扩散&离子注入

④
横向扩散（扩散问题）：
Xj横＝（0.75～0.85）Xj纵
3.3 扩散工艺
1. 扩散方法 根据杂质源的不同进行分类： 1)、固态源扩散
2)、液态源扩散
3)、气态源扩散
3.3 扩散工艺
扩散常用杂质源 杂质 砷（As） 磷（P） 磷（P） 硼（B） 硼（B） 硼（B） 锑（Sb） 杂质源 AsH3 PH3 POCl3 B2H6 BF3 BBr3 SbCl5 化学名称 砷烷（气体） 磷烷（气体） 三氯氧磷（液体） 乙硼烷（气体） 三氟化硼（气体） 三溴化硼（液体） 五氯化锑（固体）
P2O5 ＋ Si → P ＋ SiO2
3.3 扩散工艺
液态源扩散系统
3.3 扩散工艺
3)、气态源扩散

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预扩散。

以B掺杂为例： B2H6+2O2 →B2O3+3H2O 2H2O+Si →SiO2+2H2 2B2O3+3Si →4B+3SiO2
（b）替位式扩散
3.2 扩散原理
杂 质 在 硅 中 的 扩 散
3.2 扩散原理
3. 杂质扩散方程
非克（Fick）第一定律：
J为扩散粒子流密度，定义为单位时间通过单位面 积的粒子数， D为扩散系数，是表征杂质扩散快慢 的系数，N是扩散粒子的浓度。非克第一定律表达 了扩散的本质即温度越高，浓度差越大，扩散就越 快。
3.6 离子注入工艺原理
1. 离子注入参数
1) 注入剂量φ 注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数。单位： 离子/cm2 。
I为束流，单位是库仑每秒（安培） t为注入时间，单位是秒 q为电子电荷，等于1.6×10－19库仑 n为每个离子的电荷数 A为注入面积，单位为cm2
3.6 离子注入工艺原理
3.5 离子注入
2. 离子注入的优点 1). 精确地控制掺杂深度和掺杂浓度 离子注入层的深度依赖于离子能量，而杂质浓度依赖 于离子剂量。可以独立地调整能量和剂量，精确地控制 掺杂层的深度和浓度，工艺自由度大。 2). 可以获得任意的杂质浓度分布 由于离子注入的浓度峰在体内，所以基于第1点采用多 次叠加注入可以获得任意形状的杂质分布，增大了设计 的灵活性。
注：B：硼，Al：铝，Ga：镓， P：磷，As：砷，Sb：锑
3.2 扩散原理
②
扩散杂质在Si和SiO2中的不同扩散特性：
● ●
Si中慢扩散杂质（扩散系数小）： B、 As、Sb Si中快扩散杂质（扩散系数大）： P、 Al、Ga 在SiO2中扩散系数非常小的杂质： B、 P、As、Sb 在SiO2中扩散系数大的杂质：Al、Ga
3.2 扩散原理
1)、余误差函数分布（恒定表面源扩散条件）

其扩散方程的解：
式中的erfc 代表余误差函数
3.2 扩散原理

余误差函数分布曲线：
3.2 扩散原理

余误差函数分布的特点： a、当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变。杂质 表面浓度由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。
b、扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散进入硅片内 的杂质总量就越多； c、扩散时间越长，扩散温度越高，杂质扩散得越深；
3.3 扩散工艺
2)、液态源扩散

方法：携带气体经过液态杂质源，将杂质源蒸汽 （杂质化合物）带入扩散炉管内与硅反应，或分 解后与硅反应。 优点：系统简单、操作方便、成本低、效率高


缺点：腐蚀性高，起泡器加压（易炸），对温度 敏感
3.3 扩散工艺

举例：磷的液态源扩散 三氯氧磷（POCl3）是普遍选用的液态源， POCl3是无 色透明液体，其熔点是2 ℃，沸点是105.3 ℃，具有窒息 性气味，在室温下具有较高的蒸气压，有毒。磷的液态 源扩散属于预扩散。 化学反应式： POCl3 → PCl5 ＋ P2O5 PCl5 ＋ O2 → P2O5 ＋ Cl2 POCl3 ＋ O2→ P2O5 ＋ Cl2
优点：操作很方便 缺点：安全问题，气态源均易爆

3.3 扩散工艺
2. 两步扩散工艺
半导体工艺中，常规结深（Xj≥２μｍ）扩散均采 用两步扩散工艺：
●
第一步：预扩散或预沉积 —— 温度一般较低 （980℃以下）、时间短（小于60分钟）。此步扩 散为恒定表面源扩散，余误差函数分布； 第二步：再扩散或结推进 —— 温度一般较高 （1200℃ 左右）、时间长（大于120分钟），同时 生长SiO2。此步扩散为有限表面源扩散，高斯函数 分布。
3.2 扩散原理
2)、高斯函数分布（有限表面源扩散条件）

其扩散方程的解：
式中的QT为杂质总量
3.2 扩散原理

高斯函数分布曲线：
3.2 扩散原理

高斯函数分布的特点： a、在整个扩散过程中，杂质总量 QT 保持不变；
b、扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深， 表面浓度越低； c、表面杂质浓度可控；
杂质在SiO2－Si界面发生分凝效应，使杂质在SiO2 和Si中重新分布，其结果造成在硅中的硼杂质总量比磷 杂质总量损失得多，其现象是SiO2吸硼排磷。
3.3 扩散工艺
硼、磷杂质在SiO2－Si的分凝效应
杂质在Si中的平衡浓度 分凝系数 m 杂质在SiO2中的平衡浓度
3.3 扩散工艺

