第三章扩散.ppt

1、第三章集成电路制造技术的扩散，戴宪英，西安电子科技大学微电子研究所，2010年3月，关于掺杂，目的：改变半导体：电学特性的定义，将所需的杂质以一定的方式掺杂到半导体衬底的指定区域，达到指定的数量，满足所需的分布。用途：制作PN结集成电路欧姆接触区的硅栅互连线方法：(热扩散)离子注入，关于扩散，定义：将掺杂气体随硅片引入高温炉，以达到将杂质扩散到硅片中的目的。方法：按掺杂源分为固体源扩散：开管扩散、箱式扩散和涂层源扩散；液体源扩散：气体源扩散分为两类：开管和闭管。3.1扩散机制，3.1.1间隙扩散的定义-杂质在晶格之间的间隙中移动(扩散)。间隙位置的势能相对较小，两个相邻间隙之间的势能是最大值，

2、必须穿过势垒(图3.1)。f(Wi)exp(-Wi/kT)玻尔兹曼统计分布显示每单位时间的跃迁概率(跃迁速率)Pi=0exp (-Wi/kt)，0杂质振动频率(在室温下，Pi是每秒一次)，以及具有较小间隙杂质半径的原子，例如H.3.1扩散机制，3.1.2替代扩散的定义-杂质原子从一个格点替代位置移动到另一个格点。在晶格附近存在空位(图3.2)势垒的前提下，与能隙公式相反，最小势能在晶格位置，能隙在最大势能位置，因此必须跨越势垒Ws(图3.3)。跃迁概率Pv=0 exp-(Wv Ws)/kT，Wv-空位形成所需能量和杂质半径与si相似的原子，如As b、p、As、s b等。3.2扩散系数和扩散方

3、程，实质上：扩散是微观粒子不规则热运动的统计结果。方向：高浓度向低浓度扩散3.2.1菲克第一定律J=-D扩散系数(cm2/s)，浓度梯度“-”从高浓度向低浓度扩散J扩散流密度：单位时间内通过单位面积的杂质数。3.2扩散系数和扩散方程，3.2.2扩散系数D=D0 exp(-E/kT) D0表观扩散系数，即扩散系数E=1/kT 0时的活化能；间隙扩散：E=W1，置换扩散：E=Ws Wv D是描述粒子扩散速度的物理量，是微观扩散的宏观描述。3.2扩散系数和扩散方程，D0、E和t决定d (d=d0exp (-e/kt)，d与E成反比，为置换扩散：E=Ws Wv，高能，慢扩散；间隙扩散：能量密度，低能量

4、，快速扩散。d与温度成正比。高温扩散：温度=800-1000；例如，在室温下，硅中的替代杂质必须等待1045年才能跳一步。精确的温度控制：如果T=1，d=5%-10%。引自李乃平微电子器件技术，3.2扩散系数和扩散方程，3.2.3菲克第二定律扩散方程，对于硅平面技术，如果扩散流近似沿垂直于硅表面的方向(X方向)，则质量守恒：在单位时间内，在离开dx的两个平面(单位面积)之间，杂质数的变化等于通过两个平面的流量差，即扩散方程，3.3扩散杂质的浓度分布， 3.3.1恒定表面浓度扩散(恒定表面浓度扩散)定义3360在扩散过程中，硅晶片表面的杂质浓度总是恒定的(等于杂质在硅中的溶解度)。 工艺示例：预

5、沉积工艺的初始条件：当t=0，n (x，0)=0时；边界条件：N(0，t)=Ns，N(，t)=0；求解扩散方程，得到，3.3.1常数面源扩散，简化，并得到剩余误差分布中的扩散长度；Ns=NSi(杂质在硅中的固溶度)；Erf(x)误差函数；Erfc(x)互补误差函数；3.3.1恒定表面源扩散，总杂质结深度：对应于N(x，t)=NB的扩散距离(位置)特征：(1)表面浓度Ns不随时间变化；(2)结深和杂质总量随时间变化；3.3.1恒定表面源扩散，3.3例如：再分布过程的初始条件：(假设杂质总量均匀分布在厚度为的薄层中；)0 x，N(x，0)=Q/=Ns；x，N(x，0)=0；边界条件：n(t)=0；

6、3.3.2有限表面源扩散/常数-总-掺杂物，求解扩散方程，得到高斯分布的表面浓度结深特性：(1)表面浓度ns随扩散时间变化；(2)杂质的总量不随扩散时间而变化。3.3.3两步扩散工艺，第一步：在低温(800900)下，在短时间内获得浅结恒定源扩散，即预沉积(预扩散)；步骤2:在较高温度(1000-1200)下对预沉积的晶片进行深结扩散，最终达到所需的表面浓度和结深，即再分布(主扩散)。例如，双极器件的基区要求Ns=1017-1018 cm-3，XJ=2-3 m。如果恒定源用于一次扩散并且b被掺杂，则最大固溶度NSi=5x 1020 cm-3不能使Ns满足要求。3.3.3两步扩散法，两步法的浓度

7、分布：沉积前恒定源扩散、低温、短时间和浅扩散。目的：准确控制表面杂质的总量q .残留误差分布；3.3.3两步扩散工艺，再分布(主扩散)，高温，深结目的：达到所需的Ns和XJ A。如果再分布起决定性作用，或高斯分布表面浓度B。如果D2t2 D1t1，预扩散起决定性作用，基本上根据残余误差分布，1扩散，3.4影响杂质分布的其他因素线缺陷：位错等。点缺陷：由杂质原子引起的缺陷，如空位、间隙和间隙原子群。空位缺陷：晶格中缺少一个硅原子。中性空位V0有一个带负电的空位V-两个带负电的空位v-a带正电的空位V，图3.13硅中空位的能带图，3.4影响杂质分布的其他因素，3.4.2扩散系数与杂质浓度的关系。实

