集成电路工艺原理3.pptx

本章概要n引言n热扩散掺杂的微观机构和宏观描述n扩散层的质量参数与扩散方法选择n影响扩散杂质分布的其他因素n第第1页页/共共85页页3.1 引言 掺杂方法半导体工艺中的主要掺杂方法有：高温扩散法离子注入掺杂中子嬗变掺杂其他掺杂方法n第第2页页/共共85页页3.1 引言掺杂用途掺杂的用途：制结（pn结）：制作二极管，晶体管，晶闸管等；形成欧姆接触；作电阻、电容；隔离；添加“复合产生中心”；调节器件的电参数n第第3页页/共共85页页3.1 引言高温扩散法 一人抽烟，满屋充斥烟味，这就是烟分子在气体中扩散的结果。一杯清水中滴入几滴蓝墨水，会使整杯水变成蓝色这就是墨水分子在液体中扩散的结果。原子(或分子)在固体中也会扩散，只不过在常温下因扩散速度太慢而不易被察觉罢了，但在高温下是极为显著的。n扩散：扩散是微观粒子作无规则热运动的结果。n浓度差别的存在是产生扩散运动的必要条件；n环境温度的高低是决定扩散运动快慢的重要因素。n第第4页页/共共85页页3.1 引言扩散设备P型或n型杂质气体石英舟石英管硅片杂质源杂质源n第第5页页/共共85页页3.1 引言扩散示意图P硅衬底SiO2SiO2N型掺杂气体Nn第第6页页/共共85页页3.1 引言扩散分类n以杂质源形态分类n固源扩散：B2O3n液源扩散：POCl3n气源扩散：PH3、BH3n以扩散形式分类（杂质源 硅片）n以杂质扩散进入硅片的分布形式分类n气相固相扩散（三种源都可以使用）n液相固相扩散n固相固相扩散n n无限表面源杂质扩散分布：余误差分布无限表面源杂质扩散分布：余误差分布n n有限表面源杂质扩散分布：高斯分布有限表面源杂质扩散分布：高斯分布n第第7页页/共共85页页3.1 引言扩散中杂质的含义杂质（相对于被掺杂的衬底而言）：杂质源的纯度相当高，一般要6个9；杂质为人为控制的杂质，与工艺中的污染不同；掺入的杂质总量是“痕迹量”，是以原子个数来计算的，稍有“污染”，则扩散结果就失效；n第第8页页/共共85页页3.1 引言离子注入过程n离子注入的过程原子 离子 高能离子（100200keV）去除不需要的离子 注入硅 退火（使杂质在硅中就位，减少缺陷）电离加速质量分析n第第9页页/共共85页页3.1 引言离子注入特点n优点n一次到位：杂质分布为高斯分布；n杂质源纯度很高，可以分离出同位素；n可以精确控制结深，杂质的横向扩展比扩散方法要小得多；n掺杂的均匀性好；n温度低：小于600；n可以注入各种各样的元素；n可以对化合物半导体进行掺杂；n缺点n注入杂质不一定激活：低温注入的离子无活性，必须激活；n有晶格损伤；n适于浅结；n设备昂贵，上百万；n第第10页页/共共85页页3.1 引言中子嬗变掺杂 中子嬗变掺杂：一般用于衬底的均匀掺杂。高能中子流轰击Si片部分被照Si原子嬗变生成新的杂质原子相当于掺了杂质原子n特点：n掺杂非常均匀，原子原地不动就掺了杂，故晶格无畸变，不引入新的位错、层错和晶格畸变。n只能用来对衬底整体均匀掺杂，不能用于制作pn结。因为中子穿透力很强，无法控制区域和深浅。n第第11页页/共共85页页3.1 引言扩散理论 扩散是微观粒子作无规则热运动的统计结果，总是由粒子浓度较高的地方向着浓度较低的地方进行而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。浓度的差别越大，扩散也越快。大量实验证明，在一维情况下，单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子数 扩散粒子流密度J(x,t)与粒子的浓度梯度成正比，即有所谓“费克第一定律”式中负号表示扩散是由高浓度处向低浓度处进行的；比例常数D是粒子的扩散系数(取决于粒子本身的性质和扩散条件)。n第第12页页/共共85页页3.2热扩散微观机构和宏观描述扩散微观机构 半导体中的原子是按一定规则连续排列的。杂质原子如何才能扩散进入到半导体中去呢？典型的方式有两种：半径较小的杂质原子可以从半导体晶格的间隙中“挤”进去，这就是所谓“间隙式”扩散；半径较大的杂质原子则只能替代半导体原子而占据格点的位置，再依靠周围空的格点(即空位)来进行扩散，这就是所谓“替位式”扩散。