第三章扩散.ppt

第三章 扩散,引言,：,掺杂是将一定数量的杂质掺入半导体材料的工艺,.,掺杂的实际作用主要是改变半导体材料的电学特性,.,扩散是集成电路制造中重要的掺杂方法之一。所谓,扩散,就是在高温下将一定数量的某种杂质掺入到硅晶体中，并使杂质数量、分布形式和深度等满足要求，这种扩散是,固态扩散,，扩散的机理仍然是杂质浓度梯度造成扩散运动。,IC,中器件的结构和性能基本上有扩散工艺所确定，因此扩散工艺是整个硅平面器件工艺的核心。,PNP,发射区,基区,集电极,PMOS,NMOS,S,S,D,D,应用,1制造晶体管的发射极、基极、集电极,2 制造,MOS,管的源漏极,3,Pdif,、,Ndif,做电阻,4,Pdif、Ndif,做连线,扩散过程,本章主要内容,杂质扩散机构,扩散系数与扩散方程,扩散杂质的分布,影响杂质分布的因素,扩散方法,工艺控制和质量检测,3.1,杂质扩散机构,对于那些半径较小且不容易与硅原子键合的原子，它们在硅晶体中的扩散运动主要以间隙方式进行，即,间隙杂质从一个间隙到另一个间隙,。,3.1.1,间隙式扩散,1,1,2,2,3,3,W,i,间隙杂质获得能量大于,W,i,几率正比于：,间隙杂质每秒跳跃次数：,在间隙位置上的势能相对极小，相邻的两个间隙中间势能极大位置。,3.1.2,替位式扩散,对于那些半径与硅原子相近或比硅原子大的替位杂质从一个晶格位置运动到另一个晶格位置称为,替位扩散,。当替位杂质代替了晶格上的硅原子后，会引起周围畸变，当替位杂质比硅小,(,硼，磷,),时，围绕替位杂质的原子空间将“膨胀”来弥补，相反替位杂质比硅大,(,锑,),，周围原子空间将“收缩”,。,1,1,2,2,3,3,W,s,替位杂质在晶格位置上势能相对最低，而间隙处是势能最高位置。,单位体积的空位数：,N:,单位体积的晶格数；,W,v,:,形成一个空位所需的能量；,每个格点上出现空位的几率,：,替位杂质跳过势垒高度为,W,S,的几率：,替位杂质跳跃率：,结论,：,替位杂质的运动比间隙杂质困难，首先在临近出现空位，同时依靠热涨落获得大于势垒高度的能量才能实现替位运动。,3.2,扩散方程和扩散系数,3.2.1,扩散方程,1885,年,Fick,提出菲克（,Fick,）第一定律，它是描述物质扩散规律的。,菲克第一定律,：如果在一个有限基体内存在杂质浓度梯度，则杂质会产生扩散运动，且杂质的扩散方向是使杂质浓度梯度变小。,菲克第一定律数学表达式：,D,(x,y,z,t),对于一维情况：,DC(x,t)/x,(3.1),量纲：,J(,粒子,/cm2,s),c(1/cm3),D(cm2/s),菲克第一定律的意义：,杂质扩散流密度正比于杂质的浓度梯度，扩散流方向与浓度梯度方向相反，比例系数为该杂质的扩散系数,.,3.2.2,扩散系数,D=D,0,exp(-,E/kT,)=D,0,e,E/,kT,D,0,-,表观扩散系数。,E,扩散激活能，一般替位杂质,E,3,4ev,即扩散系数与该杂质的扩散激活能，扩散温度有关，它表征了该杂质的扩散能力。,3.2.3,菲克第二定律,为了简化分析一维情况，根据物质连续性概念，分析沿扩散方向，研究从,x,到,x+,x,面积为,s,的一个小体积元内杂质数量随时间的变化情况。下图给出了小体积元示意图。