8、验证明，当Nni，D与n相关时，称为非真实扩散系数(De)。扩散系数与空位浓度成正比，空位浓度与掺杂浓度V0和n无关；高掺杂施主可以增加钒和钒的浓度。高掺杂受体可以增加钒浓度。各种空位以不同的方式与离子化的掺杂原子相互作用，从而具有不同的e和d。3.4影响杂质分布的其他因素，总扩散系数为低掺杂(本征扩散系数)Di=Di0迪迪- Di2- Di0，Di，Di-，Di2-:杂质与V0，V，V-，相互作用的扩散系数为高掺杂(本征扩散系数)De=Di0di (p/ni) Di-，分别为P-空穴浓度；3.4影响杂质分布的其他因素，3.4.3 EOD实验结果：磷、硼、砷等。在氧化气氛中扩散。3.4影响杂质

9、分布的其他因素、3.4.3氧化增强扩散(EOD)氧化增强机制取代-间隙交替的双重扩散：硅-二氧化硅界面产生的大量间隙硅与取代硼、磷等相互作用。使替代乙、丙成为差距乙、丙；当相邻晶格中存在空位时，硼和磷以取代模式扩散，当没有空位时，硼和磷以间隙模式扩散。硼和磷的间隙扩散效应较强。因此，它的扩散速度比简单替代要快。锑的氧化扩散减弱：锑主要是取代扩散，间隙硅与空位复合，降低了空位浓度。砷的氧化增强作用低于硼和磷：替代-间隙扩散相当。3.4影响杂质分布的其它因素，3.4.4发射极区推进(下沉)效应的实验现象：在氮磷管工艺中，发射极区下面的内基区B的扩散深度大于发射极区外面的扩散深度。推进(崩塌)机制：

10、大量过饱和的钒磷钒磷钒磷钒磷向基区深处扩散，提高了硼的扩散速度；磷钒的分解导致大量的间隙硅，这也增强了硼的扩散。，3.4影响杂质分布的其他因素，3.4.5二维扩散(横向扩散)实际扩散：杂质在硅表面垂直扩散，同时横向平行于硅表面。当硅中的浓度比Ns小两个数量级时，横向扩散深度为：是纵向扩散的75%-85%。高浓度掺杂是纵向扩散的65%- 70%。3.4影响杂质分布的其他因素、横向扩散的影响超大规模集成电路的集成度降低：设计尺寸(如沟道长度)大于实际尺寸。横向穿通效应，3.5扩散过程(自学)，根据扩散系统：开管、闭管和盒法；根据杂质来源：固体、液体和气体；3.5扩散过程，3.5.1固体源的扩散成分

11、：主要是掺杂元素的氧化物，如B2O3、P2O5、BN:薄片、粉末、乳胶、薄膜(掺杂多晶硅)扩散方式：开口管的杂质源为薄片和粉末，杂质源与si不接触均分。特点：工艺简单，重复性和稳定性好。3.5扩散工艺，箱式法：将杂质源和硅片放在带盖的应时箱中。特征：恒定面源扩散，即NS=NSi；它有打开和关闭管道的优点。涂布源法：将掺杂扩散杂质的乳胶源旋涂在硅片上。特点：适用于各种扩散杂质；薄膜法：首先，用化学气相沉积法在硅片上沉积一层含有扩散杂质的薄膜，如二氧化硅、多晶硅和氮化硅。特点：流程灵活。3.5扩散过程、3.5.2液体源扩散掺杂源：液体化合物，如三氧化二钴、三氯化碳、三氯化砷，方法：携带气体进入扩散

12、炉(N2)；特点：掺杂量控制准确，均匀性和重复性好。3.5.3气体源扩散掺杂源：气体化合物，如PH3、AsH3、B2H6、BCl等。它有毒，需要用N2和Ar2稀释至1%-2%。特点：与液源扩散相比，操作更方便。3.5扩散过程，3.5.4杂质源1。掺杂源固态：粉末- B2O3，氮化硼；陶瓷片氮化硼、二氧化硅和氧化铝；反应：bno 2 B2 O3 N2 B2 O3 sib SiO 2；硼硅酸盐玻璃：BSG，在二氧化硅中掺杂B2O3。B2O3的性质：无色粉末，熔点577，沸点1860，溶于酸和醇。3.5扩散过程，2。磷掺杂源固态：粉状P2O5；陶瓷板P3N5和SiP2O7铝(PO3)3的反应：P3N 5 o 2 p2o 5 N2 p2o 5 Sipcoi 2；磷硅酸盐玻璃：PSG，二氧化硅中掺杂P2O5。液体：三氯化碳、五氯苯酚、三溴二苯醚、三氧化二磷。在高温(600)下，POC L3 p2o 5 PCL 5o 2 p2o 5 cl 2 p2o 5为白色粉末，熔点为420，300，吸水性强。3.6扩散工艺开发，自学，3.7扩散层质量参数，包括：结深xJ，块电阻R(RS)，表面浓度NS，击穿电压BV等。结深xj的定义：pn结几何位置与扩散层表面之间的距离。让衬底的杂质浓度为NB，即N(XJ，t)=NB，得到3.7的扩散层质量参数和结深测量值(参考微电子实验，实验30)。a .