03扩散

23
间隙式扩散： 间隙式扩散： Au, Ag, Cu, Fe, Ni等 等
扩散方式： 扩散方式：间隙原子必须越过的势垒高度 Ei Ei 约为 约为0.6 ∼ 1.2 eV 跳跃几率和温度有关
Ei Pi = v0 exp − kT 振动频率ν0＝1013～1014/s
快速扩散杂质 T：绝对温度， k：玻尔兹曼常数
Ea 小，间隙扩散 Ea大，替位扩散
D = a ν0
0 2
D：cm2/sec
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半导体工艺中常用掺杂原子在单晶硅中的本征扩 散系数因子和激活能
D0(cm2/s) B 1.0 In 1.2 P 4.70 As 9.17 Sb 4.58
Ea(eV) 3.46 3.50 3.68 3.99 3.88
As的优势： 的优势： 的优势 小D，大固溶度 ，
扩散动力学
28
费克第一定律
∂C ( x, t ) F ( x, t ) = − D ∂x
浓 度
∂C F = −D ∂x
t1
t2
C cm2/s
number/cm3)
D x
29
费克第二定律
—浓度、时间、空间的关系 浓度、时间、 浓度
单位体积内杂质原子数 的变化量等于流入和流 出该体积元的流量差 ∆t 时间内该小体积内的杂质数目变化为
1
第一讲 第二讲 第三讲 第四讲 第五讲 第六讲 第七讲 第八讲
前言 晶圆制备与硅片清洗 氧化 1 氧化 2 扩散 1 扩散 2 离子注入 1 离子注入 2
第九讲 第十讲 第十一讲 第十二讲 第十三讲 第十四讲 第十五讲 第十六讲 第十七讲
化学气相沉积 1 化学气相沉积 2 外延 1 光刻与刻蚀工艺 1 光刻与刻蚀工艺 2 光刻与刻蚀工艺 3 金属化与金属互联1 金属化与金属互联 金属化与金属互联2 金属化与金属互联 工艺集成
σ = qnµ
1 ρ= = σ qnµ
1
q 电荷，µ 载流子迁移率，n 载流子浓度 电荷， 载流子迁移率， 假定杂质全部电离 载流子浓度 n = 杂质浓度 N 则：
1 1 1 RS = = = = x j σx j qµNx j qµQ
Q：从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量 ：
ρ
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对于不均匀 的杂质分布
3
第三章 扩散
基本概念 扩散机制 扩散动力学 影响扩散的其它因素 扩散工艺 扩散层质量检测
4
掺杂（doping）：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅 掺杂（ ）：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅 ）： 并获得精确的杂质分布形状（ 中，并获得精确的杂质分布形状（doping profile）。 ）。
7
液态源扩散系统示意图
8
基本概念
结深 xj （Junction Depth） ） 薄层电阻 Rs （Sheet Resistance ） 杂质固溶度（ 杂质固溶度（Solubility)
9
1、结深的定义 、
xj : 当 x = xj 处 Cx（扩散杂质浓度）= CB（本体浓度） 扩散杂质浓度） 本体浓度） 器件等比例缩小k倍 等电场要求 同时缩小k倍 器件等比例缩小 倍，等电场要求xj 同时缩小 倍 •同时 同时 要求x 增大⇒短沟道效应DIBL（drain induced barrier 要求 j 增大⇒短沟道效应 （ lowing） ） 在现代COMS技术中，采用浅结和高掺杂来同时满足两方 技术中， 在现代 技术中 面的要求
固溶度（ ）：在平衡条件下 固溶度（solid solubility）：在平衡条件下，杂 ）：在平衡条件下， 质能溶解在硅中而不发生反应形成分凝相的最 质能溶解在硅中而不发生反应形成分凝相的最 大浓度。 大浓度。 固溶度－ 固溶度－热力学 最大浓度 动力学可以限制/改变 动力学可以限制 改变 电活性掺杂浓度 －电固溶度 超过电固溶度的 杂质可能形成电中性 的聚合物， 的聚合物，对掺杂区 的自由载流子不贡献
NMOS BJT B E C
p+
p
n+ nn+ p
n+
p+
p well
： 漏 掺杂应用： 掺杂应用： MOSFET：阱、栅、源/漏、沟道等 BJT：基极、发射极、集电极等 ：基极、发射极、
5
杂质分布形状（ 杂质分布形状（doping profile）举例 ）
6
掺 杂 过 程
预淀积＝ 预淀积＝
气/固相扩散 固相扩散
19
As在硅中的固溶度 2×1021 cm-3 在硅中的固溶度: × 在硅中的固溶度 As的电学可激活浓度 2×1020 cm-3 的电学可激活浓度: × 的电学可激活浓度
20
扩散的微观机制
替位式扩散（ ） (a) 间隙式扩散（interstitial） (b) 替位式扩散（substitutional） 间隙式扩散（ ）
VG
12