n第第13页页/共共85页页3.2热扩散微观机构和宏观描述间隙式扩散n第第14页页/共共85页页间隙式扩散3.2热扩散微观机构和宏观描述EiEi为间隙原子运动时必须越过的势垒高度，实验指出Ei约为1ev数量级n第第15页页/共共85页页间隙式扩散 晶体中的间隙原子要由一个间隙运动到近旁的另一晶体中的间隙原子要由一个间隙运动到近旁的另一个间隙必须越过一个势能较高的区域个间隙必须越过一个势能较高的区域势垒。势垒。在一定温度在一定温度T T下，间隙原子在间隙中心位置附近处下，间隙原子在间隙中心位置附近处将不断地进行热运动，其振动频率设为将不断地进行热运动，其振动频率设为0(1010121210101313s s-1)，而平均振动能量可求得为kT（在室温下，kT0.026eV；在1200下，kT 0.13eV）。间隙原子间隙原子要能越过势垒要能越过势垒Ei ，至少需要具备能量至少需要具备能量Ei ，但但Ei比比kTkT大大得多，因此，间隙原子必须依靠热涨落以获得大于得多，因此，间隙原子必须依靠热涨落以获得大于Ei的的能量，才能越过势垒。按照玻尔兹曼统计，显然发生这能量，才能越过势垒。按照玻尔兹曼统计，显然发生这种情况的几率正比于种情况的几率正比于exp(-exp(-Ei/kT)/kT)。则单位时间内间隙则单位时间内间隙原子越过势垒跳到相邻间隙去的次数原子越过势垒跳到相邻间隙去的次数(或几率或几率)既跳跃率既跳跃率为：为：可见，间隙原子的运动与温度密切有关。温度升高，可见，间隙原子的运动与温度密切有关。温度升高，P Pi i指数式地增加。指数式地增加。3.2热扩散微观机构和宏观描述n第第16页页/共共85页页3.2热扩散微观机构和宏观描述间隙式扩散 为了明确间隙原子的扩散系数D与温度T之间的关系，下面进一步讨论Pi与D之间的联系。a x xx+ax+a 为简单起见，考虑一维间隙原子的扩散。设晶格常数为a，间隙原子在x处的载流子密度为N(x)。现在考虑相邻间隙位置的两个面，其坐标分别为x和x+a。n第第17页页/共共85页页间隙式扩散3.2热扩散微观机构和宏观描述 在x处单位体积上的间隙原子数就是该处的一个轴线平行于x轴、长度为a、截面积为1的圆柱体内的间隙原子数即N(x)a，同样，在x+a处单位体积上的间隙原子数为N(x+a)a。因此，间隙原子在单位时间内通过单位截面积、由x处跳跃到x+a处的原子数目为N(x)aPi，而由x+a处跳跃到x处的原子数目为N(x+a)aPi。x xx+ax+an第第18页页/共共85页页间隙式扩散3.2热扩散微观机构和宏观描述 因此在t时刻通过x面处的间隙原子扩散流密度为（认为x增大的方向为浓度减小的方向）n第第19页页/共共85页页间隙式扩散的扩散系数3.2热扩散微观机构和宏观描述 其中D为表观扩散系数（即T时的扩散系数）。对硅：Au，Ag，Cu，Fe，Ni都为间隙式原子。由费克第一定律比较可知：n第第20页页/共共85页页替位式扩散3.2热扩散微观机构和宏观描述Es为替位原子运动时必须越过的势垒高度Esxn第第21页页/共共85页页替位式扩散3.2热扩散微观机构和宏观描述 先来看看替位原子的运动。如果替位式杂质原子的近邻没有空位，则替位原子的运动需要通过它与近邻晶格原子互换位置才能实现，这要求替位原子周围的晶格有很大的畸变，即需要相当大的能量，所以这样的过程难以实现。实际上替位原子只有当近邻格点处有一个空位时才有可能进入近邻格点而填充这个空位。因此替位原子的运动与间隙原子运动不同，替位原子的运动必须以其近邻处有空位存在为前提。在完整晶体的假设下，空位是怎么产生的呢？由于热涨落在晶体中产生两种缺陷：n肖特基缺陷：晶格原子跑到了表面，在体内形成空位；n弗伦克尔缺陷：晶格原子，跑到间隙中间，成了间隙原子，在原位置产生空位。n第第22页页/共共85页页替位式扩散3.2热扩散微观机构和宏观描述 在热平衡下，一定晶体中的空位数目是一定的，它们是温度的函数。