半导体的高温掺杂PPT教案

1、会计学1半导体的高温掺杂半导体的高温掺杂2掺杂（掺杂（doping）：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅）：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（中，并获得精确的杂质分布形状（doping profile）。）。MOSFET：阱、栅、源：阱、栅、源/漏、沟道等漏、沟道等BJT：基极、发射极、集电极等：基极、发射极、集电极等掺杂应用：掺杂应用：B E Cppn+n-p+p+n+n+BJTp wellNMOS 第1页/共46页3掺掺杂杂过过程程气气/固相扩散固相扩散离子注入离子注入或或退火退火预淀积预淀积优优点点缺缺点点预淀积控制剂量预淀积控制剂量恒定剂量推进退火恒定剂量推进

2、退火离子注入离子注入气气/ /固相扩散固相扩散室温掩蔽室温掩蔽无损伤掺杂无损伤掺杂精确剂量控制精确剂量控制产率高产率高1010111110101616/cm/cm2 2剂量剂量精确的深度控制精确的深度控制高浓度浅结形成高浓度浅结形成灵活灵活损伤位错会导致结漏电损伤位错会导致结漏电需要长时间驱入退火，需要长时间驱入退火，可能获得低表面浓度可能获得低表面浓度沟道效应会影响杂质分布沟道效应会影响杂质分布低剂量预淀积困难低剂量预淀积困难注入损伤增强扩散注入损伤增强扩散受到固溶度限制受到固溶度限制第2页/共46页4第3页/共46页5第4页/共46页6第5页/共46页7用装片机将硅片装载到石英舟上用装片机

3、将硅片装载到石英舟上第6页/共46页8第7页/共46页9预淀积预淀积为整个扩散过程建立了为整个扩散过程建立了浓度梯度。表面浓度梯度。表面的杂质的杂质浓度浓度最高最高,并并随着深度的增加而减小随着深度的增加而减小,从而形成梯度。从而形成梯度。 在扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变在扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变,因此这因此这是一种是一种恒定表面源恒定表面源的扩散过程。的扩散过程。第8页/共46页10第9页/共46页11一般横向扩散一般横向扩散(0.750.85)*Xj(Xj纵向结深纵向结深)第10页/共46页12Xj0.750.85Xj横向扩散横向扩散第11页/共46页13(a) 间隙式

4、扩散间隙式扩散(interstitial)(b) 替位式扩散替位式扩散(substitutional)间隙式间隙式杂质：杂质： O, Au, Fe, Cu, Ni, Zn, MgEi 0.6 1.2 eV替代式替代式杂质杂质 P，B，As, Al, Ga, Sb, GeEi 3 4 eV2 扩散原理及模型扩散原理及模型2.1 扩散分类扩散分类间隙原子必须越过的势垒高度间隙原子必须越过的势垒高度 Ei第12页/共46页14、族元素族元素一般要在很高的温度一般要在很高的温度(9501280)下进行下进行磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅

5、中的扩散系数，中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层慢扩散杂质慢扩散杂质间隙式扩散：间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙杂质离子位于晶格间隙Na、K、Fe、Cu、Au 等元素等元素扩散系数要比替位式扩散大扩散系数要比替位式扩散大67个数量级个数量级间隙式扩散原子的激活能量要比替位扩散小间隙式扩散原子的激活能量要比替位扩散小快扩散杂质快扩散杂质第13页/共46页15 半导体中的扩散工艺是利用固体中半导体中的扩散工艺是利用固体中的扩散现象，的扩散现象，将一定种类和一定数将一定种类和一定数量的杂质掺入到半导体中去，以改量的杂质掺入到半导体中去，以改变半导体的电

6、学性质变半导体的电学性质2.2 扩散模型扩散模型第14页/共46页16第15页/共46页17第16页/共46页181. 恒定表面源扩散恒定表面源扩散其扩散后其扩散后杂质浓度分布杂质浓度分布为为余误差函数余误差函数分布分布特点：表面浓度始终保持不变特点：表面浓度始终保持不变第17页/共46页192、恒定表面源扩散：表面杂质浓度恒定为、恒定表面源扩散：表面杂质浓度恒定为Cs边界条件：边界条件： C(x,0)=0, x 0 C(0,t)=Cs C( ,t)=0实际工艺中，这种工艺称作实际工艺中，这种工艺称作“预淀积扩散预淀积扩散”。即气相中有无。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

