微电子工艺之掺杂技术 共63页

b.精确控温，若Δ T=± 1 ℃，则Δ D=5%--10%。
一、扩散原理
3.菲克第二定律—扩散方程
对Si平面工艺，扩散流近似沿垂直Si表面方向（x方
向）,则
JJ(x)DN x
根据质量守恒：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， 即
，
3.菲克第二定律—扩散方程
替位扩散：Ea = Es+ Ev D是描述粒子扩散快慢的物理量，是微观扩散的宏观
描述。
一、扩散原理
①D与Ea成反比 替位扩散：Ea = Es+ Ev ，能量高，慢扩散； 间隙扩散：Ea = Ei，能量低，快扩散。
② D与T成正比 a.高温扩散， T=800-1000℃ ； 例如，室温下Si中替位杂质要等1045 年才能跃迁一 步。
x
；erfc(x)
≡
1-erf(x)；
②erfc(0)＝1；
③erfc(∞)＝0； ④erfc(x)≌ 2 x ，当x«1；

erfc(x)≌ 1 e x 2 ，当x»1；
x
1.恒定表面源扩散
杂质总量
Q 0 N (x ,t) d x 0 N s e( r 2 x f D c ) dt x 2 N s D 1 .t 1N s 3Dt
第二章 掺杂技术
目的：改造半导体的电特性 定义:用人为的方法，将所需的杂质，以一定的方式
掺入到半导体基片规定的区域内，并达到规定的数量 和符合要求的分布。 应用：制作①PN结②IC中的电阻③欧姆接触区④硅 栅⑤多晶硅互连线 方法：①热扩散②离子注入③合金
§1 扩散
定义：将掺杂气体导入放有硅片的高温炉中，从而达 到将杂质扩散到硅片内的目的。
Ns2 2N s1tg1(
D1t1 ) D2t2
§1 扩散
4.实际杂质分布
①二维分布（横向分布）
4.实际杂质分布
②杂质浓度对扩散系数的影响 ③自建电场效应 ④发射区陷落效应 ⑤热氧化过程的杂质再分布 ⑥氧化增强效应
5．扩散层质量参数
包括：结深XJ ，方块电阻R□(RS) ，表面浓度 NS ,击穿电压BV等。
二. 能量损失模型
3.注入能量与阻挡本领（模型）关系
临界能量（交叉能量）Ene: Sn(E)=Se(E)处的能量。 ①低能时（E0< Ene），以核阻挡为主；
高能时（E0> Ene），以电子阻挡为主。 ②Ene随注入离子原子量的增加而增大。
三. 注入深度
注入离子在靶内不断损失能量，最后停止在某处； 注入离子在靶内的碰撞是一随机过程；注入离子按一 定的统计规律分布。
结深
Xj
2
Detrfc1(NB) Ns
1.恒定表面源扩散
2.有限表面源扩散/恒定杂质总量 扩散(constant-total-dopant)
定义：在扩散过程中，杂质源限定于扩散前淀积在晶 片表面极薄层内的杂质总量Q，没有补充，也不会减 少。
例如：再分布。 初始条件：（假设扩散开始时，杂质总量均匀分布在

N1(x,t1)Ns1er(f2c
x D1t1
)
――余误差分布；

Q 2Ns1
D1t1

3．两步扩散工艺
②再分布—高温、深结
目的：达到所需的Ns和Xj
若预淀积的Xj<<再分布Xj，则
Q
x2
N2(x,t2)
ex p( )
D2t2
4D2t2
或
N 2(x,t1,t2)2N s1
D 1t1expx(2 )―高斯分布
剂量，可得到各种形式的分布。特别适合浅结及突变 型分布。
缺点： ①损伤(缺陷)较多:必须退火。 ②成本高
一,离子注入设备
1.离子源 2.质量分析器 3.加速器 4.扫描器 5.偏束板 6.靶室
一,离子注入设备
离子注入系统的原理示意图
一,离子注入设备
1.离子源
作用：产生注入用的离子。 原理：杂质原子高能电子轰击（电子放电）注入离子 类型：高频，电子振荡，溅射
例如：双极器件的基区，要求Ns=1017-1018 cm-3, Xj =2-3μm。
若采用恒定源一次扩散，掺杂B,则 最大固溶度NSi = 5x 1020 cm-3 ,无法使Ns达到要求。
3．两步扩散工艺
两步法的浓度分布：
①预淀积－－恒定源扩散，温度低,时间短，扩散浅。
目的:准确控制表面杂质总量Q。
l Xj Xj
∵扩散层存在浓度分布梯度,ρ应由代替,
∴ R? 1 1 Xj Xj qQ
式中,ρ—电阻率,q—电子电量,μ—载流子迁移率,Q—杂 质总量.
5．扩散层质量参数
R□的测量—四探针
RS

