第九章 掺杂..

扩散的原理被引入到半导体制造工艺 中，它是一种基本的掺杂技术。通过 扩散将一定种类和一定数量的杂质掺 入到硅片或其它晶体中，以改变其电 学性质。
• 掺杂扩散是集成电路生产中一步重要工 艺．应用扩散方法改变硅和锗导电类型的 想法，是在1952年提出来的。目前扩散方 法已广泛用来形成晶体管的基极、发射极、 集电极， 双极器件中的电阻，在MOS制造 中形成源和漏，互连引线，多晶硅的掺杂 等．
• 影响淀积工艺的因素 一、特定杂质的扩散率。扩散率越高，杂质 在晶圆中的穿越越快。扩散率随温度的上 升而变大。 二、杂质在晶圆中的最大固溶度。随温度的 升高而升高。
• 预淀积 在较低温度下采用恒定表面源扩散的方 式在 硅片表面淀积一定量Q的杂质原子。 由于扩散温度低，扩散时间短，杂质原子 在硅片表面的扩散深度极浅。杂质浓度遵 循余误差函数分布，即
如果扩散时间为t，那么通过单位表面积扩 散到硅片内部的杂质数量Q(t)，可通过对 N(x，t)积分求出(或者通过扩散流密度的表 达式求出)：
Q(t ) N ( x, t )dx
0


0
x 2 N s erfc( )dx N S Dt 2 Dt
恒定源扩散，其表面杂质浓度Ns基本上由 该杂质在扩散温度(900—1200℃)下的固溶 度决定．而在这样的温度范围内，固溶度 随温度变化不大，可见恒定源扩散，很难 通过改变温度来达到控制表面浓度Ns的目 的，这也是该方法的不足之处．
如果把固态源做成片状，其尺寸可与硅片相 等或略大寸硅片， 源片和硅片相同并均匀 的放在石英舟上，在扩散温度下，杂质源 蒸气包围硅片并发生化学反应释放出杂 质．这种方法本身并不需 要携带气体，但 为了防止逆扩散和污染，扩散过程中也通 入一定 量的氮或氩作为保护气体．
• 箱法扩散 箱法扩散是把杂质源和硅片装在由石英或者 硅做成的箱内， 在氮气或氩气保护下进行扩 散．杂质源可以焙烧在箱盖的内壁， 或者放 在箱内，其源多为杂质的氧化物．在高温下， 杂质源的蒸气充满整个箱内空间，并与硅表 面反应，形成一层含有杂质的薄 氧化层，杂 质由氧化层直接向硅中扩散．箱法扩散的硅 表面浓度 基本由扩散温度下杂质在硅中的固 溶度决定，均匀性较好．为了保持箱内杂质 源蒸气压的恒定和防止杂质源大量外泄，要 求箱子 要有一定的密封。因为氧化物
NB N ( x j , t ) NS e
x2 j
4 Dt
求出，其中NB为原硅片内的杂质浓度，Xj为 结深，
表达式为
Ns x j 2 Dt ln( ) NB
也可写为
x j A Dt
A与比值Ns ／ NB有关，但因为Ns是随时间 变化的，所以A也将随时间变化，这与恒定 源扩散情况是不相同的． 对于有限源扩散 来说，扩散时间较短，结深Xj将随 Dt 的增 加而增加．另外，在杂质分布形式相同的 情况下， NB越大．结深 越浅。
有限表面源扩散的杂质是预先淀积的， 在整个扩散过程中杂质数量保持不变．上 图中各条分布曲线下面所包围的面积能直 接反映出预淀积杂质的数量，各条曲线下 面的面积应该相等． 有限源扩散的表面杂质浓度是可以控 制的，这种扩散方式有利于制作表面浓度 低，而深度较大的P—N结．如果以x＝o 2 Q x 代入 式 N x, t exp
(3)杂质浓度梯度 将式 N x, t
x2 Q exp 4 Dt Dt
对x微分，可求出任意位置上的杂质浓度梯度
N ( x, t ) x
( x ,t )
x N ( x, t ) 2 Dt
在P-N结处杂质浓度梯度为
N ( x, t ) x
第九章 掺杂
掺杂：本征半导体的导电性很差，只有在硅 中加入少量杂质，使其结构和电导率发生改 变时，硅才能成为一种有用的半导体，这个 过程称为掺杂。 掺杂有两种方式：扩散和离子注入
9.1 扩散 • 扩散的概念 扩散是粒子从浓度较高的地方向着浓度较 低的地方进行，从而使得粒子的分布逐渐 趋于均匀，浓度的差别越大，扩散越快； 温度越高，扩散也越快。
杂质源的吸水性较强，如果两次扩散相隔时 间较长，那么在扩散之前要进行一次脱水处 理，即在一 定温度下，由惰性气体保护进 行一定时间的热处理． 个别的杂质源(加CaO：P205)对石英有 腐蚀作用，需要把 源放到白金坩埚中．另 外为了保证扩散的重复性和稳定性，要根据 源量损失情况加入新源，使用一定时间后要 全部换成新源．从 扩散系统来看。箱法扩 散既具有闭管扩散的特点，也具有开管扩 散的优点．
9.1.5 电场效应 高温扩散时，掺入到硅中的杂质一般 处于电离状态，电离的施主和电子，或电 离的受主与空穴将同时向低浓度区扩散。 因电子或空穴的运动速度比电离杂质快得 多，因而在硅中将产生空间电荷区，建立 一个自建场，使电离杂质产生一个与扩散 方向相同的漂移运动，从而加速了杂质的 扩散。
9.1.6扩散工艺的步骤
杂质总量可表示为：
x N x, t1 N S1erfc 2 Dt 11
Q 2 N S1
D1t1

