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河北工业大学微电子研究所第三章扩散主讲教师：潘国峰E-mail:pgf@扩散第1页掺杂：就是将所需杂质，以一定方式加入到半导体晶片中，并使其在晶片中数量、分布形式和深度分布符合预定要求集成电路制造工艺。掺杂作用：制作pn结、欧姆接触区、IC中电阻器、硅栅和硅互连线等，是改变晶片电学性质，实现器件和电路纵向结构主要伎俩。掺杂技术包含热扩散、离子注入、合金和中子嬗变等方法。

扩散技术历史悠久，1952年由范恩（pfann）提出，一直沿用至今，现在不但扩散设备和操作都实现自动控制，而且能够用计算机对扩散工艺进行模拟。扩散第2页器件作用杂质硅双极型晶体管及其IC隐埋区Sb,As隔离区B,Al基区B,P发射区P,As,P-As,B电阻B,P开关及高速IC提升开关速度Au,PtMOS晶体管及其IC源、漏、沟道、阱B,P,As砷化镓MISIC，结型场效应晶体管及其IC半绝缘区H,O,Cr源、漏Zn,Be,S,Si,Sn锗Pnp管集电区、发射区In-Ga,Al掺杂在微电子器件中应用扩散第3页热扩散运动：由温度梯度及某元素在某物体内部存在着不一样位置点数量差异所产生使温度趋于平衡、浓度趋于均匀定向运动。杂质：在掺杂过程中被引入元素为杂质。扩散发生需要两个必要条件：浓度差；必须能量。杂质浓度：用来表征固态、气态或液态状态下某时某点（一维即垂直表面深度）处单位体积内杂质个数，用N来表示。量纲为原子个数/cm3。所以，一维条件下，任意时刻、任意位置，C普通表示：C(x,t)CS－表面浓度，CB－衬底浓度几个主要概念：扩散第4页掺杂区和结扩散形成扩散第5页3.1杂质扩散机制（间隙式、替位式扩散）

3.2扩散系数与扩散方程（扩散系数、菲克第一、第二定律）

3.3扩散杂质分布（有限表面源、恒定表面源、两步法扩散）

3.4影响杂质扩散其它原因（硅中点缺点、扩散系数与杂质浓度关系、氧化增强扩散、发射区推进、二维扩散）

3.5扩散工艺（气、固、液源扩散）

3.6扩散工艺发展（快速气相掺杂、气体浸没激光掺杂）3.7工艺控制和质量检测目录扩散第6页3.1杂质扩散基本形式扩散基本形式：间隙式扩散、替位式扩散两类间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙，间隙杂质从一个间隙到另一个间隙是经过原子间缝隙进行，这种依靠间隙方式而逐步跳跃前进扩散方式称为间隙式扩散。Na、K、Fe、Cu、Au等元素扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级

间隙杂质在由一个间隙位置到另外一个间隙位置必须穿越一势能极大位置，势垒高度Wi普通0.6-1.2ev，普通间隙杂质在势能极小位置做热振动，振动频率V0约为1013－1014/s，室温下平均动能约为0.026ev，1200℃高温也只有0.13ev。只有靠热涨落才能取得>Wi能量。按照玻尔兹曼统计规律，取得能量大于Wi几率正比于只有间隙杂质由热涨落而取得能量大于Wi时，才能跃迁至相邻间隙位置，跃迁几率为：扩散第7页替位式扩散：杂质离子占据硅原子位置，替位式跃迁首先要求存在着能够允许杂质原子迁移进去空位（Wv－形成一个空位所需能量），另外也像间隙式由一个格点到另一个格点必须克服势垒WS。Ⅲ、Ⅴ族元素普通要在很高温度(950～1280℃)下进行磷、硼、砷等在二氧化硅层中扩散系数均远小于在硅中扩散系数，能够利用氧化层作为杂质扩散掩蔽层在宏观条件下，到达统计平衡时空穴数是一定，一定平衡时单位体积空位数为（（3.2）N是单位体积晶体内所含晶格数，代表形成一个空位所需要能量。扩散第8页每个格点上出现空位几率就为替位杂质跳跃率-近邻出现空位几率乘上跳入该空位几率，即:依据玻尔兹曼统计规律，替位杂质依靠热涨落跳过势垒高度为Ws几率为:（3.4）扩散第9页硅中杂质扩散在间隙位置被转移硅原子SiSiSiSiSiSiSiSiSic)机械间隙转移SiSiSiSiSiSiSiSiSia)硅晶体结构b)替换扩散SiSiSiSiSiSiSiSi空位杂质d)间隙扩散SiSiSiSiSiSiSiSiSi在间隙位置杂质扩散第10页1、菲克第一定律：1855年菲克（Fick）研究气体和液体中溶质一维传输过程提出，杂质扩散流密度J正比于杂质浓度梯度，百分比系数D为扩散系数，x为由表面算起垂直距离（cm），t为扩散时间。浓度差是粒子宏观迁移外部必要条件，迁移宏观上总是由高浓度向低浓度地方进行。

