扩散v 实际扩散实际扩散 低浓度扩散低浓度扩散 假定：假定：D D与杂质浓度无关，横向扩散与纵向扩散与杂质浓

19、度无关，横向扩散与纵向扩散都近似以同样方式进行都近似以同样方式进行 L L横横=75%85%L=75%85%L纵纵 高浓度扩散：高浓度扩散： D D与杂质浓度相关，与杂质浓度相关，L L横横=65%70%L=65%70%L纵纵电子科技大学中山学院杂质横向扩散示意图电子科技大学中山学院杂质横向扩散示意图v 由于横向扩散作用，结包含由于横向扩散作用，结包含 一个中央平面区一个中央平面区 一个近似圆柱、曲率半径为一个近似圆柱、曲率半径为r rj j的边的边 如果扩散掩蔽层有尖锐的角，在这角处的结将因横向如果扩散掩蔽层有尖锐的角，在这角处的结将因横向扩散而近似于圆球状。扩散而近似于圆球状。v 电场强度

20、在圆柱和圆球结处较强，该处雪崩击穿电场强度在圆柱和圆球结处较强，该处雪崩击穿电压将远低于有相同衬底掺杂的平面结处。电压将远低于有相同衬底掺杂的平面结处。电子科技大学中山学院实际扩散区域大于窗口影响集成度电子科技大学中山学院扩散工艺（1）固态源扩散 扩散物质：杂质的氧化物或其他化合物扩散物质：杂质的氧化物或其他化合物 通过惰性气体把杂质源蒸气输运到硅片表面通过惰性气体把杂质源蒸气输运到硅片表面 温度决定固溶度，对浓度有直接影响温度决定固溶度，对浓度有直接影响固态源扩散：如固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等等电子科技大学中山学院扩散工艺（2）液态源扩散v方法：方法：携带气体经过源瓶，将杂质源蒸气（杂质携带气体经过源瓶，将杂质源蒸气（杂质化合物）带入扩散炉管内与硅反应，或分解后与化合物）带入扩散炉管内与硅反应，或分解后与硅