如果把一个原子从晶体的格点上拿到晶体表面（即在晶体内形成一个空位）所需的能量为EV（对硅晶体，EV2.3eV），晶体原子密度为N，则根据玻尔兹曼分布，在温度T时，单位晶体体积中的空位数目（空位密度）为：为每一个格点出现空位的几率即：即：n第第23页页/共共85页页替位扩散的跳跃率 另外，替位原子要从一个格点位置运动到另一个格点位置，除了需要在另一个格点处有空位存在以外，也必须越过一个势垒（替位原子在格点位置的势能最低，在格点之间的间隙处势能较高）。替位原子依靠热涨落而能够跳过势垒Es的几率显然为 替位原子的跳跃率应该是近邻出现空位的几率乘以替位原子跳入该空位的几率其中Ea=Es+Ev3.2热扩散微观机构和宏观描述n第第24页页/共共85页页替位式扩散的扩散系数3.2热扩散微观机构和宏观描述 对Si：P，As，Sb，B，Al，Ga，In都为 替位式原子。由于Ea=Es+EvEi，（实验指出，对硅中的替位式杂质原子Es+Ev约为3-4eV）所以替位式扩散系数小于间隙式扩散系数：D替(慢扩散杂质)D间(快扩散杂质)扩散中制结的杂质都为替位式杂质，即“慢扩散杂质”。n第第25页页/共共85页页增强扩散3.2热扩散微观机构和宏观描述 上面我们讨论了杂质原子在完整晶体中扩散的一般机理。但如果晶体不是很完整，则实验表明。其中的缺陷能大大加速（增强）杂质原子的扩散。对于间隙式杂质，这不必多说因为它们本来扩散就很快，而且缺陷处更为其提供了藏身之地。对于替位式杂质，缺陷之所以能加速其扩散，显然是由于缺陷提供了额外的空位（缺陷处的原子键合不全，能量较高，是易于产生空位的。）由上述讨论可以想见，替位原子的扩散过程，实质上也就是空位的产生与空位相继扩散的过程。可以仿照前式引入空位的扩散系数为：n第第26页页/共共85页页增强扩散 所以，若空位密度的相对增加为所以，若空位密度的相对增加为N Nv v/N/N，则替位原则替位原子扩散系数的增加为子扩散系数的增加为 可见只要有增加空位的作用存在，就可以使替位原子的扩散得到加速。硼或磷在多晶硅中的扩散要比在单晶中快得多，在高位错硅中的扩散要比在无位错硅中的扩散快得多，原因就在于晶格位错等缺陷能产生出大量的空位，从而加速了杂质原子的扩散。有实验指出，在1200下，硼在高位错密度硅中的扩散系数增大约20。3.2热扩散微观机构和宏观描述n第第27页页/共共85页页热扩散层中的杂质分布：扩散方程3.2热扩散微观机构和宏观描述 前面费克第一定律说明了影响扩散的有关因素，并表明在扩散过程中总是有浓度梯度存在的。因此可以想见，在扩散层内杂质浓度不是均匀的，将具有一定的分布形式。下面就来导出决定这种分布形式的具体规律：费克第二定律。x x+x x+x xj(x,t)j(x,t)j(x+j(x+x,t)x,t)S Sn第第28页页/共共85页页热扩散层中的杂质分布：扩散方程3.2热扩散微观机构和宏观描述 在x处取一个垂直于扩散方向的小面积S，并取很小的X，S和X都很小以至可以近似地把由S和X构成的小体积内的杂质原子浓度看成是与x无关的函数。在t时刻这个小体积(SX)内的杂质浓度为N(x,t)。在t+t时刻由于扩散而使浓度变为N(x，t+t)则在t时间里该小体积内的杂质数目由N(x,t)SX 变为N(x，t+t)SX，即杂质减少了N(x,t)-N(x，t+t)sx。而在这个过程中由于扩散进入该小体积的杂质原子数为j(x,t)st，扩散出去的杂质原子数为j(x+x,t)st，出进之差为j(x+x,t)-j(x,t)st（在这段时间将J视为与t无关的函数）n第第29页页/共共85页页热扩散层中的杂质分布：扩散方程3.2热扩散微观机构和宏观描述考虑一维近似：即得到扩散方程(费克第二定律)其中假定了扩散系数D与杂质浓度N(x,t)无关。对各种情况（即不同的边界条件）求出扩散方程的解就可得出杂质浓度N与扩散时间t和位置x间的关系，即杂质浓度的分布N(x,t)。在生产中经常遇到的扩散情况有两种，即恒定表面源的扩散和有限源的扩散。n第第30页页/共共85页页恒定表面源扩散分布3.2热扩散微观机构和宏观描述 在这种扩散过程中，杂质不断进入硅片内，而表面杂质浓度始终保持不变。