半导体集成电路第3部分

半导体集成电路第3部分第一页，共73页。主要内容：费克扩散定律。常见杂质的扩散率。扩散分布的分析。扩散系统。第二页，共73页。扩散扩散是微电子工艺中最基本的工艺之一，是在约1000℃的高温、p型或n型杂质气氛中，使杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一种工艺方法，也称为热扩散。

目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型，电阻率，或形成PN结。第三页，共73页。扩散机制扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。杂质在半导体中的扩散是由杂质浓度梯度或温度梯度（物体中两相的化学势不相等）引起的一种使杂质浓度趋于均匀的杂质定向运动。扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式，结果使其浓度趋于均匀。第四页，共73页。固相扩散工艺微电子工艺中的扩散，是杂质在晶体内的扩散，是固相扩散工艺。固相扩散是通过微观粒子一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，主要有三种方式间隙式扩散替位式扩散间隙—替位式扩散第五页，共73页。扩散的微观机制(a)间隙式扩散（interstitial）(b)替位式扩散（substitutional）间隙扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg替位扩散杂质：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前题B，P，一般作为替代式扩散杂质，实际情况更复杂，包含了硅自间隙原子的作用，称填隙式或推填式扩散第六页，共73页。间隙式扩散间隙原子扩散势场示意图Wi=0.6-1.2eV第七页，共73页。按照玻尔兹曼统计规律，获得大于能过Wi的几率正比于exp(-Wi／kT)k：玻尔兹曼常数kT:平均振动能，0.026eV

υ0：振动频率，1013-1014/s跳跃率室温下，约每分钟一次。第八页，共73页。替位式扩散产生替位式扩散必需存在空位。晶体中空位平衡浓度相当低，室温下，替位式扩散跳跃率约每1045年一次。Ws空位浓度α第九页，共73页。间隙-替位式扩散许多杂质即可以是替位式也可以是间隙式溶于晶体的晶格中，并以间隙-替位式扩散。这类扩散杂质的跳跃率随空位和自间隙等缺陷的浓度增加而迅速增加。第十页，共73页。间隙-替位式扩散杂质原子被从晶格位置“踢出”(Kick-out)AVA+IAi第十一页，共73页。杂质在半导体中的作用对晶圆局部掺杂在半导体制程中必不可少。向半导体中掺杂的方法有扩散和离子注入法。扩散法是将掺杂气体导入放有硅片的高温炉，将杂质扩散到硅片内一种方法。扩散的优点是批量生产，获得高浓度掺杂。杂质扩散有两道工序：预扩散(

又称预淀积

Pre-deposition

)

主扩散(

drive

in

)。第十二页，共73页。扩散工序预扩散工序:在硅表面较浅的区域中形成杂质的扩散分布，这种扩散分布,硅表面杂质浓度的大小是由杂质固溶度来决定的。主扩散工序:将预扩散时形成的扩散分布进一步向深层推进的热处理工序。杂质的扩散浓度取决于与温度有关的扩散系数D的大小和扩散时间的长短。第十三页，共73页。扩散工序(续)硅集成电路工艺中，常采用硼作为P型杂质，磷作为N型杂质。还使用砷和锑等系数小的杂质，这对于不希望产生杂质再分布的场合是有效的。杂质扩散层的基本特性参数是方块电阻RF和扩散结果Xj。第十四页，共73页。杂质在晶圆中的分布常用杂质浓度为1017/cm3硅的原子浓度1022/cm3。万分之几分布深度远小于1%第十五页，共73页。扩散结果测量RF可用四探针测量法。对于Xj：倾斜研磨（Angle

lapping)

和染色(staining)法，(如用HF:H3PO4

=

1:6使P层黑化)

