硅集成电路工艺——扩散(Diffusion)

扩散
x
lnC
离子注入： 离子注入： •离子束注入方式，杂质掺入 离子束注入方式， 离子束注入方式 直进性 •杂质浓度在体内有峰值分布 杂质浓度在体内有峰值分布 •杂质分布主要由离子质量和 杂质分布主要由离子质量和 注入能量决定
离子注入
x
•一般用于形成浅结 一般用于形成浅结
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扩散的缺点
横向扩散，工艺难以控制 横向扩散， 在高精度场合逐渐被离子注入取代
x x+? x
?x
-əC(x,t)/ ət= əJ(x,t)/əx = ə[D əC(x,t)/ ət]/ əx =D ə²C(x,t)/ əx²
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§3.3 扩散杂质分布
恒定表面源扩散： 恒定表面源扩散：
边界条件： 边界条件：C(0,t)=Cs; C(∞ ,t)=0 初始条件： 初始条件：C(x,0)= 0, x>0 C(x,t)= Cs[1-erf(x/2(Dt)1/2)] = Cs erfc(x/2(Dt)1/2) Q(t) = 2Cs(Dt/ π)1/2 Xj = 2(Dt)1/2erfc-1(CB/Cs） ）
杂质原子以离子束的形式注入到硅片内， 杂质原子以离子束的形式注入到硅片内，形成掺杂
将可控制数量的杂质 掺入到半导体内， 掺入到半导体内，主 要目的就是要改变半 导体的电特性
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扩散示意图及结深的定义
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两种掺杂方法的比较
扩散： 扩散：
lnC
•高温扩散方式，杂质掺入无 高温扩散方式， 高温扩散方式 方向性 •杂质浓度从表面到体内单调 杂质浓度从表面到体内单调 下降 •杂质分布主要由扩散温度和 杂质分布主要由扩散温度和 时间决定 •一般用于形成深结 一般用于形成深结
有限表面源扩散： 有限表面源扩散：
边界条件： 边界条件：C(x,0)=0 x>h; C(∞ ,t)=0 初始条件： 初始条件：C(x,0)=Cs(0)=Q/h 0<x<h C(x,t) = Q/(πDt)1/2 exp(-x2/4Dt) ＝Cs(t) exp(-x2/4Dt) Xj = 2(Dt)1/2[ln(Cs/CB)]1/2
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§3.5 扩散工艺
固态源扩散（ 固态源扩散（B2O3,P2O5,BN等） 等 开管扩散 箱法扩散 涂源法扩散 液态源扩散（ 液态源扩散（BBr3,BCl3,PBr3,PCl3,POCl3等） 系统简单，操作方便，成本低，效率高，易控制， 系统简单，操作方便，成本低，效率高，易控制， 最常用 气态源扩散（杂质的氢化物和卤化物） 气态源扩散（杂质的氢化物和卤化物）
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§3.6 扩散工艺的发展
快速气相掺杂（ 快速气相掺杂（RVD） ） 掺杂原子直接从气相向硅中扩散， 掺杂原子直接从气相向硅中扩散，并能形成超浅 结
气体浸没激光掺杂（ 气体浸没激光掺杂（GILD） ） 液相扩散， 液相扩散，可形成陡峭的杂质分布形式
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§3.2 扩散系数与扩散方程
菲克(Fick)第一定律： 第一定律： 菲克 第一定律 J= -D[əC(x,t)/ əx]
杂质的扩散流密度正比于 杂质浓度梯度， 杂质浓度梯度，比例系数 D定义位杂质在基体中的 定义位杂质在基体中的 扩散系数
扩散系数： 扩散系数： J(x,t)=C(x-a/2,t)PvaC(x+a/2,t)Pva D=a²Pv =a²v0exp[-(Ws+Wv)/kT] =D0exp(-∆E/kT)
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§3.1 杂质扩散机构（机理，机制）
间隙式扩散： 间隙式扩散：
间隙式杂质从一个间隙位置运动 到另一个间隙位置 间隙位置： 间隙位置： 势能min 势能 相邻两间隙位置： 势能 相邻两间隙位置： 势能max 势垒高度： 势垒高度：Wi=0.6~1.2 eV 主要与晶格结构与晶向有关， 主要与晶格结构与晶向有关，原 子 密度越ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，间隙越小， 密度越大，间隙越小， Wi就越大 就越大 运动条件： 运动条件：E> Wi 跳跃率： 跳跃率：Pi=V0 exp(-Wi/kT)
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两步扩散
两步扩散（控制表面浓度，杂质数量，结深等指标） 两步扩散（控制表面浓度，杂质数量，结深等指标）
预扩散（预淀积） 预扩散（预淀积） (predeposition)
主扩散（再分布） 主扩散（再分布） (drive-in)
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§3.4 影响杂质分布的其他因素
硅中点缺陷 杂质浓度对扩散系数的影响 氧化增强扩散 发射区推进效应 二维扩散 电场效应 热氧化过程中的杂质再分布 硅片晶向的影响
Chap.3 扩散（Diffusion）
扩散（ 扩散（Diffusion） ）
杂质掺杂 Impurity doping
通过高温扩散的方式， 通过高温扩散的方式，杂质原子通过气相源或掺杂 过的氧化物扩散或淀积到硅片表面并进一步扩散到 体内形成掺杂
离子注入（ 离子注入（Ion implantation） ）
替位式扩散： 替位式扩散：
替位式杂质从一个替位位置运动 到另一个替位位置 (a) 直接交换（打断 个键） 直接交换（打断6个键 个键） (b) 空位交换（打断 个键，主要） 空位交换（打断3个键 主要） 个键， 间隙位置： 势能max 间隙位置： 势能 晶格位置： 势能min 晶格位置： 势能 势垒高度： 势垒高度： Ws 运动条件： 运动条件：E> Ws；该离子邻位正 ； 好出现一空位(n/N=exp(-Wv/kT)) 好出现一空位 跳跃率： 跳跃率：Pv=exp(-Wv/kT)V0 exp(Ws/kT) = V0 exp[-(Ws+Wv)/kT]
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扩散方程
C(x,t)∆s∆x-C(x,t+∆t) ∆s∆x= -[C(x,t+∆t)-C(x,t)]∆s∆x J(x+∆x,t) ∆s ∆t-J(x,t) ∆s ∆t= [J(x+ ∆x,t)- J(x,t)] ∆s ∆t
J1 J2
?S
扩散方程（菲克第二定律）： 扩散方程（菲克第二定律）：