短沟道效应Short Channel Effect：定性解释 短沟道效应 ：
漏两极的p-n结将参与位于栅 源-漏两极的 结将参与位于栅 漏两极的 极下的硅的耗尽作用， 极下的硅的耗尽作用，同栅极争 夺对该区电荷的控制。栅长L 夺对该区电荷的控制。栅长 g越 被源-漏两极控制的这部分电 短，被源 漏两极控制的这部分电 荷所占的份额比越大， 荷所占的份额比越大，直接造成 域值电压V 随栅长的变化。 域值电压 t 随栅长的变化。
24
替位式扩散：B, P, As, Sb等 等
温度T， 温度 ，单位晶体体积中的 空位数 每一格点出现空位的几率为 Nv/N，替位式原子须越过的 ， 势垒高度为E 势垒高度为 s; Es 约3 ∼ 4 eV 跳跃几率为
Evac Es Pv = exp − ⋅ v0 exp − kT kT Evac + E s = v0 exp − kT
10
DIBL: Drain induced barrier lowering
11
L
Depletion region
Log ID
DIBL CSE
CSE DIBL
BC
VDS CSE=Charge Sharing Effect DIBL=Drain Induced Barrier Lowering
Vt2Vt1 Vt
R = RS =
ρ
xj
14
RS：表面为正方形的半导体薄层，在电流方向呈 表面为正方形的半导体薄层， 现的电阻。 现的电阻。单位为 Ω RS：正方形边长无关
l l ρ l l R=ρ =ρ = = RS A wx j x j w w
方块时， ＝ ， ＝ 。所以， 方块时，l＝w，R＝RS。所以，知道了某个掺杂 区域的方块电阻，就知道整个掺杂区域的电阻值。 区域的方块电阻，就知道整个掺杂区域的电阻值。
离子注入
或
离子注入
气/固相扩散 无损伤掺杂 产率高
退火
室温掩蔽
优 点
精确剂量控制 1011～1016/cm2剂量 精确的深度控制 高浓度浅结形成 灵活 损伤位错会导致结漏电
预淀积控制剂量
恒定剂量推进退火
缺 点
需要长时间驱入退火方 可能获得低表面浓度 受到固溶度限制
沟道效应会影响杂质分布 低剂量预淀积困难 注入损伤增强扩散
VG n+ xdep p n+ XJ depletion region
Okuno et al., 2005 IEDM
Large Lg: S Small Lg: S
D
D
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2、薄层电阻 RS（sheet resistance） 、 ）
方块电阻
薄层电阻定义为
RS =
ρ
xj
A xj l w
l R=ρ A
Evac N v = N exp − kT
慢扩散杂质
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本征扩散系数
在一定温度下） 称为本征掺杂 本征掺杂。 当ND<ni（在一定温度下）时，称为本征掺杂。
Ea Di = D exp(− ) kT
0
Ea：本征扩散激活能， 本征扩散激活能， D0和温度弱相关，而主要取决于 和温度弱相关， 晶格几何尺寸和振动频率v 晶格几何尺寸和振动频率 0 表观扩散系数： 表观扩散系数：
2
上一章内容回顾
热氧化是CMOS的关键工艺，特别是栅氧化， 热氧化是CMOS的关键工艺，特别是栅氧化，其厚度必须以原 CMOS的关键工艺 子级别控制。热氧化主要用于栅/隧穿介质、掩蔽和场氧化。 子级别控制。热氧化主要用于栅/隧穿介质、掩蔽和场氧化。 热氧化的基本原理是： 热氧化的基本原理是：氧化剂在二氧化硅中的扩散和在界面 处的反应。氧化硅在界面生长并消耗体硅。干氧、 处的反应。氧化硅在界面生长并消耗体硅。干氧、湿氧和水汽 氧化。 氧化。 (直线 抛物线)模型及其修正—— 直线－ D-G (直线－抛物线)模型及其修正——B、B/A意义及模型应 用。 影响氧化速率的因素：压力、杂质浓度、晶向、掺氯。 影响氧化速率的因素：压力、杂质浓度、晶向、掺氯。杂质 再分布。 再分布。 界面性质优于所有其他半导体/介质界面。(100)界面 Si/SiO2界面性质优于所有其他半导体/介质界面。(100)界面 性能最佳。界面电荷（ 可以用MOS C- 测量。 性能最佳。界面电荷（Qf, Qit, Qm, Qot）可以用MOS C-V测量。 非平面氧化受到晶向、在有形的氧化硅中的2D 2D扩散和应力效 非平面氧化受到晶向、在有形的氧化硅中的2D扩散和应力效 应作用。 下降， 应作用。 应力使得ks和D下降，导致在转角和有形区域氧化速 率的下降。 率的下降。
间隙扩散杂质： ， 间隙扩散杂质：O， 杂质 Au，Fe，Cu，Ni， ， ， ， ， Zn，Mg ，
B，P，一般作为替代式扩 ， ， 散杂质，实际情况更复杂， 散杂质，实际情况更复杂， 包含了硅自间隙原子的作 用，称填隙式或推填式扩， 替位扩散杂质 杂质： ， ， 替位扩散杂质：As， Al，Ga， 散 Sb，Ge。 ， 。 替位原子的运动一般是以近邻 处有空位 空位为前题 处有空位为前题