倾斜研磨后，经侵蚀的酸溶液蚀刻，将扩散后集积在晶片下半部的析出物凸显出来，显现出密度的轨迹，而在靠晶片的表面附近出现一段空泛区，经过角度换算，约20um。扩展电阻(

spreading

resistance)法来进行评估。第十六页，共73页。一维费克扩散方程存在浓度梯度时，任何一种可自由运动的材料都会再分布。材料的移动趋向于将浓度梯度降低，起源是材料的随机热运动。扩散运动的基本方程就是费克第一定律：其中C是杂质浓度。D是扩散率。J是材料的净流量，单位是单位面积单位时间内流过的原子个数。第十七页，共73页。费克第二定律实际应用中扩散流密度很难测量，引入费克第二定律。以便于测量其中的变量。J1J2dxAJ2流出体积元的流量J1流入体积元的流量连续方程可以表示为：第十八页，共73页。费克第二定律（续）代入费克第一定律表达式有：如果是三维各向同性介质，则有：第十九页，共73页。扩散的原子模型将一个杂质原子插入到晶体，杂质原子可能落到晶格位置之间的一个填隙位置上。不能和本体材料键合的就是填隙型杂质。在晶格位置上取代了硅原子的杂质就是替代型杂质。替位型杂质P，B，As，Al，Ga，Sb，Ge填隙型杂质O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg第二十页，共73页。扩散的原子模型（续）

替位型杂质的移动直接交换式耗能多。空位交换式耗能较低，是扩散的主要机理之一。A：直接交换B：空位交换第二十一页，共73页。总扩散率在高掺杂浓度的扩散，电子或者空穴的浓度就等于杂质的浓度。对于低掺杂浓度的扩散，衬底中存在过量的载流子（电子、空穴）时，相对的一种可以忽略。第二十二页，共73页。本证载流子浓度和温度的关系对于硅,Ni0，Eg0，α，β分别为7.3E15cm-3,1.17eV,0.000463eV*K,636K对于GaAs,Ni0，Eg0，α，β分别为4.2E14cm-3,1.52eV,0.000541eV*K,204K第二十三页，共73页。激活能和常数值D是施主杂质A是受主杂质I是替位杂质中性空位的杂质的扩散率可以用表示。其中是激活能，是与晶格振动频率和晶格结构相关的常量。中性空位的扩散率第二十四页，共73页。填隙扩散机制填隙型硅原子取代了一个替位型杂质原子的位置，将替位型杂质原子推到填隙位置上。在杂质原子回到替位位置之前，它从该填隙位置扩散一段距离。只有空位扩散时，才会发生填隙扩散，硼、磷杂质依靠此两种扩散机制扩散。第二十五页，共73页。挤出机制和Frank-Turnbull机制杂质通过填隙快速扩散。杂质回到晶格位置有两种方式：挤出机制，杂质原子取代了硅原子的位置。Frank-Turnbull机制，填隙杂质被空位俘获。第二十六页，共73页。费克定律的分析解实际应用中不能把扩散系数认为是常数，需用数值方式对费克定律求解。表面杂质源固定----预淀积扩散进入晶圆中杂质数量一定----推进扩散可以先预淀积再进行推进扩散。第二十七页，共73页。扩散后浓度和深度的关系A预淀积扩散B推进扩散第二十八页，共73页。常见杂质的扩散率硼杂质：浓度在1020cm-3以下的测量数据与本征扩散率一致。直到浓度达到1020cm-3，扩散表达式中第一项起作用。当浓度超过，不是所有硼原子都占据晶格位置，其中一些必须处于填隙位置，或者凝聚成团，导致扩散率急剧下降。第二十九页，共73页。常见杂质的扩散率（续）高浓度硼扩散分布第三十页，共73页。常见杂质的扩散率（续）砷杂质：砷在硅中通过中性空位和带单个负电荷的空位进行扩散。扩散率较低，被选为N型杂质满足最小的杂质分布。例：NMOS的源漏区扩散；多极晶体管的发射区扩散低浓度的和中等浓度的砷扩散，利用本征扩散来描述当浓度超过1020/cm3，砷易成团，导致高浓度扩散分布顶部平缓。高温退火使聚团浓度和替位型砷浓度达到平衡。第三十一页，共73页。常见杂质的扩散率（续）高浓度砷扩散分布第三十二页，共73页。常见杂质的扩散率（续）磷杂质：主要限于阱和隔离。扩散分布曲线分为三个区域：高浓度区、低浓度区、转折区。高浓度区，浓度不变，有两部分组成：中性的磷原子----中性空位交换扩散；磷离子和带两个负电荷的空位组成的离子空位对----空位对扩散。转折区，电子浓度急剧下降，大部分离子空位对发生分解，未配对离子继续扩散，分解增强过剩空位浓度，提高了尾区扩散率。第三十三页，共73页。常见杂质的扩散率（续）高浓度磷扩散分布第三十四页，共73页。常见杂质的扩散率（续）锌杂质对GaAs，杂质扩散取决于空位和填隙原子的带电状态，空位是镓空位还是砷空位。对GaAs晶圆P型杂质用锌，N型杂质用硅。