基区、发射区的预扩散均可认为属于这种情况的扩散。n初始条件：t=0，x0时，N（x,0）=0（在本征硅上扩散）n边界条件：在t0，x=0时，N（0,t）=Ns（实际上建立恒 定表面需要时间，大概1-3分钟）在t0，x时，N（，t）=0简写为 N(x,t)n第第31页页/共共85页页恒定表面源扩散分布3.2热扩散微观机构和宏观描述随着扩散时间的加长，尽管表面浓度保持不变，但扩散深度却越来越大。erf(x)是误差函数，erfc(x)是余误差函数n第第32页页/共共85页页恒定表面源扩散分布3.2热扩散微观机构和宏观描述N(x,t)NsxNB0t1t2t3t4xj1xj2xj3xj4t4 t3 t2 t1特点：实际工艺中衬底有一定的杂质浓度t，Q在X处的杂质浓度N(x,t)随时间t而增加；t，xj给定D，Ns则杂质分布N(x,t)确定n第第33页页/共共85页页恒定表面源扩散分布3.2热扩散微观机构和宏观描述N型掺杂气体型掺杂气体P型衬底 NBNsNB结深示意图n第第34页页/共共85页页恒定表面源扩散：结深的计算3.2热扩散微观机构和宏观描述式中A是与比值NB/Ns有关的常数n第第35页页/共共85页页恒定表面源扩散：原子总量和浓度梯度计算杂质浓度梯度：杂质原子总量Q：3.2热扩散微观机构和宏观描述由此可见，随着扩散深度的加大，浓度梯度将愈来愈小。在xj处的梯度：n第第36页页/共共85页页恒定表面源扩散：扩散流密度计算x处的J(x,t)：表面处的扩散流密度 J(0，t)愈大，则意味着扩散愈快。t，xj，J0；即扩散到一定程度，结将无法推动。1随着扩散时间的推移，扩散速度将愈来愈慢。道理是明显的，因为开始时杂质浓度梯度较大，而后来浓度梯度逐渐变小 2表面浓度Ns愈大扩散愈快。因为Ns的增大将相应使浓度梯度提高。3.2热扩散微观机构和宏观描述n第第37页页/共共85页页有限表面源扩散 扩散开始时，表面放入一定量的杂质源，而在以后的扩散过程中不再有杂质加入，这种扩散就是有限源的扩散。设扩散开始时单位面积表面的杂质源总量为Q，且均匀分布在极薄的一个薄层（厚度为h）内，即认为杂质的初始分布是函数。则这时扩散的初始条件和边界条件为：3.2热扩散微观机构和宏观描述n第第38页页/共共85页页有限表面源扩散3.2热扩散微观机构和宏观描述初始条件：t=0 0h，N（x,0）=0在t0，x0时因扩散是在不再加入杂质源的条件下进行的，则不会有杂质原子通过x0的表面，于是边界条件：x=0 x=N（x，t）=0解扩散方程，可得高斯分布：n第第39页页/共共85页页有限表面源扩散3.2热扩散微观机构和宏观描述n第第40页页/共共85页页 随着扩散时间的加长，虽然进入半导体的杂质总量Q不变，但扩散深度却不断增大，而且表面浓度也不断下降。特点：Q不变t，Ns限（表面）t，xj有限表面源扩散3.2热扩散微观机构和宏观描述n第第41页页/共共85页页可算t，Ns限为多少应用：（1）给定Q，D则杂质分布确定。（3）结深xj的计算（2）有限表面源扩散3.2热扩散微观机构和宏观描述 由结深的公式可见，对erfc分布和扩散时间不太长的高斯分布，扩散的结深xj都与 (具有长度的量纲)成正比，因此，在扩散工艺中往往把 叫做“扩散长度”或“特征长度”，它标志着扩散深度的大小。n第第42页页/共共85页页有限表面源扩散3.2热扩散微观机构和宏观描述（4）杂质浓度梯度在xj处的梯度：可见，随着扩散深度或结深的增大，高斯分布的浓度梯度也将减小。n第第43页页/共共85页页两步扩散法3.2热扩散微观机构和宏观描述 由上述可见，恒定表面浓度的扩散，难于制作出低表面浓度的深结；而有限源的扩散，难于制作出高表面浓度的浅结。因此，为了得到任意的表面浓度和结深就应当要求既能控制扩散的杂质总量，又能控制表面浓度，这只需将上述两种扩散结合起来便可实现。这时，整个扩散过程分两步进行：n第一步，先在较低的温度下使衬底表面沉积上一层杂质原子（称为预沉积或预扩散），这一步为恒定表面浓度的扩散，目的是控制掺入的杂质总量；n第二步是把表面已沉积了杂质的衬底片在高温下扩散（称为主扩散或再分布），以控制扩散深度和表面浓度，这可近似为有限源的扩散。