7、度恒定。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解方程，得恒定扩散方程的表达式 DtxCtxCs2erfc,C(x, t) 为某处为某处t时的杂质浓度时的杂质浓度Cs 为表面杂质浓度，取决于某为表面杂质浓度，取决于某种杂质在硅中的最大固溶度种杂质在硅中的最大固溶度erfc 称作称作“余误差函数余误差函数”第18页/共46页20erfc(x) = Complementary Error Function = 1 - erf(x)余误差函数性质：余误差函数性质：xx2)(erf对于x1 00erf 1erf xduux02-exp2erf 2exp2erfx

8、dxxd 222exp4erfxxdxxd xdu-uxx2exp2erf1erfc01)(erfcdxx第19页/共46页21：称为：称为特征扩散长特征扩散长度度Dt1）掺杂总量为）掺杂总量为A和和Cs/CB有关有关D与温度与温度T是指数关系是指数关系,因此因此T对结深的影响要较对结深的影响要较t大许多大许多DtACCDtxsBj1erfc22）扩散结深为）扩散结深为xj ，则，则DtxCCjsB2erfc022erfcDtCdxDtxCQss第20页/共46页223）杂质浓度梯度）杂质浓度梯度DtxDtCxtxCs4exp,2梯度受到梯度受到Cs、t 和和D（即（即T）的影响。改变其中）的

9、影响。改变其中的某个量，可以改变梯度，如增加的某个量，可以改变梯度，如增加Cs（As）。）。在在p-n结处结处CB和和Cs一定时，一定时，xj 越深，结处的梯度越小。越深，结处的梯度越小。sBsBjsxCCCCxCxtxCj121erfcerfcexp2,第21页/共46页23表面杂质浓度不变表面杂质浓度不变扩散时间越长，杂质扩散时间越长，杂质扩散距离越深，进入衬扩散距离越深，进入衬底的杂质总量越多。底的杂质总量越多。杂质分布满足余误差杂质分布满足余误差函数分布函数分布t1 t2 t3t1t2t3CB恒定表面源扩散的主要特点恒定表面源扩散的主要特点第22页/共46页24固溶度固溶度（solid

10、 solubility）：在平衡）：在平衡条件下，杂质能溶解条件下，杂质能溶解在硅中而不发生反应在硅中而不发生反应形成分凝相的最大浓形成分凝相的最大浓度。度。固溶度热力学固溶度热力学最大浓度最大浓度超过电固溶度的超过电固溶度的杂质可能形成电中性杂质可能形成电中性的聚合物，对掺杂区的聚合物，对掺杂区的自由载流子不贡献的自由载流子不贡献恒定表面源的扩散，其表面杂质浓度恒定表面源的扩散，其表面杂质浓度Cs 基本由杂质基本由杂质在扩散温度（在扩散温度（9001200 C）下的）下的固溶度固溶度决定，而决定，而固溶度随温度变化不大。固溶度随温度变化不大。第23页/共46页25其扩散后杂质浓度分布为其扩散

11、后杂质浓度分布为高斯函数分布高斯函数分布2. 有限表面源扩散有限表面源扩散第24页/共46页263、有限表面源扩散：表面杂质总量恒定为、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。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：初始条件：00 ,xC边界条件：边界条件：0, tC0,TQdxtxC得到得到高斯分布高斯分布DtxDtQtxC

12、T4exp,2hx sCxC0 ,hx Cs第25页/共46页27DtADtCQDtCCDtxBTBsjln2ln22）扩散结）扩散结深深1）表面浓度）表面浓度Cs随时间而减少随时间而减少DtQtCCTS, 03）浓度梯度）浓度梯度txCDtxxtxC,2,在在pn结处结处BsjBxCCxCxtxCjln2,浓度梯度随着扩散深度（浓度梯度随着扩散深度（结深）增加而下降结深）增加而下降A随时间变化随时间变化第26页/共46页28杂质总量保持不变杂质总量保持不变扩散时间越长，扩散扩散时间越长，扩散越深，表面浓度越低。越深，表面浓度越低。扩散时间相同时，扩散扩散时间相同时，扩散温度越高，表面浓度下温