锌的扩散有一个宽的平台区和陡降的尾区。平台区的浓度受限于锌的固溶度。锌扩散包含两部分：空位扩散、替位-填隙扩散。第三十五页，共73页。锌杂质（续）替位-填隙扩散速度快于空位扩散。其中锌以两种形式存在：带正电的填隙式离子Zn+，替位型离子Zn-。Zn+，浓度低、扩散快。Zn-，通过中性空位交换，速度慢。Zn+，遇到镓空位，被俘获，失去两个空穴，变成Zn-，扩散速度降低。第三十六页，共73页。锌杂质（续）锌预沉积扩散第三十七页，共73页。锌杂质（续）直到杂质浓度降低之前，扩散率很大，浓度降低，扩散率也降低，杂质分布边缘变陡。由于镓空位多重带电，以及替位型离子和填隙型离子形成离子对，扩散曲线尾区出现转折现象。第三十八页，共73页。锌杂质（续）锌扩散模型与实验比较第三十九页，共73页。常见杂质的扩散率（续）硅杂质硅是IV族元素，在GaAs中既可以是P型杂质，也可能是N型杂质。两种晶格位置上硅原子浓度之差就是载流子浓度。当原子浓度的差值比每一个分量小的时候，为高度补偿半导体。通过相邻晶格位置上一对杂质原子与一对相邻的空位进行交换进行扩散。第四十页，共73页。硅杂质（续）在退火处理观察扩散结果。SiGa+原子通过与不带电的或者带三个负电荷的镓空位交换位置进行扩散。SiAs-

