第二章 扩散工艺

此时扩散方程的解为： 这是一个中心在z=0处的高斯分布
讨论
推进扩散
(1) 硅表面的杂质浓度(/cm3)随扩散时间延长而降低：
(2) 计算扩散形成的PN结结深： 如果衬底杂质浓度为CB，扩散杂质与衬底杂质反型，
由
3）实际扩散工艺
“预淀积扩散”+“推进扩散”的两步扩散法
(1) 先进行恒定表面源的预淀积扩散(温度低，时间短)， 扩散很浅，目的是控制进入硅片的杂质总量；
2、杂质扩散机制
(3) 空位扩散(vacancy-assisted Diffusion Mechanism)
本体原子 杂质原子
■ ■
空位扩散需要的激活能比直接交换式扩散小； 空位扩散是替位型杂质的主要扩散机制之一
2、杂质扩散机制
(4) 推填隙式扩散(Interstitialcy Diffusion Mechanism) 本体原子
■
一维扩散的费克定律和原子模型(空位扩散)是理解 杂质在半导体中扩散过程的重要理论
■
常用的扩散方法：预淀积扩散+推进扩散的两步扩散
法(用公式计算扩散后杂质分布和结深)
■ ■
影响扩散的主要因素：杂质浓度、气氛、杂质种类等 扩散工艺的质量检测：杂质浓度分布
作 业：
D 是本征扩散系数；
hE 是电场增强因子
■ ■
当杂质浓度 << ni，时， hE = 1 当杂质浓度 >> ni，时， hE = 2
3、杂质浓度对扩散率的影响
根据Fair空位模型，杂质总扩散率为：
当考虑带电空位的扩散时，扩散率是载流子浓度的函数， 即是杂质浓度的函数。 以施主杂质(N型)为例， 此时，对扩散分布无严格的解析解，通常只能对特定杂质种 类以近似解来描述。
■
MOS电容的C—V法
耗尽层宽度
2 (Vbi V ) W qNsub
A C W A2 qN sub 2 (Vbi V )
二极管电容
杂质浓度
8(Vbi V )3 N sub ( z ) 2 A q
dC( z ) dV
■
扩展电阻法 (1) 将样品磨出一个小角度斜面 (2) 将样品放在载片台上，用一对探针以预定压力与样品 表面接触，测量该电阻值。 (3) 将该电阻值与一个已知浓度的标准值进行比较， 从电阻率反推出载流子的分布。 主要问题 (1) 测量结果取决于点接触的重复性。 (2) 进表面测量比较困难。 (3) 测量样品与校准标准片比较接近。
费克简单扩散方程 1） 第一种边界条件：(预淀积扩散) 在任何大于零的时刻，表面的杂质浓度固定
此时扩散方程的解为： 被称为特征扩散长度(pm)； Cs是固定的表面杂质浓度(/cm3) 预淀积扩散又被称为恒定表面源(浓度)扩散；在实际工艺中， Cs的值一般都是杂质在硅中的固溶度。
“固溶度”：平衡态下杂质可溶于半导体材料的最高浓度，与温度有关。
讨论
预淀积扩散
(1) 掺入硅中的杂质总量(剂量，/cm2)随扩散时间变化：
(2) 计算扩散形成的PN结结深： 假设衬底杂质浓度为CB，扩散杂质与衬底杂质反型 由
4、费克第二定律的分析解
费克简单扩散方程 2）第二种边界条件： (推进扩散) 扩散过程中初始的杂质总量QJ是固定的 假设扩散长度远远大于初始杂质分布的深度，则初始分 布可近似为一个 函数，边界条件可写为：
1）掺杂 ( Doping) 用人为的方法将所需杂质按要求的浓度和分布掺入到半导体 材料中，达到改变材料的电学性质、形成半导体器件结构的 目的，称之为“ 掺杂 "。 2）掺杂的方法
■
■
合金法、扩散法、离子注入法。
在lC制造中主要采用扩散法和离子注入法。
高浓度深结掺杂采用热扩散法，浅结高精度掺杂用离子注入法。 3）常用的掺杂杂质 P (磷)、B(硼)、 As(砷)、Sb(锑)
第二章 扩散工艺 (Diffusion process)
扩散工艺(Diffusion process)
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概述
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■ ■ ■
扩散原理(模型与公式)