,C(x,t),时间,t,t,空间,x,x,根据在小体积元内，单位时间杂质粒子总量减少值等于通过两个截面的流量差这一连续性原理，可得出,两截面流量差,J1,s,J2s=(J1,J2)s,J2=J1+(,J/x,)x,两截面流量差为,J1-(J1+(J/x)x)s=-(J/x)xs,讨论杂质总量的变化,c1xs-c2xs=(c1-c2)xs,c2=c1-(,c/t,)t,杂质总量的变化,c1-(c1-(c/t)t)xs=(c/t)txs,取单位时间：,t=1,单位时间杂质总量变化为,(c/t)xs,根据物质连续性原理，减小的等于流出的。,(c/t)xs,(J/x)xs,c/t=,(J/x),将菲克第一定律,DC(x,t)/x,代入,c/t,=-,Dc/x/x,有,其物理意义是,在单位时间内杂质粒子数的变化与杂质的扩散系数及杂质的浓度梯度的二阶偏微分有关。,3.3,扩散杂质的分布,3.3.1,恒定表面源扩散,在,IC,制造中杂质扩散一般分为二部，第一步称,预淀积,，第二部称,再分布,。一般认为在预淀积过程中，扩散是恒定源表面扩散。即，如果在整个扩散过程中，硅表面的杂质浓度始终不变，这种类型的扩散称恒定表面源扩散。,若表面浓度为,Cs,那么恒定表面源扩散中，有,边界条件,：,C(0,t)=Cs,若杂质在硅内要扩散的深度远小于硅片的厚度,则另一个边界条件为,:,C(,t)=0,此外在预淀积开始时（,t=0,），除了硅片表面与杂质源接触外，硅片内部并没有杂质扩入，所以有,初始条件,：,C(x,0)=0,那么对于恒定表面源扩散，有定解方程,通过做变换，分离变量，求出方程的解：,Cs,表面杂质恒定浓度（个,/cm,3,）,D,扩散系数（,cm,2,/s,）,x,由表面算起扩散的深度（,cm,）,t,扩散时间（,s,）,恒定表面源扩散的杂质分布情况,余误差函数分布,杂质分布主要由温度和时间决定,恒定表面源扩散的主要特点,：,1.,杂质的分布形式,由图可见，在,Cs,一定,的条件下，,扩散时间越长，杂质扩散越深。,t4t3t2t1,x4x3x2x1,扩入到硅中的杂质数量越多,。在时间,t,内，通过单位表面扩入硅中的杂质总量,Q(t),可通过,C(x,t),积分面积求得。,缺点,:,表面杂质浓度,Cs,与杂质在扩散温度下的固溶度有关,而固溶度随温度变化不大,因此,很难通过改变温度来控制表面浓度,这是该方法的不足之处,.,2.,结深,如果扩散杂质与硅基底原有杂质导电类型相反，则在两杂质浓度相同处形成,PN,结。其结深,x,j,可根据,C(x,j,t,)=C,B,由,(3.5),求出，式中,C,B,为硅基底原有杂质浓度。,A=2erfc,-1,(C,B,/Cs),是与,C,B,Cs,有关的常数。取决于,Cs/C,B,比。,Cs/C,B,=10,5,时,A,6.2 ;,Cs/C,B,=10,4,时,A5.5,Cs/C,B,=10,3,时,A4.7 ;Cs/C,B,=10,2,时,A3.7,3.,杂质浓度梯度,杂质浓度梯度,受,Cs,t,和,D(,即温度,T),的影响，在,Cs,和,C,B,一定的情况下，扩散越深，杂质浓度梯度越小。,3.3.2,有限表面源扩散,如果在扩散之前，在硅片表面预淀积一层杂质，在其后的整个扩散过程中，这层杂质作为杂质源，不再有新源补充，这种方式称,有限表面扩散,。两步扩散中的的再分布或主扩属于此种情况。,有定义可引出如下初始条件,:,C(x,0)=0,即在扩散开始时，硅片内部没有杂质,.,同时可得出有限表面源扩散的边界条件：,C(,t)=0(,远大于扩散深度的地方没有杂质,),及,即在以后的扩散中，杂质总量保持为有限的,Q,值。