3第三章 扩散.ppt

河北工业大学微电子研究所河北工业大学微电子研究所第三章 扩散主讲教师：潘国峰主讲教师：潘国峰E-mail:E-mail: 掺杂：掺杂：就是将所需的杂质，以一定的方式加入到半导体晶片中，并使其在晶片中数量、分布形式和深度的分布符合预定的要求的集成电路制造工艺。掺杂的作用：掺杂的作用：制作pn结、欧姆接触区、IC中的电阻器、硅栅和硅互连线等，是改变晶片电学性质，实现器件和电路纵向结构的重要手段。掺杂技术包括热扩散、离子注入、合金和热扩散、离子注入、合金和中子嬗变中子嬗变等方法。扩散技术历史悠久，1952年由范恩（pfann）提出，一直沿用至今，现在不仅扩散设备和操作都实现自动控制，而且能够用计算机对扩散工艺进行模拟。器件器件作用作用杂质杂质硅硅双极型晶体管及其双极型晶体管及其IC隐埋区隐埋区Sb,As隔离区隔离区B,Al基区基区B,P发射区发射区P,As,P-As,B电阻电阻B,P开关及高速开关及高速IC提高开关速度提高开关速度Au,PtMOS晶体管及其晶体管及其IC源、漏、沟道、阱源、漏、沟道、阱B,P,As砷化镓砷化镓MISIC，结型场效结型场效应晶体管及其应晶体管及其IC半绝缘区半绝缘区H,O,Cr源、漏源、漏Zn,Be,S,Si,Sn锗锗Pnp管管集电区、发射区集电区、发射区In-Ga,Al掺杂在微电子器件中的应用掺杂在微电子器件中的应用热扩散运动热扩散运动：由温度梯度及某元素在某物体内部存在着不同位置点的数量差异所产生的使温度趋于平衡、浓度趋于均匀的定向运动。杂质：杂质：在掺杂过程中被引入的元素为杂质。扩散的发生需要两个必要的条件扩散的发生需要两个必要的条件：浓度差；必须的能量。杂质浓度杂质浓度：用来表征固态、气态或液态状态下某时某点（一维即垂直表面的深度）处的单位体积内杂质的个数，用N来表示。量纲为原子个数/cm3。所以，一维条件下，任意时刻、任意位置，C的一般表示：C(x,t)CS表面浓度，CB衬底浓度几个重要概念：几个重要概念：n掺杂区和结的扩散形成掺杂区和结的扩散形成3.1 杂质扩散机制（间隙式、替位式扩散）3.2 扩散系数与扩散方程（扩散系数、菲克第一、第二定律）3.3 扩散杂质的分布（有限表面源、恒定表面源、两步法扩散）3.4 影响杂质扩散的其它因素（硅中点缺陷、扩散系数与杂质浓度的关系、氧化增强扩散、发射区推进、二维扩散）3.5 扩散工艺（气、固、液源扩散）3.6 扩散工艺的发展（快速气相掺杂、气体浸没激光掺杂）3.7 工艺控制和质量检测目录目录3.1 3.1 杂质的扩散基本形式杂质的扩散基本形式扩散的基本形式：间隙式扩散、替位式扩散两类扩散的基本形式：间隙式扩散、替位式扩散两类n间隙式扩散间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙，间隙杂质从一个间隙到另一个间隙是通过原子间的缝隙进行的，这种依靠间隙方式而逐步跳跃前进的扩散方式称为间隙式扩散。nNa、K、Fe、Cu、Au 等元素n扩散系数要比替位式扩散大67个数量级 间隙杂质在由一个间隙位置到另外一个间隙位置必须穿越一势能极大的位置，势垒高度Wi一般0.6-1.2ev，一般间隙杂质在势能极小的位置做热振动，振动频率V0约为10131014/s，室温下平均动能约为0.026ev，1200高温也只有0.13ev。只有靠热涨落才能获得Wi的能量。按照玻尔兹曼统计规律，获得能量大于Wi的几率正比于 只有间隙杂质由热涨落而获得的能量大于Wi时，才能跃迁至相邻间隙位置，跃迁几率为：替位式扩散：替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位置，替位式跃迁首先要求存在着能够允许杂质原子迁移进去的空位（Wv形成一个空位所需的能量），另外也像间隙式由一个格点到另一个格点必须克服势垒WS。