半导体中杂质原子扩散的机理

半导体中杂质原子扩散的机理
微电子工艺2010-09-30 14:05:16 阅读152 评论0 字号：大中小订阅
Xie Meng-xian （电子科大，成都市）
在向Si和GaAs等半导体内部掺入施主或者受主杂质原子时，最常采用的技术是热扩散（Thermal Diffusion）和离子注入。

对于热扩散技术来说，往往都需要较高的扩散温度；因为施主或受主杂质原子的半径一般都比较大，要它们直接进入到半导体晶格中去是很困难的，然而如果利用高温产生出一些热缺陷，则通过这些热缺陷的帮助即可容易地扩散、并进入到半导体中去。

半导体晶体中原子扩散的机理不同于载流子的扩散。

载流子扩散的快慢主要决定于它们所遭受的散射作用；而原子扩散的快慢则主要决定于晶体中热缺陷（间隙原子和空位）的数量。

（1）原子扩散系数：
杂质原子扩散的快慢用相应的扩散系数来表征。

因为原子在晶体中的扩散，实际上是通过间隙原子或者晶格空位、一步一步地在晶格之间跳跃前进的；如果所需要跳过的势垒高度为Ea，则扩散系数D与温度T之间的关系可表示为
常数Ea称为扩散激活能。

实验表明，溶解度愈小的代位式杂质原子，其扩散系数就愈大。

对于半导体中杂质原子的扩散，为了让晶体中产生出大量的热缺陷，就必须对晶体加热，让晶体原子的热运动加剧，以便于某些原子获得足够高的能量而离开晶格位置，并产生出空位和等量的间隙原子。

因此，原子的扩散系数随着温度的升高而指数式增大。

对于Si晶体，要在其中形成大量的热缺陷，所需要的温度大致为1000oC左右，这也就是热扩散的温度。

（2）扩散机理：
施主或者受主杂质原子通过热扩散而进入到半导体中之后，必须要处于替代晶格的位置才能起到提供载流子的作用——即具有电活性。

从机理上来说，代位杂质原子扩散的具体方式主要有三种：
①利用晶格空位的扩散：
在杂质原子的代位式扩散机理中，可以有两种重要的扩散方式，即(a)直接交换方式和(b)空位交换方式；在这两种代位扩散方式中，杂质原子利用空位的交换方式是最容易进行的（所需要的激活能较低），因此可以认为杂质原子的扩散等效于晶格空位的扩散。

虽然杂质原子以代位方式扩散的速度较慢，需要的扩散温度较高（800oC~1200oC），但是这种扩散可以精确地控制扩散深度（p-n结的结深）和掺杂浓度，只要精确地控制扩散温度即可（往往要求温度控制精度达到±1oC）。

Si中硼、磷等杂质的扩散就属于代位式扩散。

②利用自间隙原子的扩散：
杂质原子也可以通过晶体的自间隙原子来进行扩散，即自间隙原子取代杂质原子、并把杂质原子推到替代晶格的位置上去。

这种间隙式扩散只有在存在空位扩散时才会发生。

实际上，Si中硼、磷的扩散，就是利用Si自间隙原子和晶格空位这两种扩散机理来进行的。

③通过晶格间隙的扩散：
可以通过两种方式来让杂质原子进入到晶格位置，即挤出方式(1)（即杂质原子取代晶格Si原子）和Frank-Turnbull方式(2)。

Frank-Turnbull方式也称为代位-间隙方式（SI），即是间隙杂质原子被空位俘获。

这里不需要Si自间隙原子的帮助；而且这种间隙杂质原子具有溶解度低于替位原子的特点。

此外，对于非施主和非受主杂质的扩散，情况将有所不同。

如Au、Pt等重金属杂质，因为这些杂质原子的半径一般都较小，则这些原子可以直接在晶格间隙中穿行，因此它们的扩散速度都很快（在1000oC 下10分钟就可扩散200~300μm的深度），则所需要的扩散温度也就较低一些（800oC~1050oC）。

总之，半导体中施主或者受主杂质原子的热扩散，主要是以代位式或者间隙式进行，扩散的速度较慢，所得到的浓度分布是不均匀的erfc分布或Gauss分布，而且表面处的浓度高、体内的浓度低。

但是半导体中一些半径较小的重金属杂质原子（Au、Cu、Pt等）的扩散多为简单的间隙式扩散，则扩散速度很快，并因此可认为扩散以后的浓度分布基本上是均匀的（其浓度大小由该温度下的固溶度来决定）。

（3）Fair空位模型：
在杂质原子的代位式扩散机理中，扩散是通过空位交换的方式来进行的，在此比较常用、且又比较符合实际情况的一种扩散模型就是所谓Fair空位模型。