CV I
V—2,3探针间电压 I—1,4探针间电流 C—修正因子,
与Si片大小,形状等有关.
三. 扩散方法
1.杂质源与扩散方法 2.扩散系统 3.固态源扩散 4.液态源扩散 5气态源扩散
四.工艺污染
§2-2 离子注入
定义:将带电的,且具有能量的粒子入射到衬底中。 特点: ①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,<400℃。避免了高
温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜。 ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在
§1 扩散
2.扩散模型（机构）
杂质原子的能量—波尔兹曼分布 ①间隙式扩散—杂质运动在原子间的间隙 ② 替位（代位）式扩散—杂质原子从一个晶格点替位
位置运动到另一个替位位置 前提：邻近格点有空位
一、扩散原理
3.扩散系数 D=D0 exp(-Ea /kT)
D0—表观扩散系数，既1/kT→ 0时的扩散系数 Ea—激活能；间隙扩散：Ea = Ei，
D 2t2
4D 2t2
表面浓度
Ns2

2Ns1

D1t1 D2t2
3．两步扩散工艺
b. 若预淀积的Xj1与再分布Xj2相近，则
N 2(x,t1,t2)2N s1 eyer (y f)dy―Smith分布
式中，
D1t1 D2t2
，
x2
，
4(D1t1 D2t2 )
式中,ρ 基区薄层平均电阻率; Xje –发射区结深;Xjc— 基区结深;Rsb-基区薄层电阻,可由图2-3确定.
5．扩散层质量参数
⑤击穿特性 理想pn结反向I-V特性:曲线平直,有明显拐点, 漏电流小.
几种典型的异常击穿 a.软击穿 特点:无明显拐点 原因:PN结处的晶格缺陷及杂质沾污形成复合中心,成为
±1％（高浓度扩散5％－10％）；能精确控制浓度分 布及结深，特别适合制作高浓度浅结器件。 ③无污染:高真空背景,<10-4Pa;超高真空(UHV),<10-7Pa
§2-2 离子注入
④横向扩散小：有利于器件特征尺寸的缩小。 ⑤不受固溶度限制:原子上各种元素均可掺杂。 ⑥注入深度随离子能量的增加而增加：通过控制能量和
5．扩散层质量参数
③表面浓度Ns--查图法
依尔芬曲线: 不同NB下, --Ns的关系曲线 (黄汉尧<半导体器件工艺原理>,p104,图3-11)
步骤: a.根据ρ (例如,n-Si,1.5Ω cm),通过 ρ -NB关系
曲线(黄汉尧,p104,图3-12),查得 NB=5x1015cm-3;
－－高斯分布
式中，N s
Q ――表面浓度 Dt
结深
xj
2
D(tlnNS )1/2 NB
3．两步扩散工艺
定义：第一步在较低温度（800－900℃）下，短时 间得浅结恒定源扩散，即预淀积；第二步将预淀积的 晶片在较高温度下（1000－1200℃）进行深结扩散， 最终达到所要求的表面浓度及结深，即再分布。
，高斯分布
a.磨角染色法： Xj asina2aaL b b.滚槽染色法：
X j R 1 2 1 (R b )2 [1 2 1 (R a )2 ] 2 1 a 2 R b 2 2 x R y x Dy
5．扩散层质量参数
②方块电阻R□(RS) 定R义?:结 深l为Xj的一Байду номын сангаас(正Ω方/□形)扩散层的薄层电阻,即
核阻挡本领Sn(E)
Sn(E)=
1 N
dE dR
n
式中,N—靶原子密度,
dE dR
n--核阻挡能量损失率.
二. 能量损失模型
2.电子阻挡模型:注入离子与靶内的自由电子和 束缚电子碰撞，产生电子－空穴对。注入离子 运动方向基本不变。
电子阻挡本领：Se(E)=