,Q,为每单位面积上的杂质数量，它是由预淀积得来,.,扩散方程满足上述条件的解是,:,(3.6),这就是有限表面源扩散时杂质分布表达式，而,e,-,z,2,是高斯函数形式。因此常称为,高斯分布,。,C,Cs1,Cs2,Cs3,Cb,t1,t2,t3,Xj1,Xj2,Xj3,1.,分布形式 图,3.3,但由于杂质总量不变，所以每条曲线下的积分面积是相等的。任一时刻,t,的表面浓度可由,x=0,代入有限表面源扩散浓度分布，可求出,Cs(t),。,特点,:T,相同时,扩散时间越长,扩散越深,表面浓度越低,;,扩散时间相同时,温度越高,扩散越深,表面浓度下降的越多,.,整个扩散的过程中杂质数量保持不变,3.7,因此，式,3.6,可写成,3.8,2.,结深,如果硅基底原有杂质预扩散杂质具有不同的导电类型，则在两种杂质浓度相等处形成,PN,结，上图,C,B,为基底原有杂质浓度,Xj1,Xj2,Xj3,为不同扩散时间形成,PN,结的结深。,在结深处,X=,Xj,有,3.9,求得,3.10,令 则,3.11,对于高斯分布，,B,与,Cs/C,B,比有关，当,Cs/C,B,10,5,时，取,B=6.8,Cs/C,B,10,4,时，取,B=6.0,Cs/C,B,10,3,时，取,B=5.3,Cs/C,B,=10,2,时，取,B=4.3,3.,杂质浓度梯度,杂质浓度梯度受,Cs,t,和,D(,即温度,T),影响扩散越深，杂质浓度梯度越小。,3.3.3,两步扩散法,实际生产中，扩散温度一般为,900,1200,摄氏度，在此温度范围内硼，磷，砷等在硅中固溶度变化不大，采用恒定表面源很难得到低表面浓度的杂质分布形式。为了同时满足对表面浓度，结深等方面要求。,实际采用的扩散往往是把两种扩散方式结合。,第一步称预扩散或预淀积，属恒定表面源扩散。目的是控制杂质总量。第二步称主扩散或再分布，属有限表面源扩散。目的是控制表面浓度和扩散深度,课堂习题,(1),写出扩散的一般步骤,及每一步的目的,(,参考课件扩散过程图片,);,(2),在,1000,摄氏度下向硅中扩散硼，扩散时间是,1,小时，表面浓度保持在,10,19,原子,/,cm,3,。求,Q,（,t,）及,x=0,处的杂质浓度梯度（已知，在,1000,摄氏度时，硼的扩散系数为,2,10,14,cm,2,/s,）。,（,3,）用气相砷化三氢预淀积砷，结果得到单位面积杂质总量为,1,10,14,原子,/cm,2,。问需要多长时间才能使砷达到,1,m,的结深。设衬底掺杂为,C,B,=1,10,15,原子,/cm,3,，再分布扩散温度为,1200,摄氏度，对于砷扩散，,D,0,=24cm,2,/s,和,E=4.08eV,=8.614,10,-5,。,3.4,影响杂质分布的其它因素,3.4.1,硅中点缺陷,3.4.2,扩散系数随掺杂而增大（掺杂诱生空位）,3.4.3,氧化增强扩散（,OED,）,杂质以替位间隙交替运动扩散速度比替位替位快。,3.4.4,发射区推进效应,在,npn,窄基区宽度晶体管制造中，如果基区扩硼，发射区扩磷，则发现在发射区正下方的基区硼扩散深度要大于不在发射区正下方的硼的扩散深度。称这种现象为发射区推进效应或发射区下陷效应。,N,P,N,Wb,E,B,c,理想,NPN,管杂质分布,N,P,N,c,B,E,Wb,推进效应时,NPN,管杂质分布,上图说明了磷发射区对硼基区的挤压现象。实际上是磷高浓度扩入引起较高的晶体缺陷，特别是磷与空位作用。产生复合效应。使其附近空位浓度增加，使硼扩散速度加快。