半导体制造工艺基础-施敏-第6章扩散课件.ppt

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1、第第6章章 扩散扩散精选课件 概述概述概述概述 扩散工艺扩散工艺扩散工艺扩散工艺 扩散方程扩散方程扩散方程扩散方程 扩散分布扩散分布扩散分布扩散分布 扩散工艺质量检测扩散工艺质量检测扩散工艺质量检测扩散工艺质量检测精选课件 在在在在lClC制造中主要采用制造中主要采用制造中主要采用制造中主要采用扩散法扩散法扩散法扩散法和和和和离子注入法离子注入法离子注入法离子注入法。高浓度深结掺杂采用高浓度深结掺杂采用高浓度深结掺杂采用高浓度深结掺杂采用热扩散法热扩散法热扩散法热扩散法，浅结高精度掺杂用，浅结高精度掺杂用，浅结高精度掺杂用，浅结高精度掺杂用离子注入法离子注入法离子注入法离子注入法。一、一、概述

2、概述1、掺杂和扩散、掺杂和扩散1 1）掺杂掺杂掺杂掺杂 (Doping)(Doping)用人为的方法用人为的方法用人为的方法用人为的方法将所需杂质将所需杂质将所需杂质将所需杂质按要求的浓度和分布按要求的浓度和分布按要求的浓度和分布按要求的浓度和分布掺入到半导体掺入到半导体掺入到半导体掺入到半导体材料中材料中材料中材料中，达到改变材料的电学性质、形成半导体器件结构的，达到改变材料的电学性质、形成半导体器件结构的，达到改变材料的电学性质、形成半导体器件结构的，达到改变材料的电学性质、形成半导体器件结构的目的，称之为目的，称之为目的，称之为目的，称之为“掺杂掺杂掺杂掺杂 。2 2）掺杂的方法掺杂的方

3、法掺杂的方法掺杂的方法合金法、扩散法、离子注入法。合金法、扩散法、离子注入法。合金法、扩散法、离子注入法。合金法、扩散法、离子注入法。3 3）常用的）常用的）常用的）常用的掺杂杂质掺杂杂质掺杂杂质掺杂杂质P(P(磷磷磷磷)、B(B(硼硼硼硼)、As(As(砷砷砷砷)、Sb(Sb(锑锑锑锑)精选课件3 3）形成场效应晶体管中的）形成场效应晶体管中的）形成场效应晶体管中的）形成场效应晶体管中的漏区漏区漏区漏区和和和和源区源区源区源区扩散工艺在扩散工艺在IC制造中的主要用途：制造中的主要用途：1 1）形成硅中的）形成硅中的）形成硅中的）形成硅中的扩散层电阻扩散层电阻扩散层电阻扩散层电阻2 2）形成双

4、极型晶体管的）形成双极型晶体管的）形成双极型晶体管的）形成双极型晶体管的基区基区基区基区和和和和发射区发射区发射区发射区精选课件1 1）扩散运动扩散运动扩散运动扩散运动：物质的随机热运动，趋向于：物质的随机热运动，趋向于：物质的随机热运动，趋向于：物质的随机热运动，趋向于降低其浓度梯度降低其浓度梯度降低其浓度梯度降低其浓度梯度；即存在一个从高浓度区向低浓度区的即存在一个从高浓度区向低浓度区的即存在一个从高浓度区向低浓度区的即存在一个从高浓度区向低浓度区的净移动净移动净移动净移动。2 2）扩散工艺扩散工艺扩散工艺扩散工艺：利用杂质的扩散运动，将所需要的杂质掺入硅：利用杂质的扩散运动，将所需要的杂

5、质掺入硅：利用杂质的扩散运动，将所需要的杂质掺入硅：利用杂质的扩散运动，将所需要的杂质掺入硅 衬底中，并使其具有特定的浓度分布。衬底中，并使其具有特定的浓度分布。衬底中，并使其具有特定的浓度分布。衬底中，并使其具有特定的浓度分布。3 3）研究杂质在硅中的扩散运动规律的）研究杂质在硅中的扩散运动规律的）研究杂质在硅中的扩散运动规律的）研究杂质在硅中的扩散运动规律的目的目的目的目的：二、扩散工艺二、扩散工艺 开发合适的扩散工艺，预测和控制杂质浓度分布。开发合适的扩散工艺，预测和控制杂质浓度分布。开发合适的扩散工艺，预测和控制杂质浓度分布。开发合适的扩散工艺，预测和控制杂质浓度分布。研究研究研究研究

