半导体 第十九讲 扩散工艺-p(1)

扩散



70年代初期以前，杂质掺杂主要通过高温的扩散实 现。 杂质原子通过气相源或氧化物源扩散或淀积到硅晶 片的表面。 杂质浓度从表面到体内单调下降 杂质分布主要是由温度和扩散时间决定 可用于形成深结（deep junction），如CMOS中 的双阱（twin well）
离子注入


电场强度在圆柱和圆球结处较强，该处 雪崩击穿电压将远低于有相同衬底掺杂 的平面结处。
实际扩散区域大于窗口影响集成 度
扩散工艺－固态源扩散

扩散物质：杂质的氧化物或其他化合物 通过惰性气体把杂质源蒸气输运到硅片表面 温度决定固溶度，对浓度有直接影响
固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等
替位式扩散
扩散方程


菲克第一定律
扩散是微观粒子热运动的统计结果，当杂质存在浓度 梯度时，出现宏观的扩散流。杂质由高浓度区向低浓 度区移动，直至浓度趋于均匀，扩散流为零。实验表 明：扩散流的大小，正比于杂质的浓度梯度。

菲克第一定律:

如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度，则杂 质将会产生扩散运动，而且杂质的扩散方向使杂质 浓度梯度变小。
得到
C ( x, t ) C ( x, t ) (D ) t x x

假设扩散系数D为常数（低浓度正确），得到
C ( x, t ) 2 C ( x, t ) D t x 2
杂质原子的扩散
恒定表面源扩散



定义：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终不变的扩 散 边界条件和初始条件 C(0,t)=Cs ； C(∞ ,t)=0； C(x ,0)=0, x>0 恒定表面源扩散的杂质分布：
Ws代表替位杂质 的势垒高度
△E为扩散激活能，对替 位式杂质来说，一般为3~4eV
D Do exp(E / kT ) Do a 2 o
扩散方程

扩散方程（菲克第二定律）
扩散方程

扩散方程（菲克第二定律）

经过△t时间，体积元内的杂质变化量为
C ( x, t )st C ( x, t t )st [C ( x, t t )－C ( x, t )]st
扩散系数
J ( x, t ) C ( x a / 2, t ) P a C ( x a / 2, t ) P a
v v
C ( x, t ) a P x C ( x, t ) J D x
2 v
其中：V0代表振动频率
Wv代表形成一个 空位所需要的能量
Pv o exp[(WV Ws ) / kT ]
间隙扩散机构图
扩散机理

替位式扩散


定义：杂质离子占据硅原子的位 杂质特点：III 、Ⅴ族元素 相邻晶格上出现空位才好进行替位式扩散 势能极大位置：间隙处 势垒高度：0.6~1.2eV 跳跃率： 近邻出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，Pv依赖 于温度 间隙式扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级
Q x 2 / 4 Dt C ( x, t ) e Dt
Q Cs (t ) C(0, t ) Dt
有限表面源扩散
有限表面源扩散

杂质分布形式特点




当扩散温度相同时，扩散时间越长，杂质扩散 的就越深，表面浓度就越低。 当扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散 的就越深，表面浓度下降的也就越多 扩散过程中杂质量不变 表面杂质浓度可以控制，有利于制作低表面浓 度和较深的p-n结。
扩散工艺－气态源扩散


方法：气态杂质源一般先在硅片表面进行化学反应生成掺 杂氧化层，杂质再由氧化层向硅中扩散。 杂质源：多为杂质的氢化物或卤化物，毒性大易燃易爆。
稀释气体 气态杂质源进行 化学反应所需气体
扩散工艺

简介 扩散原理 扩散方程


杂质原子的扩散
扩散工艺
简介
扩散工艺是一种掺杂技术，它是将所需杂质 按要求的浓度与分布掺入到半导体材料中，以达 到改变材料电学性能，形成半导体器件的目的。 以杂质原子或离子在硅中的扩散为主（P型杂质 和N型杂质）。
简介

掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中 ，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电 阻、欧姆接触 磷(P)、砷(As) —— N型硅 硼(B) —— P型硅 掺杂工艺：扩散、离子注入
体积元内杂质的变化，是由于在△t时间内，通 过x处和x＋△x处的两个截面的流量差所造成 J ( x x, t )st J ( x, t )st [ J ( x x, t )－J ( x, t )]st