实际扩散分布的分析
扩散工艺和设备
扩散工艺质量检测
参考资料： 《微电子制造科学原理与工程技术》第3章扩散 (电子讲稿中出现的图号是该书中的图号)
一、概述 1、掺杂和扩散
(2) 固态源： 单磷酸铵 (NH4H2PO4) 砷酸铝 (AlAsO4)
(3) 液态源 硼源：BBr3(沸点90℃) 磷源：POCl3(沸点107℃)
3、扩散设备类似于氧化炉管。
4、扩散工艺的控制要点：
■
■ ■
防止引入污染
工艺参数控制：温度分布、气流量和排片方式、片间距等 工艺控制手段：前馈方式(试片)、使用假片
■
随着IC器件尺寸的不断缩小，要求杂质的再分布效应
减到最小，因此，低温工艺是VLSI技术的急迫需要。
四、扩散工艺和设备
1、目前的扩散工艺已基本被离子注入取代，只有在进行重掺 杂时还用扩散工艺进行。
2、 扩散工艺的分类主要取决于杂质源的形态，常见的杂质源
形态包括：
(1) 气态源： AsH3，PH3，B2H6
扩散后杂质总量为：
假设预淀积扩散的扩散系数为D1，时间为t1，则上式可改写为：
5、计算两步扩散法的杂质分布
2）推进扩散(有限表面源QT)： 边界条件：
扩散后杂质浓度分布：
假设推进扩散的扩散系数为D2，时间为t2，则上式可改写为：
注意
只有当 成立时，
两步扩散中推进扩散的边界条件才能成立。
三、实际扩散分布的分析(与理论的偏差)
4、扩散气氛的影响
■ ■
P、B在O2气氛中扩散比在N2中快，称之为氧化增强扩散。 As 在O2气氛中扩散比在N2中慢，称之为氧化阻滞扩散。 杂质在半导体中的扩散与空位浓度有关
原 因：
■
氧化时硅片表面存在大量过剩填隙原子，填隙原子数增
加，导致空位数量减少(填隙原子一空位复合)。
■
P，B的扩散机制主要是推填隙扩散机制；As的扩散机制 主要是空位扩散机制。 氧化增强扩散或氧化阻滞扩散
2、扩散工艺在IC制造中的主要用途：
1）形成硅中的扩散层电阻
2）形成双极型晶体管的基区和发射区
3）形成MOSFET中的漏区和源区
3、扩散运动与扩散工艺
1）扩散运动：物质的随机热运动，趋向于降低其浓度梯度； 即存在一个从高浓度区向低浓度区的净移动。 2）扩散工艺：利用杂质的扩散运动，将所需要的杂质掺入硅 衬底中，并使其具有特定的浓度分布。
5、SiO2中的扩 散
对于常见的杂质，如B，P，As等，其在SiO2中的扩散系数比在 Si中的扩散系数小得多，因此，SiO2经常用做杂质扩散的掩蔽层
SiO2用做扩散掩蔽层的最小厚度估算公式：
影响SiO2的掩蔽效果的主要因素： 简化的SiO 掩蔽层最小厚度估算 2 公式： ■ 扩散系数比例
■
■ ■
扩散时间
2、杂质扩散机制
(1) 填隙扩散(Interstitial Diffusion Mechanism)
■ ■
填隙型杂质扩散很快 对硅掺杂水平无直接贡献
2、杂质扩散机制
(2) 直接交换式扩散(Interstitial Diffusion Mechanism)
本体原子
杂质原子
替位型杂质原子必须打破与周围本体原 子间的键合，才能进行直接交换式扩散。
其中，F(Q)是形状因子，对于正方形结构，
范德堡法测量样品薄层电阻
2）霍尔效应
■
利用霍尔效应，可直接测量总的载流子浓度，以及载 流子类型、迁移率等信息。
■
总的载流子浓度：
1 I x Bz Vh Ce q x j
■
平均迁移率：
图3.16 利用霍尔效应测量载流子
类型、迁移率和浓度。
3）杂质浓度—深度分布关系的测量
■
二次离子质谱法(SIMS)
(1) 样品放入仪器，抽真空。 (2) 1~5keV的离子束照射样品。 (3) 溅射材料向质谱仪 (4) 测量元素成分，测量杂质 浓度分布
图3.18 SIMS装置图
■
卢瑟福背散射法(RBS)
本章小结：
■
扩散工艺是重要的掺杂技术之一，扩散过程决定了杂 质在硅中的浓度和分布
五、扩散工艺质量检测
1、目的：
获取作为深度和横向位置函数的杂质浓度(杂质分布)
2、主要的检测项目：
1）薄层电阻的测量：
■
四探针法
当探针间距远远大于结深时，有