原子扩散与镓原子无关。SiGa-SiAs原子耦合对不移动。试验发现LEC法制备的镓空位浓度低的富镓GaAs中，硅的扩散率明显降低。第四十一页，共73页。退火处理后的硅扩散940℃，980℃，1000℃，10分钟退火1050℃，3分钟退火第四十二页，共73页。扩散分布的分析分析的目的是获得深度、横向位置的杂质浓度。通过测量扩散区的薄膜电阻可以获得杂质的分布信息测量薄膜电阻有两种方法：四探针法，范德堡法。第四十三页，共73页。四探针法四探针可以排列成不同形式，常见的是排成直线。V圆片I第四十四页，共73页。四探针法（续）外面的两根探针之间施加电流，在里边的两根探针之间测量电压。安培定律计算获得薄层电阻，乘以几何修正因子。几何修正因子与探针排列形状，探针距离与扩散区深度的比值相关。对于直线排列，探针间距远大于结深时，修正因子为4.5325。第四十五页，共73页。四探针法注意事项扩散区下边的衬底必须绝缘，或者衬底电阻率远大于被测扩散层的电阻率。或者被测扩散层和衬底之间必须形成一个反偏的二极管。控制探针压力，避免穿透PN结。需要考虑PN结附近耗尽区的影响。第四十六页，共73页。范德堡测量法VI通过接触样品边缘的四个位置进行。在一对相邻的接触点之间施加电流。在另一对接触点之间测量电压。第四十七页，共73页。范德堡测量法（续）为提高精度，将探针接法旋转90°，重复四次，求平均结果：F（Q）是一个与探针排列有关的修正因子。正方形的排列F（Q）=1第四十八页，共73页。范德堡测量法注意事项必须准确测量样品的几何尺寸。对于正方形样品，接触点必须做到样品的四个侧壁上工艺中将晶圆切割成四方形，在边缘上作欧姆接触。通过光刻确定一个范德堡结构图形，并用氧化层隔离或者PN结隔离限制扩散区形状。第四十九页，共73页。结深的测量为扩散分布更完整的描述,需要对结深进行测量。用机械方法在晶圆上磨出一个已知直径的凹槽，将其浸入染色液中。溶液的腐蚀速率取决于载流子的浓度和类型。第五十页，共73页。结深的测量（续）P型硅采用1:3:10的HF:HNO3:C2H4O2混合液，腐蚀时样品变黑。GaAs采用1:1:10的HF:H2O2:H2O混合液，腐蚀过程中需要光照。用带刻度的光学显微镜测量染色区域的宽度。再计算出结深。只能用于结深小于1μm的测量。第五十一页，共73页。结染色法结深测量开槽后的圆片选择性腐蚀后的圆片掺杂层衬底掺杂层衬底砂轮第五十二页，共73页。霍尔效应测量载流子浓度电流在扩散层中流过，与电流方向垂直的方向施加磁场。载流子会受到洛仑兹力。与电流方向和磁场方向都垂直的电场分量与洛仑兹力向等时不在发生偏转。此电场的建立就是霍尔效应，电压称为霍尔电压。平均霍尔迁移率：第五十三页，共73页。霍尔效应测量结构VBe-I第五十四页，共73页。二维分布测量----SCMSCM是扫描电容显微技术。采用原子力显微镜在样品上扫描一个导电尖端。样品被劈开后把被测的边缘部分朝上放。导电尖端用来测量反型层电容。电容值转换为导电尖端下的杂质浓度。典型的电容值小于1pF。第五十五页，共73页。扩展电阻分布测量扩展电阻分布测量（spreadingresistanceprofilometry）利用探针接触点附近电流聚集程度与局部载流子浓度之间关系进行测量。用磨削和抛光的方法将样品磨出一个小角度斜面。将样品放好，一对探针以预先设定好的压力与样品表面接触。探针针尖可达半导体表面几十埃。第五十六页，共73页。扩展电阻分布测量（续）电流汇集流入针尖，在两根探针之间造成一个有限的电阻。将这一电阻值与一个已知浓度的校准标准值进行比较，反推出载流子浓度分布。测量范围载流子浓度1013～1021cm-3。第五十七页，共73页。扩展电阻分布测量（续）被测载流子浓度和深度的关系第五十八页，共73页。扩展电阻分布测量的缺陷测量结果严格取决于点接触的重复性。探针针尖必须小心调整。经常需要对标准片进行校准测量。近表面测量。制作非常平坦的小角度很困难，判断表面从哪里开始也不容易，除非表面上方有绝缘层。被测材质。样品假定与标准片的性质接近，实际使用中该假定未必成立。GaAs在近表面有明显的能带弯曲，不能测量.第五十九页，共73页。电化学分布测量法电化学法腐蚀晶圆后测量电容、电阻率。多次重复腐蚀、测量的步骤。通过测量电容、电阻率随腐蚀时间的变化而获得载流子浓度的分布。常用于III-V族半导体。第六十页，共73页。二次离子质谱法（SiMS）SiMS装置探测器质谱仪离子源质量过滤器二次离子圆片加速栅极放大器高真空腔第六十一页，共73页。二次离子质谱法（续）待测样品放入仪器，抽真空，真空度达到1×10-9Torr一束能量在1～5keV的离子束照射到样品，高能离子撞击样品表面。破坏样品的晶格结构溅射出样品。溅出的材料被离化、收集，向质谱仪加速运动。被质谱仪收集。静态模式下，用慢溅射速率来测量薄层中的不同元素。高溅射率工作测量各种杂质随深度变化的浓度分布。第六十二页，共73页。二次离子质谱法（续）商业装置可达的最大检测浓度杂质离子束导电类型测量极限Si中的BO2+1×1014～1.5×1015cm-3Si中的AsCs-5×1014cm-3Si中的PCs-1×1015cm-3Si中的OCs-1×1017cm-3Si中的CCs-1×1016cm-3GaAs中的SiCs-1×1015cm-3GaAs中的MgO2+1×1014cm-3GaAs中的BeO2+5×1014cm-3GaAs中的OCs-1×1017cm-3GaAs中的CCs-5×1015cm-3第六十三页，共73页。二次离子质谱法的缺点测量系统需要抽到真空，样品必须被溅射出来，数据采集受限于溅射腐蚀速率，测量厚度超过1μm的样品需要4～8小时。突变的界面、埋层都难以测量。同一时间被溅射的并非样品的同一原子层，在溅射过程中样品会越来越不平坦。以及撞击效应，使杂质再分布。第六十四页，共73页。卢瑟福背散射法试验装置能量分析仪He离子源质量过滤器圆片加速栅极放大器高真空腔θ第六十五页，共73页。卢瑟福背散射法（续）能量超过1MeV的氦离子以接近法线方向入射到样品上，这些高能离子