1. 2. 3. 4.
预扩散步骤 预清洗与刻蚀 扩散 去除氧化物 评估
• 开管扩散 开管扩散系统如图所示．
杂质源和准备扩散的硅片相距一定距离放 在石英管内，一般是通过情性气体把杂质 源蒸气输运到硅片表而．在扩散温度下杂 质的化合物与硅反应，生成单质 的杂质原 子并向硅内扩散．在硅片表面上经化学反 应产生的杂质浓度虽然很高，但浓度还是 受杂质在硅中的固溶度所决定，因此， 温 度对浓度有直接影响．开管扩散的重复性 和稳定性都很好。
实际生产中的扩散温度一般为900— 1200℃，在这样的温度范围内，常用杂质，如 硼、磷、砷等的固溶度变化不大，因而单纯采 用恒定表面源扩散很难得到低表面浓度的杂质 分布形式。为了同时满足对表面浓度、杂质数 量以及结深等方面的要求，实际生产中所采用 的扩散方法往往是上述两种扩散方式的结合， 也就是将扩散过程分为两步来完成，其中第一 步称为预扩散或预淀积，第二步称为主扩散或 再分布。
假没扩散之前在硅片表面上 所淀积的杂质 均匀地分布在一薄 层h内，每单位面积上 的数量为 Q，如图所示．
如果杂质在硅片内要扩散的深度远大干h， 还假设杂质不蒸发以及硅片厚度远大于要 扩散深度， 则有如下的初始条件和边界条 件：
又由于

0
N ( x, t )dx Q
x Q exp 4 Dt Dt
可得菲克第二定律式解的表达式
x N x, t N S erfc 2 Dt
其中Ns为表面杂质恒定浓度(cm-3)，D是扩 散系数 (cm2／s），X是由表面算起的垂直 距离(cm)， t是扩散时间 (s)，erfc表示余 误差函数．
恒定表面源扩散的主要特点可总结如下： (1)决定杂质分布形式的主要因素 由图可以看到，在表面浓度Ns一定的情况 下，扩散时间越长，杂质扩散距离就越深， 扩进到硅片内的杂质数量就越多．图中各 条曲线下所围的面积，可直接反应出进入 硅片内的杂质数量。
满足上述条件，可得菲克第二定律式解的表 达式 2
N x, t
这就是有限源扩散时杂质浓度分布的表达式,e- x /4Dt 为高斯函 数．
2
有限表面源扩散的特点可总结如下： (1)杂质分布情况 对于有限表面源扩散，当温 度相同时，杂质 浓度随扩散时间 的变化情况，如下图所示．
由图可以看到，扩散时间越长，杂 质扩散 得就越深，表面浓度就越 低．扩散时间相 同时，扩散温度 越高，杂质扩散得也越深， 表面 浓度下降得越多．
xj
2Ns xj
N ln( s Ns
NB
)
NB
杂质梯度将随扩散深度(或结深)的增加而减 小．
目前制造硅双极晶体 管的扩散方法、杂质 分布及有关参数如图 所示。基区的杂质分 布是采用有限扩散方 式完成的，杂质分布 为高斯分布。发射区 是采用恒定源扩散完 成的，杂质分布是余 误差分布。集电区即
衬底中的浓度为NB。
• 间隙式扩散比替位式扩散快得多。
两种扩散的扩散系数可表示为：
Ea D D0 exp KT
D0 a
2
a为晶格常数； v为振动频率
慢扩散杂质在（111）硅中的扩散系数
快扩散杂质在（111）硅中的扩散系数
7.1.2 扩散层杂质原子的浓度分布
菲克第一定律： j 菲克第二定律： N
N ( x, t ) x Ns e Dt
x2 4 Dt
x ,t
由上式可知，梯度受Ns 、 t和D(即温度T) 的影响．在实际生产中，可以改变其中某 个量，使杂质浓度分布的梯度满足要 求．例如，在其它量不变的情况下，可选 用固溶度大的杂质，即通过提高Ns来增大 梯度．
有限表面源扩散 是指在扩散过程中，杂质源限定于扩散前 淀积在硅片表面极薄层内的杂质总量Q，没 有补充或减少，依靠这些有限的杂质向硅片 内进行的扩散。
• 固溶度：是指杂质在一定温度下，能溶入固体硅 中的最大浓度。 10 在通常的扩散条件下，表 10 面杂质浓度可近似取其扩 10 散温度下的固溶度。
22 21 20
固溶度（cmˉ³）
1019 1018 1017 1016 1015
800 900 1000 1100 1200 1300 1400
温度（℃） 杂质在硅中的固溶度
(2)结深 如果扩散杂质与硅片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．其结的位置Xj可根据N(Xj，t)＝ NB x 由 N x, t N S erfc 式求2 Dterfc A Dt Ns
其中NB为硅片内原有杂质浓度，A仅与比 值NB ／ Ns有关的常 数， A与NB ／ Ns之 间的关系如图所示．
9.1.3 横向扩散 实际扩散中，杂质在通过窗口垂直向硅中 扩散的同时，也将在窗口边缘沿表面进行横向 扩散，横向扩散的距离约为纵向扩散距离的 75%~85%。 由于横向扩散的存在，实际扩散区域大于 由掩模版决定的尺寸，此效应将直接影响到 VLSI 的集成度。