促使杂质在SiO2－Si界面再分布的因素 1)、杂质的分凝效应，杂质在 Si、SiO2 中平衡浓度 不同 2)、杂质在 Si、SiO2 中扩散速度不同 3)、氧化速率的快慢
3.6 离子注入工艺原理

投影射程示意图
注：菲克定律
3.4 扩散设备
1. 卧式炉 2. 立式炉 与氧化工艺设备基本相同
3.5 离子注入
1. 离子注入的概念
离子注入是在高真空的复杂系统中，产生电离杂质并形 成高能量的离子束，再将其打到硅片靶中进行掺杂的工 艺过程。
3.5 离子注入
离子注入是继扩散之后的第二种掺杂技术，是现代先进 的集成电路制造工艺非常重要的技术。有些特殊的掺杂 （如小剂量浅结掺杂、深浓度峰分布掺杂等）扩散是无 法实现的，而离子注入却能胜任。
3.5 离子注入
5). 沾污少 质量分离技术产生没有沾污的纯离子束，减少了由于杂 质源纯度低带来的沾污，另外低温工艺也减少了掺杂沾 污。 6). 无固溶度极限 注入杂质浓度不受硅片固溶度限制。
3.5 离子注入
3. 离子注入的缺点
1). 高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤
2). 注入设备复杂昂贵
a、结深公式
余误差分布
高斯分布
3.2 扩散原理
b、结深的测量 结深可以通过磨角法、滚槽法测量
Xj ＝ L×sinθ
3.2 扩散原理
方块电阻和结深是扩散的重要工艺参数，两个参数已
知则扩散分布曲线也可确定下来。
3.2 扩散原理
6. 与扩散相关的几个知识
①
硅中的常规扩散杂质：
● ● ●
形成P型硅的杂质：B、Al、Ga（ⅢA族元素） 形成N型硅的杂质：P、As、Sb（ⅤA族元素） IC制造中常用杂质： B、 P、As、Sb
3.3 扩散工艺
1)、固态源扩散 依据扩散系统的不同分类为：开管扩散、箱法扩散、涂 源法扩散和薄膜扩散。 开管扩散：杂质源是片状或粉状，且杂质源与硅片平行 分开，不接触； 箱法扩散：杂质源与硅片放在有盖的石英箱里； 涂源法扩散：将掺有杂质的乳胶源旋涂在硅片上； 薄膜法扩散：用CVD办法先在硅片上淀积一层含扩散杂 质的薄膜，如氧化硅、氮化硅。

半导体工艺中，扩散是指将一定数量和一定种类的杂质 掺入到硅或其它晶体中，以改变晶体的电学性质，并使 掺入的杂质数量和分布情况都满足要求的工艺过程。 扩散分为三种即气态、液态和固态。
扩散是硅基集成电路的重要工艺之一。


3.2 扩散原理
2. 固态杂质扩散机制
在间隙位置的杂质
杂 质
空位
（a）间隙式扩散
●
3.3 扩散工艺
采用两步扩散工艺方法的目的及意义：
第一步：掺入一定总量的杂质，特征是浅结； 第二步：一是形成工艺要求的结深，二是激活杂质， 三是形成后道工序所需的阻挡层氧化硅。
3.3 扩散工艺
3. 分凝效应

SiO2对Si表面杂质再分布的影响——硼、磷杂质在SiO2 －Si中的分凝效应
在硼、磷杂质的再扩散过程中，总是要生长一定厚 度的SiO2，那么氧化硅对硅表面杂质浓度分布会产生什 么影响呢？

掺杂本质：
改变硅的电阻率，使其成为有用的半导体。
3.1 引 言

掺杂目的：主要是形成P－N结
例子a 简单的二极管结构
3.1 引 言
例子b 简单的三极管结构
3.1 引 言掺杂手段： 扩散 离子注入
3.2 扩散原理
1. 扩散的概念

扩散是微观粒子（原子、分子等）普遍的热运动形式， 运动的结果是使浓度分布趋于均匀。
3.3 扩散工艺
4. 影响杂质扩散的因素


杂质源浓度（浓度越高，同样时间内扩散越深）
扩散温度（温度升高，扩散原子获得能量超越势垒 几率增大且空位浓度增大，扩散增强）


扩散时间（时间越长扩散进入硅片的杂质总量越大， 结深越深） 扩散介质结构（介质结构越紧密，越不易扩散） 结构缺陷（原子沿缺陷扩散速率快） 杂质材料本身固有特性
2) 注入能量
离子注入的能量用电子电荷与电势差的乘积来表示。单 位：千电子伏特(KEV)。带有一个正电荷的离子在电势 差为100KV的电场中运动，它的能量为100KEV。
3.6 离子注入工艺原理
3) 射程、投影射程
具有一定能量的离子入射靶中，与靶原子和电子发生一 系列碰撞（即受到了核阻止和电子阻止）进行能量的交 换，最后损失了全部能量停止在相应的位置，离子由进 入到停止所走过的总距离，称为射程，用R表示。这一 距离在入射方向上的投影称为投影射程 Rp。投影射程 也是停止点与靶表面的垂直距离。