1 N
dE dR
e
dE dR
e--电子阻挡能量损失率
――余误差分布
式中， Dt ――扩散长度；Ns= NSi(杂质在Si中的固溶 度)；erf(x)—误差函数（error function);erfc(x)—余误 差函数(complementary error function )；
1.恒定表面源扩散
余误差函数性质：
①erfc(x)＝
2


e y2 dy
方法： ①液态源扩散 ②粉状源扩散 ③片状源扩散 ④乳胶源扩散 ⑤固体源（ CVD掺杂SiO2 )扩散
§1 扩散
一、 扩散原理
本质上：扩散是微观粒子做无规则热运动的统计结果。 方向上：高浓度向低浓度扩散。
1.菲克第一定律 J=-D·▽N
D—扩散系数（cm2/s) ▽N—浓度梯度 “-”—从高浓度向低浓度扩散 J—扩散流密度
厚度为δ的薄层内；） N(x,0)= Q/δ=Ns,0≤x≤δ；N(x,0)=0,x>δ；

边界条件：N(∞,t)=0；J=0,或
N x
x0 0
2.有限表面源扩散/恒定杂质总量 扩散(constant-total-dopant)
解扩散方程，得
N (x) Q Detx4 p x D 2() tN sex4 p x D 2()t
2.磁分析器（质量分析器）
作用：将所需离子分选出来。 原理：带电离子在磁场中受洛伦磁力作用，运动轨迹
发生弯曲。
一,离子注入设备
3.加速器
作用:使离子获得所需的能量。 原理：利用强电场，使离子获得更大的速度。
4.扫描器
作用：使离子在整个靶片上均匀注入。 方式：①靶片静止，离子束在X,Y方向作电扫描。②

N td xJ2J1Δ JΔ dJd x xD 2 2N xd，x即
N 2 N t D 2 x

――菲克第二定律/扩散方程
二、扩散杂质的浓度分布
1.恒定表面源扩散/恒定表面浓度扩散 （constant-surface-concertration)
定义: 在扩散过程中，Si片表面的杂质浓度始终不变。 例如：预淀积，箱法扩散
b.通过R□及Xj,测定 2(0Ωcm )1
c.根据NB, ,从依尔芬曲线图中查得Ns=6x1018cm-3.
④次表面浓度和次表面薄层电阻
次表面薄层:扩散层表面下,自某个Xje平面到PN结位置 之间的一个薄层.
次表面浓度:在Xje处的杂质浓度.
次表面薄层电阻: RsbXjcXje(Xjc1Xje)
初始条件：t=0时，N(x,0)=0； 边界条件： N(0,t)=Ns ， N(∞ ,t)=0； 解扩散方程，得
1.恒定表面源扩散
x
N(x,t)Ns(1
2
2
)
Dt
ex p(2)d
0
简化，得
N (x ,t) N s[1 e(r2f x D ) t]N ser (2 fx D c)t
①结深Xj 定义：pn结的几何位置与扩散层表面的距离. 设N，B衬N 底s的er杂f(质c2x浓D j 度t)为NB,即N(XJ ,t)=NB，得
5．扩散层质量参数
恒定源结深：
xj
2
Det rfc1(NB) NS
,余误差分布

有限源分布： 结深的测量：
xj 2
D(tlnNS )1/2 NB
PN结的漏电流通道,使反向漏电流随反向电压的增 高而增大.
5．扩散层质量参数
b.背靠背击穿 特点:反向饱和电流大,几百μ A-几mA 原因:表面沟道效应 c.分段击穿 特点:较低电压下有第一个击穿点. 原因:层错,光刻图形边缘不整齐. d.低压硬击穿 特点:有明显拐点,但在远低于理论值. 原因:PN结有较大局部尖峰;基区过窄;外延层过薄.
粒子束在Y方向作电扫描，靶片在X方向作机械运动。 ③粒子束静止，靶片在X,Y方向作机械运动。
一,离子注入设备
⑤偏束板
作用：使中性原子束因直线前进不能达到靶室。 原理：用一静电偏转板使离子束偏转5º--8º作用再进
入靶室。 ⑥靶室（工作室）
二. 能量损失模型
1.核阻挡模型:注入离子与靶原子核碰撞,将能量 传给靶核,离子发生偏转,靶核产生位移.