微电子工艺4 1 扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺之一， 是在约1000的高温、p或n型杂质气氛中，使 杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定 浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一种工艺 方法，也称为热扩散。 目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导 电类型，电阻率，或形成PN结。 2 5.1 扩散机构 5.2 晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程 5.3 杂质的扩散掺杂 5.4 热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素 5.5 扩散工艺条件与方法 5.6 扩散工艺质量与检测 5.7 扩散工艺的发展 3 扩散本质上是物质内质点（指各种微观粒子）运动的基本 方式，当温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作 热运动，温度越高，热运动越激烈，扩散现象越严重。 晶体扩散是通过微观粒子一系列随机跳跃来实现的，这些 跳跃在整个三维方向进行，主要有三种方式： 5.1.1替位式扩散 5.1.2间隙式扩散 5.1.3 间隙替位式扩散 4 硅中替位式扩扩散杂质 ：As， Al，Ga，Sb， Ge 替位原子的运动一般 是以近邻处有空位为 前提 B，P一般作为替代式 扩散杂质，实际情况 更复杂，是推替式扩 散 替位式扩散速率慢 5 硅中替位式扩散（substitutional）示意 产生替位式扩散必需存在空位， 晶体中空位平衡浓度相当低 室温下，替位式扩散跳跃率约每1045年一次 空位浓度 Ws 6 跳跃率： 5.1 kT:平均振动能，室温时为0.026eV v0：振动频率，1013-1014/s 晶体中间隙式扩散（interstitial）示意 硅中填（间）隙式扩 散杂质主要是碱金属 和过渡元素，如：O ，Au，Fe，Cu，Ni ，Zn，Mg 填（间）隙式扩散速 率快 7 Wi=0.6- 1.2eV 8 按照玻尔兹曼统计规律，获得大 于Wi的几率正比于exp(-WikT) 跳跃率： 5.1 室温下， Pi约每分钟一次 。 在扩散温度（如1200）kT=0.13eV 跳跃率显著提高。 跳跃率表征的是单位时间有效 跳跃次数 许多杂质即可以是替位式也可以是间隙式溶于晶体 的晶格中，并以间隙-替位方式扩散。 这类扩散杂质的跳跃率随空位和自间隙等缺陷的浓 度增加而迅速增加。 Si中大多数过度元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag 等以间隙-替位方式扩散，如Au在Si中90%有电活性 比替位式扩散快5-6个数量级 9 质点的移动可在三维任一方向，自由程取决于最近邻质点 流体质点间相距远、互作用小，扩散速率大，各向同性 固体中质点间相距近、互作用大，所有质点均受束缚，在 三维势阱中，明显的质点扩散常开始于较高的温度 晶体中粒子（原子或离子）以一定的对称性和周期性排列 ，限制着它每一步迁移的方向和自由程。 温度的高低，粒子的大小、晶体结构、缺陷浓度和粒子运 动方式是决定扩散运动的重要因素 10 5.2.15.2.1 扩散基本特点扩散基本特点 在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积上的扩散物质流 量为扩散通量（Diffusion flux，kg / m2 s），用J表示。 扩散通量与其截面处的浓度梯度成正比。 比例系数D定义为杂质在衬底中的扩散系数。 