13、度越高，表面浓度下降越多降越多杂质分布满足高斯函杂质分布满足高斯函数分布数分布有限表面源扩散的主要特点有限表面源扩散的主要特点t1 t2 t3t1t2t3CB第27页/共46页29余误差函数分布（余误差函数分布（erfc）表面浓度恒定表面浓度恒定杂质总量增加杂质总量增加扩散深度增加扩散深度增加高斯函数分布（高斯函数分布（Gaussian）表面浓度下降表面浓度下降(1/ t )杂质总量恒定杂质总量恒定结深增加结深增加关键参数关键参数 Cs（表面浓度）（表面浓度） xj （结深）（结深） Rs（薄层电阻）（薄层电阻）第28页/共46页30二步扩散二步扩散第一步第一步 为为恒定表面源恒定表面源扩散扩

14、散 (称为预沉积或预扩散称为预沉积或预扩散)控制掺入的杂质总量控制掺入的杂质总量第二步第二步 为为有限表面源有限表面源扩散扩散 (称为主扩散或再分布称为主扩散或再分布)控制扩散深度和表面浓度控制扩散深度和表面浓度1112tDCQ 221112222tDtDCtDQC第29页/共46页314.3 扩散方法扩散方法第30页/共46页32第31页/共46页33第32页/共46页34第33页/共46页352.2.液态源液态源磷扩散磷扩散第34页/共46页36二、二、 固态源扩散固态源扩散第35页/共46页37 1.方块电阻定义方块电阻定义：如果扩散薄层为一：如果扩散薄层为一正方形，正方形，其长度其长度

15、（边长）边长）都都等于等于L,厚度厚度就就是扩散薄层是扩散薄层的深度的深度（结深）（结深），在单位方块中，在单位方块中，电流从一侧面流向另一侧面所呈现的电流从一侧面流向另一侧面所呈现的电阻值，电阻值，就称为就称为薄层电阻薄层电阻，又称，又称方块电阻，单位是方块电阻，单位是 / / 扩散薄层电阻扩散薄层电阻又称又称方块电阻方块电阻，数值反应数值反应出硅中所掺出硅中所掺杂质总量。杂质总量。 故扩散结束后要测量此参数故扩散结束后要测量此参数第36页/共46页38第37页/共46页392. 物理意义物理意义 薄层电阻的薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总

16、量 q 电荷，电荷， 载流子迁移率，载流子迁移率，n 载流子浓度载流子浓度 假定杂质全部电离假定杂质全部电离 载流子浓度载流子浓度 = 杂质浓度杂质浓度 n = N 则：则： Q：从表面到结边界这一方块薄层中：从表面到结边界这一方块薄层中 单位面积上杂质总量单位面积上杂质总量 11q n1q nRxxqN xqQsjjj_/111方块电阻越小方块电阻越小, ,掺杂的杂质总量越大掺杂的杂质总量越大; ;方块电阻越大方块电阻越大, ,掺杂的杂质总量越小掺杂的杂质总量越小第38页/共46页40四探针法测量原理图四探针法测量原理图 当、四根当、四根金属探针排成一直线时，金属探针排成一直线时，并以一定压

17、力压在半导体并以一定压力压在半导体材料上，在材料上，在、两处探两处探针间通过电流针间通过电流I，称为称为电电流探针，流探针，由稳压电源供电由稳压电源供电。2和和3称为称为电位探针电位探针，测，测量这两个探针之间的电位量这两个探针之间的电位差差一般用一般用四探针法四探针法测出测出方块电阻方块电阻Rs (sheet Resistance),通过它通过它可判断扩散浓度的大小可判断扩散浓度的大小。第39页/共46页41CIVR材料电阻材料电阻式中：式中：S1、S2、S3分别为探针与，与，与之分别为探针与，与，与之间距，用间距，用cm为单位时的值为单位时的值若电流取若电流取I = C 时，则时，则RV，可由数字电压表直接读出，可由数字电压表直接读出121223201111CSSSSSS探针系数探针系数 （可由表查得）（可由表查得）(1)(2)第40页/共46页4