造成,发射区推进效应,。其结果对制造器件不利。因为希望得到平坦的结表面，,EB,结，,BC,结击穿电压都与结曲率半径成正比,小的不平坦会产生点击穿，非常有害，但改用砷发射区就好得多。,3.4.5,二维扩散,扩散往往是在硅表面特定区域进行，而不是在整个硅片表面进行，即称为,选择扩散,或称窗口扩散。窗口是通过光刻方法在,SiO2,上刻出一块裸露出,Si,的区域。窗口外的,SiO2,对扩散杂质起到了掩蔽作用。,实际扩散中，杂质在通过窗口以垂直硅表面扩散的同时，也向窗口边缘附近的硅进行横向扩散，这就是纵横扩散，是二维的,。,研究二维扩散更加复杂，但实际上横向扩散距离比纵向小。一般情况下，横向的扩散距离等于纵向的,0.7,0.8,。因此在计算,PNP,Wb,时要考虑横向扩散结果。,E,c,B,Wb,P,N,图,3.5,pnp,Layout,L,3.5,扩散方法,3.5.1,固态源扩散,固态源大多数是杂质的氧化物或其它化合物，如,B,2,O,3,P,2,O,5,BN,等。,扩散系统通常是开管扩散，而源制成和硅片尺寸相等的源片，源片和硅片相间均匀放置在石英舟上，在扩散温度下，杂质源蒸汽包围硅片并发生化学反应释放杂质并向硅中扩散。如扩硼，固态源为,B,2,O,3,BN,。,2B,2,O,3,+3Si=4B+3SiO,2,B,2,O,3,是无色透明固体粉末，性硬而脆，能溶于酸和醇中，热稳定好。最后形成的硼硅玻璃,(BSG),附着在表面上，在固态源扩散中还有箱法扩散。,下图给出了开管固态扩硼系统示意图,开管固态扩硼系统示意图,石英管道,电炉丝,阀门,O,2,N,2,硅片,源片,高温扩散炉,载片石英舟,结排风口,O,2,N2,源瓶保持,0,摄氏度。,POCl3,接排风口,其他说明见开管扩散,液态源扩散系统,磷扩散通常采用液态源扩散，液态磷源常用,POCl,3,。,2POCl,3,+3H,2,O=P,2,O,5,+6HCl,2P,2,O,5,+5Si=4P+5SiO,2,最后在扩散温度下，形成磷硅玻璃,(PSG),附着在表面。,硼硅玻璃，磷硅玻璃是扩散中过量,B,2,O,3,P,2,O,5,与,SiO,2,形成的产物，不但玷污硅片，而且使设计的杂质分布受到影响，因此在主扩之前一般用氢氟酸漂掉。,一.工艺控制,二.质量检测,3.6 工艺控制和质量检测,一.工艺控制,污染控制：颗粒、有机物、薄膜、金属离子,污染来源：操作者,清洗过程,高温处理,工具,参量控制：温度，时间，气体流量(影响最大?),1.温度控制：,源温、硅片温度、升温降温、测温,2.时 间,：,进舟出舟自动化,3.气体流量：,流量稳定，可重复性,二.质量检测,1.质检项目,2.结深测量,3.扩展电阻法,4.方块电阻测量,1.扩散工艺质量检测项目,2.结深测量,3.扩展电阻法,4.方块电阻测量,三、质量分析,1硅片表面不良：表面合金点；表面黑点或白雾；表面凸起物；表面氧化层颜色不一致；硅片表面滑移线或硅片弯曲；硅片表面划伤，边缘缺损，或硅片开裂等。,2,漏电电流大：表面沾污引起的表面漏电；氧化层的缺陷破坏了氧化层在杂质扩散时的掩蔽作用和氧化层在电路中的绝缘作用而导电；硅片的缺陷引起杂质扩散时产生管道击穿。,3薄层电阻偏差。,4器件特性异常,：击穿电压异常；,h,FE,异常；稳压二极管稳压值异常。,结深测定,扩散工艺是制造,PN,结的最重要工艺，扩散后的,杂质分布,，,结深,直接影响器件的击穿电压，电流增益,等等。因此扩散质量关系,IC,制造的成品率，优品率。