n第第44页页/共共85页页3.2热扩散微观机构和宏观描述N型杂质型杂质P型衬底 NB两步扩散法n第第45页页/共共85页页P型衬底 NB3.2热扩散微观机构和宏观描述两步扩散法n第第46页页/共共85页页3.2热扩散微观机构和宏观描述两步扩散法 例如，硅晶体管基区的硼扩散，一般就采用两步扩散的方法。因为硼在硅中的固溶度随温度的变化较小（固溶度是指在一定温度下杂质所能溶入固体中的最大浓度），一般都在1020/cm3以上，而通常要求基区的表面浓度较低些约为1018/cm3所以只得借助于第二步的主扩散来实现对较低表面浓度的控制。由于第一步是恒定表面浓度的扩散，则可知沉积到衬底表面上的杂质总量为：式中Dl为预沉积温度下的杂质扩散系数，t1为预沉积时间，Ns1为预沉积层的表面浓度（基本上等于该沉积温度下的杂质固溶度）。n第第47页页/共共85页页3.2热扩散微观机构和宏观描述两步扩散法 经过第二步主扩散后，如果主扩散的深度比预扩散的大得多（），则预扩散的分布可近似为函数，从而就可根据前式求出再分布后的表面杂质浓度为：其中D2为主扩散温度下的扩散系数，t2为主扩散时间；相应地，求得最后的杂质浓度分布为两步扩散的结深n第第48页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散结深 结深结深x xj j是一个设计参量，决定了器件的几何是一个设计参量，决定了器件的几何结构。它直接影响到器件击穿电压的高低。它是结构。它直接影响到器件击穿电压的高低。它是一个可以直接测量的量。对一个可以直接测量的量。对erfcerfc分布和高斯分布，分布和高斯分布，其结深近似有相同的表达式其结深近似有相同的表达式n第第49页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择影响Xj的工艺因素：扩散温度 扩散系数D对结深的影响就体现在扩散温度T的影响上，对替位式扩散来说（制结的掺杂扩散是替位扩散），DDe-Ea/kT，则 可见，温度对结深的影响是很大的。精确地控制扩散温度（炉温）是搞好扩散工艺的关键之一。n第第50页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择影响Xj的工艺因素：扩散温度扩散炉扩散炉 1180 1180 石英管石英管杂质气体、杂质气体、N2、O2、H2O汽汽n第第51页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择 在实际的工艺中，由于扩散、氧化中要通入N2、O2、H2O汽，通入气体后，炉温能否恒定？炉温标称值1150，加入H2O汽后，下降10，再回到恒温区要多长时间？硅片从室温推到扩散炉的恒温区后，炉温下降后再达到恒温要多长时间。影响Xj的工艺因素：扩散温度n第第52页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择 因为 ，在实际工艺中：对两步扩散，主要是通过时间控制结深。对于浅结（几十m以下），t 的控制十分有效（灵敏）；但对于深结（100m以上）则十分不灵敏（浓度梯度已经下降的很多），多一两个小时起不到什么作用。影响Xj的工艺因素：扩散时间n 可以采用升高T的方法，对深结可用1260，但注意1260是高温扩散的可用温度上限，再高，Si片、石英管就要软化变形；n可以选扩散系数大的杂质源，可将B换为Al。n第第53页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择对余误差分布来说影响Xj的工艺因素：系数A对高斯分布来说 设K=Ns/NB，即表面浓度与结面浓度之比。Ns越高、NB越低，扩散就越快。但是Ns是受制约的（设计要求）。K的范围在10-108，则A=3-9之间。在两步扩散时，开始K大，A大；随着时间的增加，K小，A小。所以A值在扩散中，不是一个人为可调节量。