扩散方程

扩散方程（菲克第二定律）

假定体积元内的杂质不产生也不消失，上面两式应该相等，
Q (t ) C ( x, t )dx
0


2

C s Dt

扩到硅内的杂质数量可用高为Cs，底为2 的三角形 近似； 表面浓度Cs由杂质在扩散温度下的固溶度所决定。而 在900~1200 ℃内，固溶度变化不大，可见很难通过 改变温度来控制Cs
恒定表面源扩散

结深

如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的导电类型不同，则 在两种杂质浓度相等处形成p-n结。
C ( x, t ) C s (1 erf
x 2 Dt
) C s erfc(
x 1
2


x
0
e
y2
dy
恒定表面源扩散
恒定表面源扩散

杂质分布形式特点 在表面浓度Cs一定的情况下，扩散时间越长，杂质扩 散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。

预扩散：在低温下采用恒定表面源扩散方式，控 制扩散杂质的数量，杂质按余误差形式分布。 主扩散将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在较 高温度下进行扩散。控制表面浓度和扩散深度。 杂质按高斯形式分布。 分布形式：


D1t1>>D2t2 , 余误差分布 D1t1 << D2t2 ，高斯分布

影响杂质分布的其它因素
发射区推进效应

在npn窄基区晶体管制造中，如果基区和发射区分别扩B和 扩P，则发现在发射区正下方（内基区）B的扩散深度，大 于不在发射区正下方（外基区）B的扩散深度，该现象称为 发射区推进效应，或发射区下陷效应。
二维扩散

实际扩散 在掩蔽层的边缘，横向扩散与纵向扩散同时进行
二维扩散

实际扩散
有限表面源扩散

结深
xj A DSiO 2 t

杂质浓度梯度

任意位置
C ( x, t ) x C ( x, t ) x ( x,t ) 2Dt

P-n结处得杂质梯度
2C s In(C s / C B ) C ( x, t ) x x j x j Cs / CB
两步扩散


P-n结处的杂质梯度
C ( x, t ) x
xj
2C s 1

exp(erfc 2
xj
CB C ) erfc 1 B Cs Cs

在Cs和CB一定的情况下，p-n结越深，在结 处的杂质浓度梯度就越小。
有限表面源扩散



定义：扩散之前在硅片表面淀积一层杂质，在整个扩散过 程中这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充 初始条件和边界条件 C(x ,0)=0,x>h C(∞ ,t)=0 C(x ,0)= Cs(0)=Q/h,0≤ x≤ h 解得：

低浓度扩散

假定：D与杂质浓度无关，横向扩散与纵向扩散 都近似以同样方式进行

L横=75%~85%L纵

高浓度扩散：

D与杂质浓度相关，L横=65%~70%L纵
杂质横向扩散示意图
杂质横向扩散示意图

由于横向扩散作用，结包含



一个中央平面区 一个近似圆柱、曲率半径为rj的边 如果扩散掩蔽层有尖锐的角，在这角处的结将 因横向扩散而近似于圆球状。
扩散工艺－液态源扩散



方法：携带气体经过源瓶，将杂质源蒸气（杂质化合物） 带入扩散炉管内与硅反应，或分解后与硅反应。 条件： 源温控制在0 ℃ ，以保证稳定性和重复性 携带气体进行纯化和干燥，以防止杂质源水解而变质 特点：系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性 和均匀性好，较常用。

杂质浓度相等：
C( x j , t） CB
1

CB 结的位置： x j 2 DSiO t erfc A DSiO 2 t 2 Cs 温度通过D对扩散深度和杂质分布情况的影响，同时间t相
比更为重要。
恒定表面源扩散

杂质浓度梯度

任意位置
2 Cs C ( x, t ) x, t e x / 4 Dt x Dt
从70年代初开始，掺杂的操作改由离子注入完成 掺杂原子以离子束的形式注入半导体内 杂质浓度在半导体内有峰值分布 杂质分布主要由离子质量和离子能量决定

用于形成浅结（shallow junction），如 MOSFET中的漏极和源极
扩散机理

间隙式扩散




定义：杂质离子位于晶格间隙 杂质：Na、K、Fe、Cu、Au 等元素 势能极大位置：相邻的两个间隙之间 势垒高度Wi：0.6~1.2eV 间隙杂质的振动能在室温时，只有0.026eV； 1200 ℃时为0.13eV，因此间隙杂质靠热涨落越 过势垒 跳跃率： Pi 依赖于温度