该模型适用于温度低于1000 oC、掺杂浓度在中等以下的多种杂质扩散的情况。

在Fair空位模型中，空位可以获得电子而带负电荷，也可以失去电子而带正电荷。

因为对于Si和GaAs而言，每一个原子都与4个相邻的原子以共价键联系着（GaAs中的价键还带有离子性），当出现一个晶格空位时，即有4个邻位原子的价电子层是不饱和的，所以空位能够带有的电荷可以有4种负电荷的情况（即一个电子电荷、2个电子电荷、3个电子电荷和4个电子电荷）以及4种正电荷的情况（即一个正电荷、2个正电荷、3个正电荷和4个正电荷）；再加上中性的空位，则晶体中的空位共有9种不同的带电状态。

因为空位俘获电荷的数量与载流子浓度n（等于掺杂浓度N(x)）成正比，所以带电空位的数量正比于[N(x)/ni]j，这里ni是本征载流子浓度，j是带电状态的阶数；又因为晶体中的空位数量总的来说还是很少的，因此每一种空位的扩散都可看成是一个独立的事件，从而晶体中杂质原子的总有效扩散系数D可以表示为如下的9项之和：
对于高浓度的扩散，则电子或空穴的浓度就等于掺杂浓度（n或p≈N(x)）；对于低掺杂浓度的扩散，则电子和空穴的浓度都近似等于本征载流子浓度（n≈p≈ni）。

如果Si材料中存在过多的自由电子时，则Fair模型表示式中的正电荷项可以忽略；如果存在过多的自由空穴时，则Fair模型表示式中的负电荷项可以忽略。

此外，在Fair模型表示式中的高次幂项（3次幂项和4次幂项）一般都很小，通常可以忽略。

若考虑到带电空位的扩散，那么载流子浓度以及扩散系数都将与坐标有关。

例如，Si中硼的扩散，在浓度小于1020 cm-3时，基本上都是依靠中性空位的本征扩散；在浓度等于1020 cm-3时只需要考虑带有单一正电荷空位的影响；而在浓度大于1020 cm-3时，则有些硼原子将处于间隙位置，或者结成一团，这时扩散系数将急剧下降。

又如，Si中高浓度磷的扩散，扩散分布可以区分为三个区域：①在高浓度区（表面附近），浓度基本恒定，这是由于扩散系数可表示为两个部分：一是中性磷原子与中性空位交换的扩散系数，二是带正电荷的磷离子与带两个负电荷的空位所组成的离子-空位对（带有负电荷）的扩散系数；②在转折区，许多离子-空位对发生分解，即造成电子浓度急剧减小，就使得杂质浓度分布也相应地很快下降；③在低浓度区，扩散速度加快，这是由于离子-空位对的分解、产生出了过剩的空位浓度，即使得未配对的磷离子扩散加快。

作为Si中施主的磷杂质，扩散系数较大（大于As和Sb），因此在VLSI技术中，常常用作为阱区和隔离区的扩散杂质。

杂质原子扩散的Fair空位模型与实验结果符合得较好，因此在扩散分布的SUPREM模拟程序中，都采用了该模型所给出的扩散系数表示式。

（4）其他因素的影响：
①杂质浓度分布不均匀所产生的内建电场的加速作用。

这种作用将具有增强扩散的作用，最大可使扩散系数增大一倍。

例如，在Si中高浓度As扩散时，电场增强的作用就很明显（扩散系数增大一倍），从而导致As扩散的浓度分布变得非常陡峭；但是当掺As浓度超过1020 cm-3时，As将形成间隙式的结团、不能提供电子（即不能电激活），这就将导致高浓度As扩散分布的顶部变得较平坦。

作为Si中施主的As杂质，其扩散系数较小，则其扩散浓度的再分布也很小，因此常常用作为BJT的发射区扩散杂质和亚微米n-MOSFET源/漏区扩散杂质。

②气氛的影响～增强扩散和阻滞扩散：
氧化过程将要影响到杂质原子的扩散。

实验表明，在Si片氧化时，界面附近处将会产生出高浓度的间隙原子，并且其浓度随着深度而降低；在Si片表面附近处这些间隙原子具有提高硼、磷扩散系数的作用，但却具有降低As扩散系数的作用（因为间隙原子-空位的复合，使得局部空位浓度减小，扩散激活能为4.7eV），因此，在氧化过程中，可以认为硼、磷的扩散主要是以间隙原子机制进行的，而As的扩散则主要是以空位机制进行的。

这种氧化所导致的增强或者阻滞扩散的作用，都将要影响到扩散系数的大小。

也有实验表明，在氮化气氛中进行热扩散时，对杂质原子扩散系数的影响，与在氧化气氛中的恰恰相反，即有增强As扩散的作用（扩散激活能降低为3.7eV）以及具有阻滞硼、磷扩散的作用。

因为Si片在热氮化气氛中，在表面附近处会产生出大量的空位。

这种氮化气氛具有阻滞硼扩散的作用，现在已经应用于深亚微米Si器件及其IC的制造中。

当利用热氧化来制作栅氧化层时，往往需要在氧化气氛中掺入一些氮气，目的就是为了防止重掺硼多晶硅电极中的硼原子扩散到沟道中，以免影响到器件的阈值电压和降低氧化层的可靠性。

（注意：氢气具有提高硼原子在氧化硅中扩散系数的作用。

）。