第2章 IC工艺扩散掺杂技术

– 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）
– 4）完整的工艺流程图
– 5）杂质源、扩散方式和设备。（固态源=固相扩散？） – 6）扩散结果的测试的主要物理内容、方法和方法的特
点。
– 7）扩散质量对PN Junction的I~V特性的影响。 – 8）为什么有些IC工艺书不介绍扩散工艺？
– NPN中磷扩散时的发射区下陷
– 氧化和分凝对结深的影响
– 2.4.2. 方块电阻RS
（p52~53）
RS
l lxj
xj
• 一般有： qN
由于扩散层的杂质分布不均匀，因此：
1
xj
qN (x)dx
xj 0
q
xj
N (x)dx
q
Q
xj 0
xj
Q为扩入的杂质总量
–
所以：
RS
1
qQ
– 测量：四探针法
• 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
4PCl5 5O2 2P2O5 10Cl2
PCl5对Si有 腐蚀作用
– 2.2.3. 固态源 – 1) B源: BN
4BN 3O2 2B2O3 N2 2B2O3 3Si 3SiO2 4B
与液态源不一样 的是B2O3生在 BN上。
– 2）P源：P2O5 液态源和固态源都是汽—固扩散
– 1）杂质扩散有多种机制，有时会是几种机制共存。即 使对于同一种杂质和衬底材料，扩散机制也可能受温度 （？）、杂质浓度（？） 、外界气氛（？）等因素的影
响。
Ea
D D0e kT Deff
– 2）扩散工艺的目标：确定的表面浓度？、结深？和分 布？
– 3）两种扩散方法（Pre-deposition和Drive-in）的特点； 实验控制原理；通常的实际工艺情况（氧、增强扩散、 横向扩散）和对结果的影响；
• 先在硅表面淀积一层掺杂“SiO2“作为杂质源
2）氧化硅涂源扩散 3）纸片源
– 2.3. Diffusion in SiO2 1）扩散系数
2）作为选择性扩散的掩蔽膜
N SiO2 (dox,min ) / N sub 1/1000
– 2.4. 扩散层的质量分析与检测
• 陪片评估！
– 2.4.1 . 结深xj
RS
1
xj
q N(x)dx
0
方块电阻不变化
RS、NS、xj三者是相 关的，与分布有关。
– 实际工艺中对RS、NS、xj的调控原理？
– 测量： 1）单探针：
Rsp = 4r (ohms)
Probes
Rsp
Direction of measurements
t
Beveled surface
r
P B
Wafer handler controller
Temperature controller
Three-zone heater
Heater 1
Heater 2
Heater 3
Microcontroller
Quartz process chamber Gas
panel
Gas flow controller
RS
CV I
C为与样品长度、宽度、厚度、探针间距有 关的修正常数。
Four Point Probe
s =
V I
x 2s (ohms-cm)
Constant current source
I
R
Voltmeter V
Wafer
Figure 7.3
– 2.4.3. 杂质分布N(x)与表面杂质分布NS
方块电阻变化
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。
– 2.4.4. 扩散工艺对PN结击穿电压的影响 1）软击穿： 结边缘沾污“并联电阻”漏电 2）“靠背椅”击穿：表面沟道漏电 3）分段击穿：局部穿通 4）低压（硬）击穿：大面积穿通 5）二次击穿：热击穿
– 2.4.5. 横向扩散
– 2.4.6. 应用实例
1)硼预扩散
Si （111）
条件：T=950°C；t=25min；
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
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。
2) C-V法: (p55)
1 C(V )2
2(V Vbi )
A2 qN sub
Nsub (z)
8(V Vbi
A2q
)3
dC( z) dV(V Vbi ) C 2 A2qNsub
3）SIMS：(Secondary Ion Mass Spectroscopy)
• 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）
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)
x j A Dt A 2erf 1(1 NB )
NS A 2(ln NS )1/ 2
NB
– 结论：影响结深的主要因素是温度
– 结深的测量： 1）单探针（扩展电阻）： 2）染色法： （p53~54） 如：CuSO4•5H2O：48%HF 光照下n区染上铜
– 工艺中的累积高温过程的扩散 Dt(最终)= Diti
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：
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
Q
0
N
x,
t
dx