、族元素一般要在很高的温度(9501280)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 在宏观条件下，达到统计平衡时的空穴数是一定的，一定平衡时单位体积的空位数为（3.2）N是单位体积晶体内所含的晶格数，代表形成一个空位所需要的能量。每个格点上出现空位的几率就为替位杂质的跳跃率替位杂质的跳跃率-近邻出现空位的几率乘上跳入该空位的几率，即:根据玻尔兹曼统计规律，替位杂质依靠热涨落跳过势垒高度为Ws的几率为:（3.4）硅中的杂质扩散硅中的杂质扩散在间隙位置被转移的硅原子SiSiSiSiSiSiSiSiSic)机械的间隙转移SiSiSiSiSiSiSiSiSia)硅晶体结构b)替代扩散SiSiSiSiSiSiSiSi空位杂质d)间隙扩散SiSiSiSiSiSiSiSiSi在间隙位置的杂质1 1、菲克第一定律：、菲克第一定律：1855年菲克（Fick）研究气体和液体中溶质的一维传输过程提出，杂质的扩散流密度J正比于杂质浓度梯度，比例系数D为扩散系数，x为由表面算起的垂直距离（cm），t为扩散时间。浓度差是粒子宏观迁移的外部必要条件，迁移宏观上总是由高浓度向低浓度地方进行。(3.6)D扩散系数（cm2/s)C浓度梯度“-”从高浓度向低浓度扩散J扩散流密度(原子/cm2)3.2 3.2 扩散系数和扩散方程扩散系数和扩散方程 杂质粒子在固体中的扩散是依靠自身的热运动，借助晶体中的空位或（和）间隙而进行的。这种运动必然伴随着质量的迁移。扩散的结果是将粒子浓度区域均匀。常温下固体扩散很慢，要加快往往需高温环境。由于存在浓度差，粒子随机跃迁的统计结果将产生宏观的净质量流。将单位面积在单位时间内通过的粒子个数定义为流密度。单位为个将单位面积在单位时间内通过的粒子个数定义为流密度。单位为个/cm/cm-2-2s s-1-1.2 2、扩散系数：、扩散系数：扩散系数是表示粒子扩散快慢的物理量，扩散系数与温度间的关系可表达为：D=D0exp(-E/kT)D0=a2V0，为表观扩散系数(温度无穷大时的扩散系数)，即1/kT0时的扩散系数；E=Ws+Wv，为扩散所需的激活能。T当前绝对温度，k波尔兹曼常数。微观机制：微观机制：杂质扩散的微观机制从本质上决定了其扩散的快慢，具体反映在激活能E上。对替位式扩散它基本上就是形成一个空位所需的能量。如硅，形成一个空位需要打破4个si-si键，所以激活能约为禁带宽度的34倍。实验表明，B、P、As、Sb等杂质是按替位式扩散的，由于与Si原子的性质差异，替位式杂质扩散的激活能（34ev）比硅的自扩散激活能（约5.23ev）低。元素周期表中的第1和第族元素，如锂、钠、钾等碱金属和氢、氩、氦等气体，它们的原子半径小，容易进入硅中占据间隙位置，故激活能比替位式低，一般为0.6-1.2ev，常称为快扩散杂质快扩散杂质，而替位式杂质称为慢扩散杂质。慢扩散杂质。（1 1）扩散系数与温度的关系）扩散系数与温度的关系 由D=D0exp(-E/kT)可知，扩散系数与绝对温度的倒数呈负指数关系。由替位式杂质的跃迁几率PV=V0exp-(Ws+Wv)/kT估算，室温时替位式扩散杂质大约等1045年方跃迁一步。因此扩散掺杂必须在高温（9501200）下进行，并且温度应精确控制，因为温度即使只偏差1左右，扩散系数偏差510。扩散系数与温度有关：扩散系数与温度有关：D D0 0：表观扩散系数，表观扩散系数，E E：扩散工艺激活能，扩散工艺激活能，k k0 0：玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，T T：绝对温度。绝对温度。（3 3）扩散工艺激活能）扩散工艺激活能E E(杂质的种类）杂质的种类）间隙式扩散物质：间隙式扩散物质：如He,H2,O2,Au,K,Na,Ni,Cu,Fe。