1、Fick第一定律 “” 表示粒子从高浓度向 低浓度扩散，即逆浓度梯度 方向扩散 11 当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改变 时，利用第一定律不容易求出J。 通常的扩散过程大都是非稳态扩散，为便于求 出J，还要从物质的平衡关系着手，建立第二个 微分方程式。 讨论晶体中杂质浓度与扩散时间的关系，又称 Fick第二定律。 12 2、Fick第二定律 dx J1 J2 A x x+dx J1，J2分别为流入、流出该体 积元的杂质流量 在非稳态扩散过程中，在x处，杂质原子浓度随扩散时间t的变化率 如果扩散系数D与浓度无关，则由Fick第一定律可得： 假设一段具有均匀横截面A的长方条材料，考虑其中长度为dx的一小段 体积则流入、流出该段体积的流量差为： 13 2、Fick第二定律 D0为表观扩散系数；Ea为扩散激 活能 扩散系数(Diffusion coefficient)D 是描述扩散速度的重要物理量，它 相当于浓度梯度为1时的扩散通量 。 （以替位式扩散推导） 14 在低浓度下 硅和砷化镓 中各种掺杂 剂杂质的实 测扩散系数 15 快扩散 杂质 慢扩散 杂质 16 第九次课问题 掺氯氧化工艺对提高氧化膜质量有哪些作用？ 氧化层中出现固定电荷的机理，从工艺上如何能使 之降低 ？ 扩散机构有哪几种？ 给出主要的快扩散杂质和慢扩散杂质。 给出由Fick定律导出的扩散方程。 17 扩散工艺是要将具有电活性的杂质，在一定温度 ，以一定速率扩散到衬底硅的特定位置，得到所 需的掺杂浓度以及掺杂类型。 5.3.1 恒定表面源扩散 5.3.2 限定表面源扩散 5.3.3 两部扩散工艺 18 恒定(表面)源是指在扩散过程中，硅片表面的杂质浓度 始终是保持不变的。硅一直处于杂质氛围中，硅片表 面达到了该扩散温度的固溶度Cs。 解扩散方程，得出扩散工艺重要的工艺参数，包括： 杂质的分布 表面浓度 结深 掺入杂质总量 19 初始条件为：C(x，0)=0，x0 边界条件为：C(0，t)=Cs C(，t)= 0 恒定表面源扩散杂质分布为： 20 x CB Cs xj1 xj2 xj3 C(x,t) t1 t2 t3 0 t3t2t1 erfc(y)-称为余误差函数。 恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布 延长扩散时间： 表面杂质浓度不变，为Cs； 结深增加 ； 扩入杂质总量增加； 杂质浓度梯度减小。 结深 杂质总量 杂质浓度梯度 21 22 误差函数（也称之为高斯误差函数）是一个非基本函数，在 概率论、统计学以及偏微分方程中都有广泛的应用。自变量 为x的误差函数定义为： 且有erf（）=1和erf(-x)=-erf(x)，则余误差函数erfc（x ）定义为： 指杂质源在扩散前积累于硅片表面 薄层内， Q为为单位面积杂质总量 解扩散方程： 边界条件: C(x,0)=Q/ , 0t2t1 高斯 函数 有限源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。 延长扩散时间(提高扩散温度T )： 杂质表面浓度 迅速减小；杂质总量不变； 结深增加； 杂 质浓度梯度减小。 25 实际扩散工艺: 一步工艺 :是惰性气氛下的恒定源扩散，杂质分布服从余 误差函数； 两步工艺：分为预淀积（预扩散）、再分布（主扩散）两 步。 预淀积是惰性气氛下的恒定源扩散，目的是在扩散窗口硅表层扩 入总量Q一定的杂质。 再分布是氧气氛或惰性气氛下的限定源扩散，将窗口杂质再进一 步向片内扩散，目的是使杂质在硅中具有一定的表面浓度Cs、分 布C（x）、且达到一定的结深xj，有时还需生长氧化层。 