集成电路制造工艺 课件 5.1 热扩散的基本原理

集成电路制造工艺

--热扩散的基本原理单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室扩散方法第五章掺杂扩散层的质量参数与检测离子注入的基本原理扩散的基本原理离子注入机的组成及工作原理离子注入的损伤与退火本章要点扩散方法第五章掺杂扩散层的质量参数与检测离子注入的基本原理扩散的基本原理离子注入机的组成及工作原理离子注入的损伤与退火本章要点§5.1扩散的基本原理在高温下，杂质在浓度梯度的驱使下渗透进半导体材料，并形成一定的杂质分布，从而改变导电类型或杂质浓度。思考：扩散的条件？什么是扩散？硅原子杂质原子杂质进入半导体后占据正常的晶格格点，主要是沿着空位向里扩散杂质种类：P,B,As,Al,Ga,Sb,Ge

杂质进入半导体后从一个晶格间隙跃迁到另一个晶格间隙，逐渐向里扩散杂质种类：O,Au,Fe,Cu,Ni,Zn,Mg硅原子杂质原子一、扩散机构：替位式和间隙式替位式扩散间隙式扩散替位式杂质又称慢扩散杂质，间隙式杂质又称快扩散杂质，工艺中作为掺杂一般选择慢扩散杂质，工艺容易控制。慢扩散杂质的扩散系数快扩散杂质的扩散系数形成PN结。形成一定电导率的电阻。形成晶体管的特定区域，如：双极型晶体管的基区、发射区、集电区；MOS管的源区、漏区和多晶硅栅极的掺杂。改变某些材料的机械性能。NPNP掺杂在半导体生产中的作用扩散的三个概念是杂质原子在硅片中扩散的条件之一，是指沿硅片厚度方向浓度的变化率用来表征杂质扩散快慢的物理量D=D0exp(-ΔE/KT)(阿列尼乌斯公式）单位时间内单位面积上通过的杂质的粒子数，符号：J，单位：粒子数/cm2s浓度梯度扩散系数扩散杂质流密度二、扩散规律扩散方程菲克第一定律菲克第一定律反映了杂质流密度、浓度梯度、扩散系数三者的关系负号代表从高浓度向低浓度运动XpSiO2P-SiN菲克第二定律菲克第二定律体现了浓度、距离和扩散时间三者的关系，是一个一元二次偏微分方程，要解此方程必须要有两个辅加条件一个称为边界条件，一个称为初始条件。三种不同扩散方式下的扩散规律（1）恒定表面源扩散：初始条件：t=0,x>0,C(x,0)=0边界条件：X=0,t>0,C(0,t)=CS,C(d,0)=0方程的解：在扩散过程中外界始终提供杂质源，硅片表面浓度恒定。杂质剂量公式Cs：在扩散温度下杂质在硅中的最大固浓度；Erfc：余误差函数；Q：单位面积内的杂质数量：特征扩散长度特点：表面浓度固定，杂质剂量可以调整恒定源扩散杂质分布图固溶度曲线离开硅片表面距离杂质浓度（2）有限源扩散：Q：单位面积内的杂质数量初始条件：边界条件：方程的解：表面浓度：杂质分布图离开硅片表面距离杂质浓度特点：表面浓度可调，杂质剂量固定在扩散过程中外界不再提供杂质源，扩散靠预先淀积在硅片表面薄层内的杂质向里推进。如果再分布的特征扩散长度远大于预淀积的特征扩散长度，最终杂质分布近似于高斯分布，反之，最终杂质分布接近于余误差函数分布。特点：表面浓度和杂质剂量均实现可以调整（3）两步扩散法（3）两步扩散法第一步：利用恒定表面源扩散方式在硅片表面淀积一定数量的杂质，称为预淀积。第二步：利用有限源扩散的方式使淀积在硅片表面的杂质向里推进形成一定的分布，称为再分布。1.内建电场的影响在扩散的高温下，掺入杂质基本处于离化状态三、影响扩散规律的其他因素施主杂质杂质原子正离子+电子受主杂质杂质原子负离子+空穴§5.1扩散的基本原理从表面到体内，杂质离子和载流子都存在着浓度梯度，都会由高浓度向低浓度扩散，但由于扩散速率不同，造成从表面到体内的内建电场，此内建电场有助于杂质的扩散，所以构成了电场增强因子。B-B-B-B-B-B-E内内建电场产生示意图1.内建电场的影响Di本征扩散系数ni扩散温度下本征载流子的浓度N掺杂浓度hE电场增强因子当N较小时，内建电场影响不大；当N较大时，内建电场开始产生影响，使扩散系数增大，最大可以是本征扩散系数的2倍。1.内建电场的影响现象：发射区下的基区推进深度较发射区外的基区推进深度大产生原因：在扩散层中又掺入第二种高浓度的杂质，由于两种杂质原子与硅原子的晶格不匹配