E0.22.0eV 替位式扩散物质：替位式扩散物质：如B,As,P,Sb；E34eV，硅自扩散激活能（5.23eV)（4 4 4 4）衬底掺杂浓度）衬底掺杂浓度）衬底掺杂浓度）衬底掺杂浓度（2 2）内建电场的影响）内建电场的影响 高温下，进入硅中的施主与受主处于离化状态，离化出的杂质与载流子均向低浓度的方向扩散，但载流子扩散速度相对较快，两者间建立起局部电场，该电场抑制了载流子的扩散，以维持电中性，但却使离子添加了与扩散方向相同的漂移运动，总体上加快了杂质向晶片内部的运动。施加恒定电场施加恒定电场施加恒定电场施加恒定电场E E E E时：时：时：时：3.扩扩散方程（菲克第二定律）散方程（菲克第二定律）对Si平面工艺，扩散流近似沿垂直Si表面方向（x方向），体积中，X和S都非常小，因此体积也非常小，使我们可以设想在这样小的体积元内的杂质分布是均匀的。经过t时间，该体积元内杂质变化量为 体积元内杂质的变化，是由于在时间t内，通过x处和x+x处的两个截面的流量差所造成的。如果设通过两处的流量不变，则流量差为：根据质量守恒，上面两式应相等，可得：把（3.6）式代入上式，则得一维扩散方程 （3.13）此方程就是菲克第二定律的最普遍表达式。如果假设扩散系数D为常数，这种假设在低浓度情况下是正确的，则得 （3.14）我们先根据方程（3.14），即低浓度情况下，求解扩散杂质的分布与扩散时间t和位置x之间的关系。将在3.4节中讨论高浓度情况下的扩散系数D以及缺陷对扩散系数D的影响。扩散时质量守衡：单位时间内，在相距dx的两个平面之间，杂质数的变化量等于通过两个平面的流量差，J随时间变化与随空间变化相同，是一个连续性方程。即杂质原子流密度扩散方程为：扩散方程为：菲克第一定律菲克第一定律菲克第二定律菲克第二定律3.3 3.3 扩散杂质的分布扩散杂质的分布3.3.1 3.3.1 恒定表面源扩散恒定表面源扩散 扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变这种类型的扩散称为恒定表面源扩散。恒定表面源扩散。其扩散后杂质浓度分布为余误差函数余误差函数分布。边界条件：C(0,t)=Cs,C(,t)=0初始条件：C(x,0)=0,x0根据边界条件和初始条件，可求出扩散方程的解，满足余误差函数分布：根据 得到恒定表面源扩散的杂质分布：(3.18)其中Cs为表面杂质恒定浓度（原子/cm3），D为扩散系数（cm2/s)，x为表面起算的垂直距离（cm）.(1)杂质分布形式如果扩散时间为t，通过单位表面积扩散到硅片内部的杂质数量Q(t)可通过对C(x,t)积分求出（或者通过流密度的表达式求出）。（3.19）其中CB为硅衬底原有杂质浓度，A是仅与 比值有关的常数，A与 之间的关系如图3.7所示。（2）结深结深可根据C(x,t)=CB由3.18式得到：(3.19)(3.20)3.3.23.3.2 有限表面源扩散有限表面源扩散 扩散前在硅片表面先淀积一层杂质，在整个过程中，这层杂质作为扩散源，不再有新源补充，杂质总量不再变化。这种类型的扩散称为有限表面源扩散。有限表面源扩散。其扩散后杂质浓度分布为高斯函数高斯函数分布布杂质高斯函数分布杂质高斯函数分布（随时间变化）（随时间变化）（1）（2）（3）(3.26)(3.26)将X=0代入 （3.26）式中，可求出任何时刻t的表面浓度:(3.27)(3.27)3.3.3 两步扩散n预淀积（或预扩散）：温度低、时间短n主淀积（或推进）：温度高、时间长n预淀积（或预扩散）现已普遍被离子注入代替3.4 实际杂质分布(偏离理论值)1)二维扩散n一般横向扩散(0.750.85)*Xj(Xj纵向结深)；高浓度扩散时，横向扩散距离：6570XjXj0.75-0.85Xj横向扩散（局部放大）恒定表面源恒定表面源有限表面源有限表面源杂质横向扩散示意图2)杂质浓度对扩散系数的影响其中Di0、Di、Di、Di2分别表示中性、正一价、负一价、负二价的低浓度杂质空穴对的本征扩散系数;其中Di0、Di(p/ni)、Di(n/ni)、Di2-(n/ni)分别表示中性、正一价、负一价、负二价的高浓度杂质空穴对的非本征条件下的有效扩散系数。