,3.6.1,结深测定,利用磨结染色，光干涉法测。,染结硫酸铜溶液配方：,CuSO,4,5H,2,O:48%HF:H,2,O=5g:2ml:50ml,3.6.2,薄层电阻测量,由于,IC,设计中的电阻通常采用扩散电阻来制作，下图给出了扩散电阻的,Layout,图。,P,N,L,w,Xj,当,L=W,时,而此时的电阻，,R=R,定义为薄层电阻,(,/),则,R,=,/,x,j,。即薄层电阻与平均电阻率成正比，与结深成反比。,由于,R,x,j,而,=1/,=1/q,N,那么就可以建立,R,=,/,x,j,=1/q,N,x,j,当,一定，,x,j,为测得值时，可以用,R,表示,N,在设计扩散电阻,R,时，如果已知,R,的数据，那么,L/w,称为方块数，,R,由制造厂商提供准确值。,R,的测量通常用四探针法，,(v/I)TCF,将,T,外延层厚度换成扩散电阻结深,Xj,并写成,/,x,j,=(v/I)CF,R,=(V/I)CF,当扩散样品的宽度,探针间距时，,C=4.53,当探针间距,结深,x,j,时，,F=1,此时,R,=4.53(V/I),3.6.3,二极管特性检测,由于扩散后一般都可以形成,PN,结二极管，测二极管的正反向击穿特性，可以判断扩散质量。,3.6.4,三极管特性检测,三极管具有两个,PN,结，测三极管特性,BVceo,BVcbo,BVbeo,就可以判断硼扩，磷扩质量。,一般,Layout,设计，都有加工厂商特别设置的测试图形，可直接用探针探测磷扩，硼扩后形成的各个区域，随时监视扩散结果，以保证不出废品。,3.6.5,表面检测,扩散后片子表面应无硼硅玻璃，磷硅玻璃花斑玷污，颜色均匀。,第三章 扩散作业题,1.,设硅衬底为,P,型，杂质浓度,C,B,=710,14,(cm,-3,),在,1190,摄氏度下扩,S,b,此温度下,S,b,扩散系数为,D,sb,=2.210,-13,(cm,2,/s),此扩散可以认为是恒定表面源,扩散，,Cs=710,19,(cm,-3,),。问经,4,小时扩散后，,PN,结结深,X,j,为多少？,2.,在,3DK3,开关管硼再分布中，扩硼温度为,1180,摄氏度，此温度下硼扩散系数,D,B,=1.210,-12,(cm,2,/s),基底为,N,型外延片,C,B,=510,15,(cm,-3,),若扩散后硼的表面浓度,Cs=510,18,(cm,3,),。共扩散,40,分钟，问扩散结深,x,j,为多少？,本章总结,掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成,PN,结、电阻、欧姆接触,磷,(P),、砷,(As)N,型硅,硼,(B)P,型硅,掺杂工艺：扩散、离子注入,重点掌握：,（,1,）扩散的目的，过程，特点,（,2,）杂质扩散机构：间隙式扩散和替位式扩散,替位式扩散：,杂质离子占据硅原子的位：,、,族元素,一般要在很高的温度,(950,1280),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中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层,间隙式扩散：,杂质离子位于晶格间隙：,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,（,3,）杂质扩散原理：菲克定律,（,4,）扩散杂质的分布：余误差函数分布和高斯分布,