6、ICIC制造过程中其他工艺步骤引入的扩散过程制造过程中其他工艺步骤引入的扩散过程制造过程中其他工艺步骤引入的扩散过程制造过程中其他工艺步骤引入的扩散过程 对杂质分布和器件电特性的影响。对杂质分布和器件电特性的影响。对杂质分布和器件电特性的影响。对杂质分布和器件电特性的影响。精选课件(1)(1)气态源：气态源：气态源：气态源：AsHAsH3 3，PHPH3 3，B B2 2HH6 6(2)(2)固态源：固态源：固态源：固态源：1 1、目前的、目前的、目前的、目前的扩散工艺扩散工艺扩散工艺扩散工艺已基本被已基本被已基本被已基本被离子注入离子注入离子注入离子注入取代，只有在进行取代，只有在进行取代，

7、只有在进行取代，只有在进行重掺重掺重掺重掺 杂杂杂杂时还用扩散工艺进行。时还用扩散工艺进行。时还用扩散工艺进行。时还用扩散工艺进行。2 2、扩散工艺的扩散工艺的扩散工艺的扩散工艺的分类分类分类分类主要取决于主要取决于主要取决于主要取决于杂质源的形态杂质源的形态杂质源的形态杂质源的形态，常见的杂质源，常见的杂质源，常见的杂质源，常见的杂质源 形态包括：形态包括：形态包括：形态包括：单磷酸铵单磷酸铵单磷酸铵单磷酸铵(NH(NH4 4HH2 2POPO4 4)砷酸铝砷酸铝砷酸铝砷酸铝(AlAsO(AlAsO4 4)精选课件硼源：硼源：硼源：硼源：BBrBBr3 3(沸点沸点沸点沸点9090)磷源：磷

8、源：磷源：磷源：POClPOCl3 3(沸点沸点沸点沸点107107)(3)(3)液态源液态源液态源液态源精选课件 防止引入污染防止引入污染防止引入污染防止引入污染 工艺参数控制：工艺参数控制：工艺参数控制：工艺参数控制：温度分布、气流量和排片方式、片间距等温度分布、气流量和排片方式、片间距等温度分布、气流量和排片方式、片间距等温度分布、气流量和排片方式、片间距等 工艺控制手段工艺控制手段工艺控制手段工艺控制手段：前馈方式：前馈方式：前馈方式：前馈方式(试片试片试片试片)、使用假片、使用假片、使用假片、使用假片3 3、扩散设备类似于氧化炉管。、扩散设备类似于氧化炉管。、扩散设备类似于氧化炉管。

9、、扩散设备类似于氧化炉管。4 4、扩散工艺的控制要点：、扩散工艺的控制要点：、扩散工艺的控制要点：、扩散工艺的控制要点：精选课件精选课件(2)(2)填隙式扩散填隙式扩散填隙式扩散填隙式扩散两种基本扩散机制：两种基本扩散机制：两种基本扩散机制：两种基本扩散机制：(1)(1)替代式扩散替代式扩散替代式扩散替代式扩散 三、扩散方程三、扩散方程精选课件（一）费克一维扩散方程（一）费克一维扩散方程（一）费克一维扩散方程（一）费克一维扩散方程描述扩散运动的基本方程描述扩散运动的基本方程描述扩散运动的基本方程描述扩散运动的基本方程费克第一定律费克第一定律费克第一定律费克第一定律其中，其中，其中，其中，C C

10、是杂质浓度，是杂质浓度，是杂质浓度，是杂质浓度，D D是扩散率是扩散率是扩散率是扩散率(扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数)，F F是杂质净流量是杂质净流量是杂质净流量是杂质净流量根据根据根据根据物质守恒定律物质守恒定律物质守恒定律物质守恒定律，杂质浓度随时间的变化率与扩散流量，杂质浓度随时间的变化率与扩散流量，杂质浓度随时间的变化率与扩散流量，杂质浓度随时间的变化率与扩散流量的减小相等，即：的减小相等，即：的减小相等，即：的减小相等，即：精选课件上式被称为上式被称为上式被称为上式被称为费克扩散方程费克扩散方程费克扩散方程费克扩散方程代入式代入式代入式代入式3 3，得到，得到，得到，得到费克第二