(3.6)D—扩散系数（cm2/s)ΔC—浓度梯度“-”—从高浓度向低浓度扩散J—扩散流密度(原子/cm2)3.2扩散系数和扩散方程杂质粒子在固体中扩散是依靠本身热运动，借助晶体中空位或（和）间隙而进行。这种运动必定伴伴随质量迁移。扩散结果是将粒子浓度区域均匀。常温下固体扩散很慢，要加紧往往需高温环境。因为存在浓度差，粒子随机跃迁统计结果将产生宏观净质量流。

将单位面积在单位时间内经过粒子个数定义为流密度。单位为个/cm-2s-1.扩散第11页2、扩散系数：

扩散系数是表示粒子扩散快慢物理量，扩散系数与温度间关系可表示为：D=D0exp(-ΔE/kT)D0=a2V0，为表观扩散系数(温度无穷大时扩散系数)，即1/kT→0时扩散系数；ΔE=Ws+Wv，为扩散所需激活能。T－当前绝对温度，k－波尔兹曼常数。微观机制：

杂质扩散微观机制从本质上决定了其扩散快慢，详细反应在激活能E上。对替位式扩散它基本上就是形成一个空位所需能量。如硅，形成一个空位需要打破4个si-si键，所以激活能约为禁带宽度3－4倍。试验表明，B、P、As、Sb等杂质是按替位式扩散，因为与Si原子性质差异，替位式杂质扩散激活能（3－4ev）比硅自扩散激活能（约5.23ev）低。元素周期表中第1和第Ⅷ族元素，如锂、钠、钾等碱金属和氢、氩、氦等气体，它们原子半径小，轻易进入硅中占据间隙位置，故激活能比替位式低，普通为0.6-1.2ev，常称为快扩散杂质，而替位式杂质称为慢扩散杂质。扩散第12页（1）扩散系数与温度关系

由D=D0exp(-E/kT)可知，扩散系数与绝对温度倒数呈负指数关系。由替位式杂质跃迁几率PV=V0exp[-(Ws+Wv)/kT]估算，室温时替位式扩散杂质大约等1045年方跃迁一步。所以扩散掺杂必须在高温（950－1200℃）下进行，而且温度应准确控制，因为温度即使只偏差1℃左右，扩散系数偏差5－10％。

扩散系数与温度相关：D0：表观扩散系数，E：扩散工艺激活能，k0：玻耳兹曼常数，T：绝对温度。扩散第13页扩散第14页（3）扩散工艺激活能E(杂质种类）

•间隙式扩散物质：如He,H2,O2,Au,K,Na,Ni,Cu,Fe。E≈0.2～2.0eV

•替位式扩散物质：如B,As,P,Sb；E≈3～4eV，硅自扩散激活能（5.23eV)

（4）衬底掺杂浓度（2）内建电场影响

高温下，进入硅中施主与受主处于离化状态，离化出杂质与载流子均向低浓度方向扩散，但载流子扩散速度相对较快，二者间建立起局部电场，该电场抑制了载流子扩散，以维持电中性，但却使离子添加了与扩散方向相同漂移运动，总体上加紧了杂质向晶片内部运动。施加恒定电场E时：扩散第15页3.扩散方程（菲克第二定律）

对Si平面工艺，扩散流近似沿垂直Si表面方向（x方向），体积中，ΔX和ΔS都非常小，所以体积也非常小，使我们能够构想在这么小体积元内杂质分布是均匀。经过Δt时间，该体积元内杂质改变量为

体积元内杂质改变，是因为在时间Δt内，经过x处和x+Δx处两个截面流量差所造成。假如设经过两处流量不变，则流量差为：依据质量守恒，上面两式应相等，可得：扩散第16页把（3.6）式代入上式，则得一维扩散方程（3.13）此方程就是菲克第二定律最普遍表示式。假如假设扩散系数D为常数，这种假设在低浓度情况下是正确，则得

（3.14）我们先依据方程（3.14），即低浓度情况下，求解扩散杂质分布与扩散时间t和位置x之间关系。将在3.4节中讨论高浓度情况下扩散系数D以及缺点对扩散系数D影响。扩散第17页扩散时质量守衡：单位时间内，在相距dx两个平面之间，杂质数改变量等于经过两个平面流量差，J随时间改变与随空间改变相同，是一个连续性方程。即

杂质原子流密度扩散方程为：菲克第一定律菲克第二定律扩散第18页3.3扩散杂质分布3.3.1恒定表面源扩散

扩散过程中，硅片表面杂质浓度一直不变这种类型扩散称为恒定表面源扩散。其扩散后杂质浓度分布为余误差函数分布。边界条件：C(0,t)=Cs,C(∞,t)=0初始条件：C(x,0)=0,x>0依据边界条件和初始条件，可求出扩散方程解，满足余误差函数分布：依据得到恒定表面源扩散杂质分布：(3.18)其中Cs为表面杂质恒定浓度（原子/cm3），D为扩散系数（cm2/s)，x为表面起算垂直距离（cm）.扩散第19页(1)杂质分布形式假如扩散时间为t，经过单位表面积扩散到硅片内部杂质数量Q(t)可经过对C(x,t)积分求出（或者经过流密度表示式求出）。（3.19）其中CB为硅衬底原有杂质浓度，A是仅与比值相关常数，A与之间关系如图3.7所表示。（2）结深结深可依据C(x,t)=CB由3.18式得到：(3.19)(3.20)扩散第20页3.3.2