n第第54页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择定义：结深为x xj j，长宽相等的一个扩散薄层的电阻（设平均电阻率为 )，就是该扩散层的方块电阻（或称为薄层电阻）扩散层方块电阻Rs（R）llxj I其中为扩散层的平均电导率。R的单位是/n第第55页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择 若衬底中原有杂质浓度分布为NB(x)，而扩散杂质的浓度分布为N(x)，则扩散层中的有效杂质浓度分布为:Ne(x)=N(x)NB(x)（这是因为杂质补偿的原因）l ll l xjNe(x)NB(x)Ne(x)=0 x扩散层方块电阻的物理意义n第第56页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择 在xj处，Ne(x)=0；又若杂质是全部电离的，则载流子浓度的分布也是Ne(x)，于是该扩散层的电导率的分布为：(x)=Ne(x)q式中q 为电子电荷；为载流子迁移率；而平均电导率可表示为扩散层方块电阻的物理意义n第第57页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散层方块电阻的物理意义如果为常数（即与坐标x无关），则式中的积分扩散到xj处的有效杂质总量；而，显然是代表从单位表面积即代表扩散层中的平均掺杂浓度。进而如果衬底中原有的杂质浓度很低，近似有Ne(x)=N(x)，则n第第58页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择 这里Q是单位面积的扩散杂质总量。因此R的大小反映了扩散到体内的杂质总量的多少。杂质总量Q越大，R就越小。实际R会发生变化（分凝效应、蒸发）。扩散层方块电阻的物理意义n第第59页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择RNS的关系 对恒定表面浓度的扩散（余误差分布）故随着扩散的进行结深xj不断增大，而R则不断减小。对有限源的扩散（高斯分布）n第第60页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择RNS的关系 总之，上述的讨论指出，扩散层的表面浓度决定于扩散杂质总量和结深，在常数和衬底杂质可忽略的条件下，表面浓度Ns与扩散层的平均电导率成正比。因此，通过测量 （即测量方块电阻R和结深xj）就可以求出任何时候的表面浓度Ns。n第第61页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散方法选择：杂质源选择（1）要考虑杂质与扩散掩蔽膜的配合，以实现掩蔽扩散，这是硅平面工艺的核心问题之一。例如用SiO2作掩蔽膜时，杂质在SiO2 中的扩散系数应较在硅中的小得多，否则起不到掩蔽作用。（2）杂质在半导体中的固溶度要大于所需要的表面浓度。n第第62页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散方法选择：杂质源选择 （3）要考虑杂质扩散系数D的大小。在同样条件下，不同的杂质有不同大小的D。应该选择先扩散杂质的D比后扩散杂质的D小，例如发射区扩散杂质的D就应该较基区扩散杂质的D为大。（4）选择晶格失配小的杂质，减小诱生缺陷。（5）尽量选用毒性较小的杂质源。n第第63页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散方法选择：杂质源选择对Si:P型杂质：B,Al,Ga,In;N型杂质：P,As,Sb；掩蔽层：SiO2,Si3N4;对GaAs:P型杂质：Zn;N型杂质：Si；n第第64页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散方法选择（1）硼的固态源扩散（固态BN）用固态BN源来进行扩散有许多优点，如操作简单，重复性和均匀性好，不受气体流量的影响，对石英管没有腐蚀作用等。