11、定律费克第二定律费克第二定律费克第二定律假设假设假设假设D D与位置无关与位置无关与位置无关与位置无关，可简化为：，可简化为：，可简化为：，可简化为：精选课件 硅中杂质的扩散率曲线硅中杂质的扩散率曲线硅中杂质的扩散率曲线硅中杂质的扩散率曲线(低浓度本征扩散低浓度本征扩散低浓度本征扩散低浓度本征扩散)：精选课件 替代式替代式替代式替代式扩散需要的激活能比扩散需要的激活能比扩散需要的激活能比扩散需要的激活能比填隙式填隙式填隙式填隙式的的的的大大大大 扩散系数：扩散系数：扩散系数：扩散系数：其中，其中，其中，其中，E Ea a为为为为激活能激活能激活能激活能；D D0 0是一个与温度无关的是一个与温

12、度无关的是一个与温度无关的是一个与温度无关的系数系数系数系数，取决于晶格结构和振动频率。，取决于晶格结构和振动频率。，取决于晶格结构和振动频率。，取决于晶格结构和振动频率。(cmcm2 2/s/s)精选课件“固溶度固溶度固溶度固溶度”：平衡态下杂质可溶于半导体材料的最高浓度，与温度有关。：平衡态下杂质可溶于半导体材料的最高浓度，与温度有关。：平衡态下杂质可溶于半导体材料的最高浓度，与温度有关。：平衡态下杂质可溶于半导体材料的最高浓度，与温度有关。四、扩散分布四、扩散分布在任何大于零的时刻，在任何大于零的时刻，在任何大于零的时刻，在任何大于零的时刻，表面的杂质浓度固定表面的杂质浓度固定表面的杂质

13、浓度固定表面的杂质浓度固定此时扩散方程的解为：此时扩散方程的解为：此时扩散方程的解为：此时扩散方程的解为：C Cs s是固定的是固定的是固定的是固定的表面杂质浓度表面杂质浓度表面杂质浓度表面杂质浓度(/cm/cm3 3)恒定表面源恒定表面源恒定表面源恒定表面源(浓度浓度浓度浓度)扩散扩散扩散扩散又被称为又被称为又被称为又被称为预淀积扩散预淀积扩散预淀积扩散预淀积扩散；在实际工艺中，；在实际工艺中，；在实际工艺中，；在实际工艺中，CsCs的值一般都是杂质在硅中的的值一般都是杂质在硅中的的值一般都是杂质在硅中的的值一般都是杂质在硅中的固溶度固溶度固溶度固溶度。被称为被称为被称为被称为特征扩散长度特

14、征扩散长度特征扩散长度特征扩散长度；1 1）第一种边界条件：第一种边界条件：第一种边界条件：第一种边界条件：(恒定源扩散恒定源扩散恒定源扩散恒定源扩散)精选课件由由由由 (1)(1)掺入硅中的掺入硅中的掺入硅中的掺入硅中的杂质总量杂质总量杂质总量杂质总量(剂量，剂量，剂量，剂量，/cm/cm2 2)随扩散时间变化：随扩散时间变化：随扩散时间变化：随扩散时间变化：假设假设假设假设衬底杂质浓度衬底杂质浓度衬底杂质浓度衬底杂质浓度为为为为C CB B，扩散杂质与衬底杂质反型，扩散杂质与衬底杂质反型，扩散杂质与衬底杂质反型，扩散杂质与衬底杂质反型讨论恒定源扩散恒定源扩散恒定源扩散恒定源扩散(2)(2)

15、计算扩散形成的计算扩散形成的计算扩散形成的计算扩散形成的PNPN结结深结结深结结深结结深：精选课件精选课件这是一个中心在这是一个中心在这是一个中心在这是一个中心在x=0 x=0处的处的处的处的高斯分布高斯分布高斯分布高斯分布2 2）第二种边界条件第二种边界条件第二种边界条件第二种边界条件：(有限源扩散有限源扩散有限源扩散有限源扩散)此时扩散方程的解为：此时扩散方程的解为：此时扩散方程的解为：此时扩散方程的解为：扩散过程中初始的扩散过程中初始的扩散过程中初始的扩散过程中初始的杂质总量杂质总量杂质总量杂质总量S S是固定的是固定的是固定的是固定的精选课件由由由由 (1)(1)硅硅硅硅表面的杂质浓度