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，杂质总量不再改变。这种类型扩散称为有限表面源扩散。其扩散后杂质浓度分布为高斯函数分布扩散第21页杂质高斯函数分布（随时间改变）（1）（2）（3）(3.26)扩散第22页将X=0代入（3.26）式中，可求出任何时刻t表面浓度:(3.27)扩散第23页3.3.3两步扩散扩散第24页预淀积（或预扩散）：温度低、时间短主淀积（或推进）：温度高、时间长预淀积（或预扩散）现已普遍被离子注入代替扩散第25页3.4实际杂质分布(偏离理论值)1)二维扩散普通横向扩散(0.75－0.85)*Xj(Xj纵向结深)；高浓度扩散时，横向扩散距离：65％－70％XjXj0.75-0.85Xj横向扩散（局部放大）扩散第26页恒定表面源有限表面源扩散第27页杂质横向扩散示意图扩散第28页2)杂质浓度对扩散系数影响其中Di0、Di＋、Di－、

Di2－分别表示中性

、正一价、负一价、负二价低浓度杂质－－空穴正确本征扩散系数;其中Di0、Di＋(p/ni)、Di－(n/ni)、Di2-(n/ni)分别表示中性、正一价、负一价、负二价高浓度杂质－空穴对非本征条件下有效扩散系数。考虑多重电荷空位杂质扩散模型时，扩散衬底杂质浓度将严重影响扩散系数导带底价带顶2）扩散第29页3)电场效应3）扩散第30页4)发射区推进效应V2-:二价负电荷空位N+PN-扩散第31页4)热氧化过程中杂质再分布

(杂质分凝)硼:m<1磷:m>1砷:m>1扩散第32页5）扩散第33页推进氧化扩散第34页氧化增强扩散系数ΔD与氧化速率关系：扩散第35页6）硅中点缺点硅中点缺点是杂质原子产生。惯用掺杂原子以替位形式存在，而且是浅能级杂质，高温下全部电离，从而带电，会对周期性晶格产生扰动，扩散时得主关键点缺点：空位、间隙原子、间隙原子团。扩散第36页7)硅片晶向影响扩散第37页3.5经典扩散工艺一．固态源扩散－双温区锑扩散制作双极型集成电路隐埋区时，惯用锑和砷作杂质。因为它们扩散系数小，外延时自掺杂少，其中又因为锑毒性小，故生产上惯用锑。系统特点：用主辅两个炉子，产生两个恒温区。杂质源放在低温区，硅片放在高温区。反应式：3Sb2O3+3Si=4Sb+SiO2优点：1）可使用纯Sb2O3粉状源，防止了箱法扩散中烘源麻烦；2)两步扩散，不象箱法扩散那样一直是高浓度恒定表面源扩散，扩散层缺点密度小；3）表面质量好，有利于提升表面浓度。扩散第38页扩散第39页二.液态源扩散－－惯用POCl3温度>600℃5POCl3==P2O5＋3PCl52P2O5＋5Si=5SiO2＋4P4PCl5＋5O2=2P2O5＋10Cl2(氧过量)扩散第40页扩散第41页影响扩散参量原因源POCl3温度扩散温度和时间气体流量扩散第42页扩散第43页扩散第44页3.6扩散工艺发展3.6.1快速气相掺杂快速气相掺杂（RVD）－是掺杂剂从气相直接向硅中扩散、并能形成超浅结快速掺杂工艺。工艺过程：利用快速热处理（RTP）将硅片快速均匀加热至所需温度，掺杂剂反应产生杂质，杂质原子直接由气相吸附于硅片表面，进行固相扩散，完成掺杂。特点：硅片表面不形成含杂质玻璃层，尽管温度还是比较高，同离子注入相比，它不存在注入所带来沟道效应、晶格损伤、硅片带电等问题，制造短沟道器件特征更加好。气相掺杂剂流量控制普通经过稀释气体（如H2）控制气态掺杂剂浓度。最终表面掺杂浓度Cs和结深Xj，取决于气态掺杂剂浓度、热处理时间和温度。惯用掺杂剂：硼－B2H6，磷－PH3，载气普通为H2。杂质分布：非理想指数形式，类似固态扩散，峰值在表面处。扩散第45页3.6.2气体浸没激光掺杂气体浸没激光掺杂（GILD）－是用准分子激光（308nm)器产生高能量（0.5-2.0J/cm2）短脉冲（20－100ns）激光，照射处于气态源（如PF5、BF3）中硅，硅表面受辐射液化，同时杂质因为热解或是光解作用产生杂质原子，经过液相扩散实现掺杂。速度快，表面掺杂，内部低温，掺杂均匀，不需退火，掺杂限制在表面一薄层内。在其基础上，发展出投影式气体浸没激光掺杂（