BN片由BN和SiO2粉混合压制成片，进行P型掺杂，适于浅结，浓度适中。n第第65页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散方法选择扩散前先要将BN氧化成B2O3，即“活化”。然后再以B2O3 作源进行扩散，这时在硅片表面上的反应是：在每次扩散之前要做一次活化。n第第66页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散方法选择n第第67页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散方法选择n第第68页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散方法选择 液态源扩散通常利用气体（如N2）通过液态杂质源，携带着杂质源蒸气进入加热到1000左右的石英管中来实现向半导体中掺杂。为了获得较好的扩散均匀性和重复性一般将N2气分为两股，流量较小者用于携带杂质源蒸气，流量较大者用于稀释杂质源蒸汽。所用气体均需经过纯化，一般是用液氮冷阱（-196)来纯化和干燥N2气，而用干冰冷阱（-78）或5分子筛来纯化和干燥O2。液态源扩散有很多优点，例如扩散层良好，p-n结均匀平整，成本低，效率高，重复性和均匀性也较好，操作也较方便等，因此生产上普遍采用。（2）磷的液态源扩散（POCl3）n第第69页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散方法选择POCl3O2N2石英管石英管n第第70页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散方法选择液态的磷扩散源一般是采用三氯氧磷（POCl3），POCl3在600以上即发生分解。分解出的P2O5继续与硅反应：所得到的磷原子即向硅中扩散。n第第71页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散方法选择 POCl3热分解时所生成的PCl5是较难分解的，它对硅有腐蚀作用，而且容易造成POCl3 分解不充分而沉淀在硅表面，致使扩散层的R增大，同时也给光刻带来了困难（POCl3 沉淀形成的膜光刻时不易去除）。但是，如果有少量氧气存在就会发生如下反应：这样就可以减弱PCl5的不良影响，因而在磷扩散时一般都通以少量的氧气。n第第72页页/共共85页页3.3扩散层的质量参数与扩散方法选择扩散方法选择每次使用前，要饱和管道，使管道中有一定蒸汽压和源浓度，否则扩散后的杂质分布偏离就很大，即先做和后做的不同批次的片子，差别较大;O2要适量；防止水汽，N2、O2要纯化。n第第73页页/共共85页页3.4影响扩散杂质分布的其他因素扩散系数与扩散杂质浓度的关系 在前面讨论扩散分布时，实际上假定了扩散是一维的，扩散系数是常数，而且不考虑硅片表面热氧化对扩散分布的影响等。但是事实上这些假定在很多场合是不成立的，因此实际的扩散分布往往偏离上述的理想分布。实验发现，在高浓度扩散时杂质的扩散系数会增大，由此引出“场助效应”：硼原子在高温下扩散进入硅片时，硼原子在高温下扩散进入硅片时，实质上是以离子的形式扩散的实质上是以离子的形式扩散的(因硼在硅中的电离能很小，因硼在硅中的电离能很小，在扩散温度下必将全部电离在扩散温度下必将全部电离)，而电离出的空穴，因其扩散，而电离出的空穴，因其扩散系数比杂质离子的扩散系数大得多，则将远走在杂质离子的系数比杂质离子的扩散系数大得多，则将远走在杂质离子的前头，从而在硅中形成一内建电场前头，从而在硅中形成一内建电场，此电场的方向正好与此电场的方向正好与负离子的扩散方向相反，对杂质离子的扩散运动有一加速作负离子的扩散方向相反，对杂质离子的扩散运动有一加速作用用场助扩散。场助扩散。