第2章 IC工艺扩散掺杂技术讲解

4PCl5 5O2 2P2O5 10Cl2
Si双极npn晶体管芯片的工艺流程
1、衬底制备，2、外延生长，
3、一次氧化，4、一次光刻，
5、基区扩散，6、二次氧化，
7、二次光刻，8、发射区扩散， n+
E
B
9、三次氧化，10、三次光刻， p
11、金属镀膜，12、反刻金属膜 n
13、背面镀膜，14、合金化 n+
C
Wafer fabrication (front-end)
2CS
Dt
– b）恒定杂质总量 Q 即：
Cx,tdx Q
0
Cx,0 0
C,t 0
d0,t 0
dx
– 可得： Cx,t
Q
Dt
exp
x2 4Dt
为一高斯分布；其表面浓度为：
CS C0,t
Q
Dt
– 3）结深xj 在PN结的扩散中，衬底材料中已有导电性 相反的杂质，其浓度为Csub。定义导电性转
– 3）其它扩散机制 a）直接交换 b）Kick-out机制 （page 45，
Kick-out机制的 扩散速率一般超 过替位式扩散 如：Ni等。
• 扩散系数的普遍表达式：
通常高阶电荷态的几率很小可以忽略 （P.43、44；Table:3.2, Example: 3.1) • 而某一种扩散系数可以表达为：
x 由质量守恒，得 C J ，
t x
因而，
Cx,
t
t
D
2Cx,
x 2
t
Fick’s Second Law
– 2）两种边界条件
– a）恒定表面源浓度
即：C0,t CS C,t 0
可得：
一余误差分布。
C
x,
t
CS
erfc
2
其杂质总量为：
Q
x
Dt
C
0
x,
t
dx
0
CS
erf
c
2
x Dt
dx Biblioteka – 有氧时应是什么情况？在氧气氛中再分布时： 1）边界向内移动， 2）杂质在界面分凝。
P型杂质的耗尽和N型杂质的堆积效应（Pile-up）
3）界面空位对扩散系数的影响（p47~48）
预淀积和再分布工艺步骤小结
掺杂工艺与参数变化小结
– 2.2. 实际工艺中的扩散源、扩散方法和应用 – 2.2.1. 杂质源（p60~61）
• 3）恒定表面源扩散时的CS由什么决定？
– 3）高杂质浓度及空位性缺陷的场助增强扩 散作用（？） 可以有：Deff=2D，（N>>ni）
– 2.1. 4. PN结制造中的扩散工艺(p.44-45)
– 1）目标：有确定的表面浓度CS，有确定的杂 质总量Q，有确定的结深xj。
– 2）常规工艺：先在恒定表面源的情况下扩散 一短时间t1，使其在近表面处有一杂质总量 为Q1的高浓度薄层，这一过程通常在氮气氛 中进行，并被称为“预沉积扩散” (predeposition)；再在除去外部杂质源的情况 下，在温度稍高的条件下使总量为Q1的杂质 继续向内扩散，进行杂质的“再分
D=D0exp（-ka/kT） 可以得到Arrhenius Plot
• 多种扩散机制共存情况（p48~52）
• 增强扩散
(P.48~49)
• 各向异性扩散
– 2.1. 2. 扩散的数学描述（P 45~47）
– 1）Fick’s扩散定律（一维） （1855） （物理本质是热力学中的化学势梯度）
J D Cx,t Fick’s First Law
Wafer start
Thin Films
Polish
Unpatterned wafer
Completed wafer
Test/Sort
Diffusion Anneal after implant
Photo
Etch
Photoresist mask Implant
Hard mask (oxide or nitride)
固溶度和扩散系数也是 在工艺中对杂质选择时 应考虑的因素
– 2.2.2. 液态源 – 1) B源: (如:硼酸三甲脂)
B(CH3O)3 B2O3 CO2 C H2O 2B2O3 3Si 3SiO2 4B
– 2) P源: (三氯氧磷POCl3)(POCl)
5POCl3 3PCl5 P2O5 2P2O5 5Si 5SiO2 4P
– 2.1.晶体中的杂质扩散 – 2.1. 1.基本扩散机理(模型) – 1)间隙式扩散
间隙原子从一个间隙 位跳到邻近的间隙位， 造成原子的移动。 如：O、Fe、Au等
– 2）替位式扩散 杂质原子在晶
格中移动方式是由 一个晶格跳到下一 个晶格。 如：B、P、Au等。
– 替位式扩散需要杂质 原子的邻近位是一空位（空位交换）；或者， 需要将邻近的替位原子推到邻近的间隙位。 因此，这种扩散机制的扩散速率较慢。
布”(drive-in)，这一过程通常在氧气氛中进
行。
（可否不用氧？实际工艺中还要复杂！）
预扩散时的表面浓 度由固溶度决定！
– 3）再分布后的杂质总量、分布和结深 在无氧气氛时，
Q1 2CS1
D1t1
CS2
Q2
D2t2
Q1 2CS1
D2t2
D1t1 D2t2
由于预沉积时间短且温度低，可以认为有 xj1<<xj2，因而，C（x，t）仍为高斯分布。
局域掺杂和热处理技术 （p。37）
第二章：扩散掺杂技术 第三章：热氧化技术 第四章：离子注入技术 第五章：快速热处理技术
第二章：扩散掺杂技术
P B
• 基本内容! • 1) 杂质在材料中的扩散机制，和影响扩
散系数的几种因数。
• 2）常见的几种施主和受主杂质以及一些 金属杂质在Si中的扩散。
• 3）扩散源和扩散系统。 • 4）实际的扩散工艺。 • 5）扩散工艺的质量检控和分析。
• 考题：
• 1）设计一个实验来测定某杂质在硅中的 扩散率和扩散激活能。
• 2）在一1100°C的硼扩散工艺中，要求 结深为1m，其误差不超过2%。问：1） 若保证温度精确控制下，扩散时间的误 差应低于多少？2）若保证时间精确控制 下，扩散温度的误差应低于多少？（取 A=5，D0= 0.76cm2/s，E0= 3. 46eV）
换处为结深xj ，即 C x j Csub
xj
2erf c1
Csub CS
Dt
xj
2 ln
CS Csub
Dt
（余误差） （高斯）
x j A Dt
– 2.1. 3. 影响扩散系数的因素
– 1）晶向：一般情况下D[100]D[111]
–
2）温度：
D
D0
exp
E0 kT
D0为扩散率，E0为激活能；