半导体制造工艺之扩散原理概述

I+VSis
表示晶格上 的Si原子
As受间隙和空位 扩散两种机制控 制，氧化时的扩 散受影响较小
4、发射极推进效应（Emitter Push effect）
Phosphorus
Boron
✓ 实验现象：在P（磷）发射区下的B扩散比旁边的B扩散快 ，使得基区宽度改变。
✓ A＋IAI，由于发射区内大量A(P)I的存在使得反应向左进 行，通过掺杂原子A(P)向下扩散并找到晶格位置的同时， 释放大量的间隙原子I，产生所谓“间隙原子泵”效应，加快 了硼的扩散。
例： 预淀积: 950 oC 通源 10－20 分钟，N2 再分布: 1100 － 1200 o C干氧＋湿氧＋干氧
2）液态源磷扩散
2、液态源扩散
舟
利入用高载温气扩（散如反应N2管），通杂过质液蒸态汽杂在质高源温，下携分带解着，杂并质与蒸硅汽表进 面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。
1）液态源硼扩散
• 源 硼酸三甲脂 B[(CH3)O]3
• 在500 oC 以上分解反应 B[(CH3)O]3 B2O3 + CO2 + H2O ＋ ... 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B
3）所需离子注入的杂质剂量 可以推算出
该剂量可以很方便地用离子注入实 现在非常薄的范围内的杂质预淀积
4）假如采用950 C热扩散预淀积而非离子注入 此时，B的固溶度为2.5×1020/cm3，扩散系数D=4.2×10-15 cm2/s 该预淀积为余误差分布，则 预淀积时间为
即使
但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离子注入！
1 ）OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以 通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大 量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数
（1＋2）Si＋2OI＋2V↔SiO2＋2I＋stress
A+I AI
2）ORD：对于Sb来说，其在硅中的扩散主要是 通过空位进行。
氧化注入间隙间隙和空位在硅中复合 硅中空位浓度减小Sb的扩散被抑制
3）砷
✓ Ⅴ族元素，施主杂质，半径与硅相同， ✓ 扩散系数小，仅磷、硼的十分之一。
✓ 在高掺杂情况下也不引起畸变。
✓ 在硅晶体中，砷激活量低于掺杂量，电激活浓度达 2×1Байду номын сангаас21 ㎝-3
适宜于浅结，精确控制
扩散掺杂工艺
✓气态相源扩散（gas source） ✓液态源扩散（liquid source） ✓固态源扩散（solid source） ✓旋涂源扩散（spin-on-glass）
箱型
由于非本征掺杂的扩散系数在 掺杂边缘迅速衰减，因而出现 边缘陡峭的“箱型”分布。
3、氧化增强/抑制扩散（oxidation enhanced / retarded diffusion）OED/ORD
✓ 对于B，P来说，在氧化过程中，其扩散系数增加。
✓ 对Sb来说，扩散系数减小。
✓ 双扩散机制: 杂质可以通过空位和间隙两种方式扩散
些杂质在缺陷处淀积会产生漏电 ）,固溶度达5×1021 原子/㎝3。
✓磷的本征扩散系数主要由中性 空位V0作用决定。
✓高浓度磷扩散时浓度分布有三 个区域。主要是磷离子与V0，V，V=三种空位的作用造成的。
温度为1000 ℃时，尾区 的扩散系数比本征情况 下的扩散系数大二个数 量级。因此磷常作为深 结扩散的杂质
在杂质浓度很高
时，扩散系数不
箱型
再是常数，而与
掺杂浓度相关
扩散方程改写为：
Ⅲ、Ⅴ族元素在硅中的扩散运动是建立在杂质与空位相互作用 的基础上的，掺入的施主或受主杂质诱导出了大量荷电态空位 ，从而增强了扩散系数。
n型掺杂
p型掺杂
1000 C下，非本征扩散系数：
非本征掺杂扩散系数比本征掺 杂扩散系数高一个数量级！！
半导体制造工艺之扩散 原理概述
2020年4月26日星期日
费克定律解析解的应用
本征扩散时，理想边界条件下的解。实际情况需要修正，如： ✓高浓度 ✓电场效应 ✓杂质分凝 ✓点缺陷 ✓…
如何判断对费克定律应用何种解析解？
✓当表面浓度为固溶度时，意味着该分布是余误差分布 ✓当表面浓度较低时，意味着该分布是经过长时间的推进 过程，是高斯分布。
✓载流子领先于杂质离子， 直到内建电场的漂移流与 扩散流达到动态平衡。
所以，杂质流由两部分组成：
， 以n型掺杂为例 内建电场
由
并假定杂质全部离化，有
场助扩散方程： 其中h为扩散系数的电场增强因子：
当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时，h 接近 2。
电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大
2、扩散系数与杂质浓度的关系
影响杂质分布的其他因素
Fick’s Laws： Only valid for diffusion under special conditions Simplification !
1、电场效应（Field effect）——非本征扩散
如果NA、ND＞ni（扩散温度下）时，非本征扩散效应
✓电场的产生：由于载流子 的迁移率高于杂质离子， 二者之间形成内建电场。
注意：在引入扩散源后作推进扩散时，常常会在硅片上表面 有一氧化层或其它覆盖层保护硅片，使硅片中的杂质不会 挥发到大气中去。
1、气态源扩散
利面用硅载原气子（发如生反N2应），稀释释放杂出质杂气质体原，子杂向质硅气中体扩在散高。温下与硅表 气化态锑杂（质Sb源H3(）剧、毒乙气硼体烷) :（磷H烷2B（6）P等H4）、砷烷（AsH3）、氢
例题：CMOS中的p阱的形成。要求表面浓度Cs=4x1017 cm-3， 结深xj=3 mm。 已知衬底浓度为CB=1×1015 cm3。 设计该工艺过程。
离子注入 ＋
退火
解：1）假设离子注入+推进退火 假定推进退火获得的结深，则根据
该数值为推进扩散的“热预算”。
2）推进退火的时间 假定在1100 C进行推进退火，则扩散系数D=1.5×10-13 cm2/s
常用杂质硼（B），磷（P），砷（As）在硅中的性质
1）硼 B: III族元素，受主杂质，
1150 ℃时固溶度达 2.4×1020 原子/cm3
D0=1 cm2/s
Ea=3.46 eV
✓高浓度掺杂
✓
✓
✓如考虑场助效应 ✓ h 电场增强因子
2）磷 ✓Ⅴ族元素，施主原子，有吸收 铜、金等快扩散杂质的性质（这