16、表面的杂质浓度表面的杂质浓度表面的杂质浓度(/cm(/cm3 3)随扩散时间延长而降低：随扩散时间延长而降低：随扩散时间延长而降低：随扩散时间延长而降低：如果如果如果如果衬底杂质浓度为衬底杂质浓度为衬底杂质浓度为衬底杂质浓度为C CB B，扩散杂质与衬底杂质反型，扩散杂质与衬底杂质反型，扩散杂质与衬底杂质反型，扩散杂质与衬底杂质反型，讨论有限源扩散有限源扩散有限源扩散有限源扩散(2)(2)计算扩散形成的计算扩散形成的计算扩散形成的计算扩散形成的PNPN结结深结结深结结深结结深：精选课件第二步：主扩散第二步：主扩散第二步：主扩散第二步：主扩散3 3）实际扩散工艺）实际扩散工艺）实际扩散工艺）实际

17、扩散工艺(1)(1)先进行恒定表面源的先进行恒定表面源的先进行恒定表面源的先进行恒定表面源的预淀积扩散预淀积扩散预淀积扩散预淀积扩散(温度低，时间短温度低，时间短温度低，时间短温度低，时间短)，扩散很浅，目的是扩散很浅，目的是扩散很浅，目的是扩散很浅，目的是控制控制控制控制进入硅片的进入硅片的进入硅片的进入硅片的杂质总量杂质总量杂质总量杂质总量；(2)(2)以预扩散杂质分布作为掺杂源再进行有限表面源的以预扩散杂质分布作为掺杂源再进行有限表面源的以预扩散杂质分布作为掺杂源再进行有限表面源的以预扩散杂质分布作为掺杂源再进行有限表面源的再分布再分布再分布再分布扩散扩散扩散扩散，又称主扩散，通过控制扩

18、散温度和时间以获得预期的，又称主扩散，通过控制扩散温度和时间以获得预期的，又称主扩散，通过控制扩散温度和时间以获得预期的，又称主扩散，通过控制扩散温度和时间以获得预期的 表面表面表面表面浓度浓度浓度浓度和和和和结深结深结深结深（分布）。（分布）。（分布）。（分布）。为获得足够浅的预淀积分布，也可改用为获得足够浅的预淀积分布，也可改用为获得足够浅的预淀积分布，也可改用为获得足够浅的预淀积分布，也可改用离子注入方法离子注入方法离子注入方法离子注入方法取代预扩散步骤。取代预扩散步骤。取代预扩散步骤。取代预扩散步骤。第一步：预淀积扩散第一步：预淀积扩散第一步：预淀积扩散第一步：预淀积扩散“恒定源恒定源

19、恒定源恒定源”+“有限源有限源有限源有限源”的两步扩散法的两步扩散法的两步扩散法的两步扩散法精选课件2 2、主要的检测项目：、主要的检测项目：、主要的检测项目：、主要的检测项目：五、扩散工艺质量检测五、扩散工艺质量检测获取作为获取作为获取作为获取作为深度深度深度深度和和和和横向位置函数横向位置函数横向位置函数横向位置函数的的的的杂质浓度杂质浓度杂质浓度杂质浓度(杂质分布杂质分布杂质分布杂质分布)1 1、目的：、目的：、目的：、目的：精选课件 扩散工艺是重要的掺杂技术之一，扩散工艺是重要的掺杂技术之一，扩散工艺是重要的掺杂技术之一，扩散工艺是重要的掺杂技术之一，扩散过程扩散过程扩散过程扩散过程决

20、定了决定了决定了决定了杂杂杂杂 质质质质在硅中的在硅中的在硅中的在硅中的浓度和分布浓度和分布浓度和分布浓度和分布 一维扩散的一维扩散的一维扩散的一维扩散的费克定律费克定律费克定律费克定律是理解杂质在半导体中扩散过程的是理解杂质在半导体中扩散过程的是理解杂质在半导体中扩散过程的是理解杂质在半导体中扩散过程的 重要理论重要理论重要理论重要理论 常用的常用的常用的常用的扩散方法扩散方法扩散方法扩散方法：恒定源扩散恒定源扩散恒定源扩散恒定源扩散+有限源扩散有限源扩散有限源扩散有限源扩散的两步扩散的两步扩散的两步扩散的两步扩散 法法法法(用公式计算扩散后杂质分布和结深用公式计算扩散后杂质分布和结深用公式计算扩散后杂质分布和结深用公式计算扩散后杂质分布和结深)扩散工艺的扩散工艺的扩散工艺的扩散工艺的质量检测质量检测质量检测质量检测小结：小结：精选课件