考虑多重电荷空位的杂质扩散模型时，扩散衬底杂质浓度将严重影响扩散系数，扩散衬底杂质浓度将严重影响扩散系数导带底导带底价带顶价带顶2）3)电场效应3 3）4)发射区推进效应V2-:二价负电荷空位N+PN-4)热氧化过程中的杂质再分布(杂质分凝)硼:m1砷:m15 5）推进氧化推进氧化氧化增强扩散系数D与氧化速率的关系：6 6）硅中的点缺陷）硅中的点缺陷 硅中点缺陷是杂质原子产生的。常用掺杂原子以替位形式存在，而且是浅能级杂质，高温下全部电离，从而带电，会对周期性晶格产生扰动，扩散时得主要点缺陷：空位、间隙原子、间隙原子团。7)7)硅片晶向的影响硅片晶向的影响3.5 3.5 典型扩散工艺典型扩散工艺一固态源扩散一固态源扩散双温区锑扩散双温区锑扩散n制作双极型集成电路的隐埋区时，常用锑和砷作杂质。因为它们的扩散系数小，外延时自掺杂少，其中又因为锑毒性小，故生产上常用锑。n系系统统特特点点：用主辅两个炉子，产生两个恒温区。杂质源放在低温区，硅片放在高温区。n反应式反应式：3Sb2O3+3Si=4Sb+SiO2n优点优点：n1）可使用纯Sb2O3粉状源，避免了箱法扩散中烘源的麻烦；n2)两步扩散，不象箱法扩散那样始终是高浓度恒定表面源扩散，扩散层缺陷密度小；n3）表面质量好，有利于提高表面浓度。二二.液态源扩散常用液态源扩散常用POClPOCl3 3 温度600n5POCl3=P2O5 3PCl5n2P2O5 5Si=5Si O24Pn4PCl5 5O2=2P2O5 10Cl2 (氧过量)影响扩散参量的因素n源POCl3的温度n扩散温度和时间n气体流量3.6 3.6 扩散工艺的发展扩散工艺的发展3.6.1 3.6.1 快速气相掺杂快速气相掺杂快速气相掺杂（快速气相掺杂（RVDRVD）是掺杂剂从气相直接向硅中扩散、并能形成超浅结的快速掺杂工艺。工艺过程工艺过程：利用快速热处理（RTP）将硅片快速均匀加热至所需温度，掺杂剂反应产生杂质，杂质原子直接由气相吸附于硅片表面，进行固相扩散，完成掺杂。特点特点：硅片表面不形成含杂质的玻璃层，尽管温度还是比较高，同离子注入相比，它不存在注入所带来的沟道效应、晶格损伤、硅片带电等问题，制造的短沟道器件特性更好。气相掺杂剂的流量控制气相掺杂剂的流量控制一般通过稀释气体（如H2）控制气态掺杂剂的浓度。最终的表面掺杂浓度Cs和结深Xj，取决于气态掺杂剂的浓度、热处理时间和温度。常用掺杂剂：常用掺杂剂：硼B2H6，磷PH3，载气一般为H2。杂质分布：杂质分布：非理想的指数形式，类似固态扩散，峰值在表面处。3.6.2 3.6.2 气体浸没激光掺杂气体浸没激光掺杂气体浸没激光掺杂气体浸没激光掺杂（GILD）是用准分子激光（308nm)器产生高能量（0.5-2.0J/cm2）的短脉冲（20100ns）激光，照射处于气态源（如PF5、BF3）中的硅，硅表面受辐射液化，同时杂质由于热解或是光解作用产生杂质原子，通过液相扩散实现掺杂。速度快，表面掺杂，内部低温，掺杂均匀，不需退火，掺杂限制在表面的一薄层内。在其基础上，发展出投影式气体浸没激投影式气体浸没激光掺杂光掺杂（P-GILD）利用准分子激光器的激光束，通过介质掩膜版聚焦投影到硅片。在掩膜的整个视场被曝光之后（曝光的区域被激光融化），硅片步进，然后重复曝光。结深随脉冲能量增加而加深，掺杂发生在被曝光的区域内，从而实现选择性曝光。在一个工序中实现掺杂、退火、形成图形，大大简化工艺。1.请简述集成电路制造中扩散的目的、作用及其掺杂原理和工艺特点。思考题思考题