n第第74页页/共共85页页BBBB-B-B-PPPP+P+P+场助效应3.4影响扩散杂质分布的其他因素扩散系数与扩散杂质浓度的关系n第第75页页/共共85页页 n n型杂质型杂质(如磷如磷)扩散的情况与上述类似，只不过内建电扩散的情况与上述类似，只不过内建电场的方向相反，但作用仍是使杂质离子加速扩散。场的方向相反，但作用仍是使杂质离子加速扩散。分析指出，对非简并半导体，在场助扩散时的有效扩散分析指出，对非简并半导体，在场助扩散时的有效扩散系数为系数为n式中N为掺杂浓度，ni为半导体在扩散温度下的本征载流子浓度，D理为不存在内建电场时的扩散系数。由上式可见，当N ni时，D实2 D理，即是说在掺杂浓度较高时，扩散系数将增大，最多可增大到原来扩散系数的2倍。3.4影响扩散杂质分布的其他因素扩散系数与扩散杂质浓度的关系n第第76页页/共共85页页 在硅平面工艺中，往往扩散后需要进行高温氧化，而且再扩散过程本身往往也就是高温氧化过程。实践表明，这种高温氧化过程对硅片表面附近处的杂质浓度分布有很大影响。例如，硅中硼扩散的高斯分布层，在高温氧化后，表面处的硼浓度有明显降低。造成这种杂质浓度变化的原因显然是由于高温氧化时杂质在硅与SiO2之间发生了重新分配的结果。n我们知道，扩散后硅片的高温氧化就是使含有杂质的表面一薄层硅转化为SiO2，在这一转化过程中，在Si-SiO2界面附近处杂质将发生重新分布，这是由于以下各种原因所引起的：3.4影响扩散杂质分布的其他因素分凝效应n第第77页页/共共85页页3.4影响扩散杂质分布的其他因素分凝效应1)因同一种杂质在不同“相”中的溶解度不同，则当两个“相”互相接触时，杂质在两个“相”之间必将发生重新分配，直至平衡，这就叫做杂质在不同“相”之间的分凝现象。平衡时杂质在两个相中的浓度比是一常数，称为分凝系数。对Si-SiO2体系而言，杂质的分凝系数是n第第78页页/共共85页页3.4影响扩散杂质分布的其他因素分凝效应杂质在硅-二氧化硅系统中的分凝系数杂质BGaPAsSbInAlm0.32010101010310-3n第第79页页/共共85页页3.4影响扩散杂质分布的其他因素分凝效应2)硅表面处的杂质有通过SiO2层而逸散的倾向，这将造成硅表面处的杂质浓度有所降低。当然，这种影响的大小与杂质在SiO2中和在Si中的扩散系数相对大小有关，杂质在SiO2中的扩散愈快，则对硅中杂质分布的影响就愈大。3)一体积的硅将形成约2.27倍以上体积的SiO2，因此硅被氧化成SiO2后，其中杂质被分散了，从而倾向于使硅表面处杂质浓度有所降低。n第第80页页/共共85页页n由此可以想见，对在SiO2中扩散较慢(与在硅中的扩散比较)的杂质(如硼、磷、砷、锑)，决定硅表面附近浓度变化趋势的因素将主要是分凝系数m的大小。这时，对m1的情况(例如硼)，杂质再分布后的结果是硅表面处浓度降低，而对m1的情况(如P、As、Sb)，再分布后的结果是硅表面处浓度升高。3.4影响扩散杂质分布的其他因素分凝效应n但是对杂质在SiO2中扩散较快的情况(如Ga)，尽管分凝系数大小的影响不可忽略，然而杂质自SiO2表面的逸散作用则往往是决定再分布结果的主要因素，因此，这时不管m1或m1，硅表面处的浓度将都有所降低。n第第81页页/共共85页页3.4影响扩散杂质分布的其他因素分凝效应n对m=1的情况，即使没有杂质自SiO2表面的逸散，硅表面浓度也将有所减小。因为硅氧化后体积要增大一倍多，硅表面处的杂质将往浓度较低的SiO2中扩散。n热氧化后，硅表面处的受主(B、Ga、In)浓度将减小，而施主(P、As、Sb)浓度将增加。对硼和磷扩散层，可以说热氧化有“排磷吸硼”作用。杂质浓度的这种再分布是和实验观测结果相一致的。n第第82页页/共共85页页3.4影响扩散杂质分布的其他因素横向扩散效应 前面所讨论的都是指杂质垂直于半导体表面进行扩散的一维情况，但是对实际中最常采用的掩蔽扩散而言，显然只有扩散窗口中部区域才可近似为一维扩散，对靠近窗口边缘的区域除了垂直于表面的扩散作用外，还有平行于表面的横向扩散作用。n第第83页页/共共85页页3.4影响扩散杂质分布的其他因素横向扩散效应n第第84页页/共共85页页THE ENDTHE END谢谢大家！谢谢大家！n第第85页页/共共85页页