用于检测扩散分布时，必须保证 衬底绝缘或扩散层一衬底问形成 反偏PN结。
四探针法测量样品薄层电阻
1）薄层电阻的测量：
■
范德堡法
1 V34 V41 V12 V23 R 4 I12 I 23 I 34 I 41
3）研究杂质在硅中的扩散运动规律的目的：
■ ■
开发合适的扩散工艺，预测和控制杂质浓度分布。 研究IC制造过程中其他工艺步骤引入的扩散过程 对杂质分布和器件电特性的影响。
二、扩散原理(模型与公式)
（一）费克一维扩散方程
描述扩散运动的基本方程一费克第一定律
其中，C是杂质浓度，D是扩散率(扩散系数)，J是杂质净流量
杂质原子
扩散过程：
■
■
替位式杂质原子被自填隙本体原子推到填隙位置；
杂质原子占据另一个晶格位置，该晶格位置上的本体原子 被移开并成为自填隙原子。
注意：只有存在空位扩散时，才能发生推填隙扩散。
2、杂质扩散机制
(5) 挤出式扩散(Kick-out Diffusion Mechanism)与 Frank-Turnbull式扩散(Frank-Turnbull Diffusion Mechanism)
杂质在Si和SiO2中的浓度 杂质分凝系数 一般条件下A取值为4.6
6、IC工艺的热预算(Thermal Budget)
■
IC制造过程中经过的每一步高温工艺，都会对最终的 杂质分布产生影响。—— 杂质再分布
■
假设硅片经过的高温过程有：温度T1下时间t1，温度 T2下时间t2，……，其相对应的扩散率为D1，D2 ， …… ， 则总的有效扩散特征长度为：
(2) 以预扩散杂质分布作为掺杂源再进行有限表面源的推进扩
散，又称主扩散，通过控制扩散温度和时间以获得预期的 表面浓度和结深（分布）。
为获得足够浅的预淀积分布，也可改用离子注入方法取代预扩散步骤。
第一步：预淀积扩散
第二步：推进扩散
5、计算两步扩散法的杂质分布
1）预淀积扩散(恒定表面浓度Cs)： 边界条件： 扩散后杂质浓度分布：
根据物质守恒定律，杂质浓度随时间的变化率与当地扩散 流量的减小相等，即：
代入式(2.1)，得到费克第二定律
假设D与位置无关，式(2.2)可简化为：
位置变量用沿硅圆片深度方向(z)取代，上式可改写为：
上来自百度文库被称为费克简单扩散方程
（二）扩散率D 与扩散的原子模型
1、根据杂质在半导体材料晶格中所处的位置， 可将杂质分为两类： (1) 替位型杂质 (2) 填隙型杂质
■
硅中杂质的扩散率曲线(低浓度本征扩散)：
■ 中性空位的扩散率：
其中，E0a是中性空位的激活能(eV)；
D00是一个与温度无关的系数，取决于晶格结构和振动频率。(cm2/s)
■
如果必须考虑带电空位的扩散率，则扩散率就是位置的函
数，因而费克第二定律方程必须采用数值方法来求解。
4、费克第二定律的分析解
本体原子
杂质原子
不需要自填隙本体原子来推动扩散过程的进行
3、Fair空位模型：
建立在空位扩散机制的基础上
1）“空位电荷"：中性空位俘获电子，使其带负电；中性空位 的邻位原子失去电子，可使空位带正电。 2）空位模型：总扩散率是所有荷电状态的空位的扩散率的加权 总和，加权系数是这些空位存在的概率。 带电空位的数量 总扩散率表达式：
5、扩散工艺的局限性 1） 在CMOS IC工艺中，只有多晶硅淀积后重掺杂P还采用 POCl3进行扩散掺杂。 2） 扩散工艺存在的主要问题：
■ ■ ■
不能精确控制掺杂浓度和分布，横向效应大
不适于低剂量、浅分布的掺杂工艺 扩散设备无法实现在线质量监控
3）随着器件尺寸的缩小，杂质分布要求越来越浅，掺杂精确度要 求越来越高，因此，扩散工艺在1980年代后逐步被离子注入掺 杂技术所取代。
1、横向扩散：杂质在纵向扩散的同时，也进行横向的扩散
■
一般横向扩散长度是纵向扩散深度的0.75 - 0.85；
横向扩散的存在影响IC集成度，也影响PN结电容。
■
2、内建电场的影响
高温下杂质处于离化状态，杂质离子与电子(空穴)同时向低浓 度方向扩散。电子(空穴)扩散速度快，形成空间电荷层，建立 一自建电场，使离子运动形式为扩散+漂移。 有效扩散系数Deff