26 预淀积（预扩散）:同常为低温、短时，杂质扩散 很浅，杂质数量可控恒定源扩散 主扩散（再分布）: 高温，扩散同时伴随氧化控 制表面浓度和扩散深度 两步扩散之后的杂质最终分布形式为两个扩散过 程结果的累加: D1t1D2t2预扩散起决定作用，杂质按余误差函数 形式分布 D1t1Ci 1019/cm3) ，将使扩散系数显著提高。 非本征扩散系数D： 30 非本征荷电 空位的院子 百分数 本征荷电空位 的原子百分数 b）踢出与间隙机制扩散 31 a）硅原子踢出晶格位置上的 杂质原子 实际上硼和磷等杂质往往是靠两种机制进行扩散运动，哪一 种扩散机制占主要地位将取决于具体工艺。 5.4 硼在氧化气氛中的扩散存在明显增强现象，磷、砷也有此 现象。 原因是氧化诱生堆垛层错产生大量自填隙Si，间隙-替位式 扩散中的“踢出”机制提高了扩散系数。 氧化层 B限定源扩散 氮化物 p-Si n-Si 氮化物 n-Si 氧化层 掺B CB1019 O2 I+B IB 32 锑扩散是以替位方式进行，氧化堆垛层错带来的自填隙硅 填充了空位，减少了空位浓度。锑在氧化气氛中的扩散却 被阻滞。 氮化物 n-Si p-Si 氧化层 氮化物 p-Si 氧化层 Sb有限源扩散 CBD（111） 晶格缺欠越多，扩散速率也越大。 39 5.5.1 扩散方法的选择 5.5.2 杂质源选择 5.5.3 常用杂质的扩散工艺 40 扩散设备：多是炉丝加热的热壁式扩散炉。和氧化 炉相类似，有卧式（水平式）和立式扩散炉。 扩散方法： 开管扩散； 闭管扩散； 箱法扩散； 涂源扩散 41 5.5 1、固态源扩散 采用的方式 开管扩散 箱式扩散 涂源扩散 固态源 陶瓷片或粉 体：BN、 B2O3、 Sb2O5、P2O5 等 石英管 接排风 阀和流量计 载 气 铂源舟 石英舟和硅片 开管固态源扩散 系统 42 液态源 POCl3、 BBr3、 B(CH3O)3 （TMB） 接排风 阀和流量计 载 气 石英舟和硅片 石英管 温度控制 池 源瓶和 液相源 液相源扩散系统 43 气态源 BCl3、 B2H6、 PH3、 AsH3 石英管 接排风 阀和质量 流量计 气 源 石英舟和硅片 气态源扩散系统 44 对所选择的杂质：Ga、B、P、Sb、As ，SiO2掩膜 应能起着有效的掩蔽扩散作用； 在硅中的固溶度足够高，要大于所需要的表面浓度 ； 扩散系数的大小要适当，杂质扩散便于控制，必需 满足固溶度、扩散系数要求。 相继扩散的不同杂质的扩散系数，其大小应搭配适 当。 例如：晶体管的基区扩散和发射区扩散，前者的杂质扩 散系数应小于后者；IC埋层杂质源，的扩散系数尽可能 小。 45 5.5 什么是恒定源扩散?其杂质浓度服从什么分 布函数? 什么是限定源扩散?其杂质浓度服从什么分 布函数? 为什么实际扩散常采用两步工艺? B或P扩散的氧化增强效应是指什么？ 什么是场助扩散？ 46 原理 2 B2O3 + 3Si 4B +3SiO2 选源 固态BN源使用最多，必须活化 活化： 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 特点 B与Si原子半径相差较大，有伴生应力缺陷，能造成 晶格损伤。硼在硅中的最大固溶度达4*1020/cm3，但浓度在 1020/cm3以上有结团现象。 工艺 两步工艺，预淀积为恒定源扩散，用氮气保护，再分 布有限源扩散，生长氧化层（干氧-湿氧-干氧）硼扩散 900-1100 47 1、硼扩散（NPN管为例 ） 预淀积，一般预淀积温度较低，时间也较短。氮 气保护。 漂硼硅玻璃，予淀积后的窗口表面有薄薄的一层 硼硅玻璃，用HF漂去。 再分布，温度较高，时间也较长。通氧气，直接 生长氧化层。 测方块电阻，方块电阻是指表面为正方形的薄膜 ，在电流方向的电阻值。 48 原理 2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2 选源 固态P2O5陶瓷片源使用最多，无须活化 。 特点 磷是n型替位杂质， B与Si原子半径接近 ，杂质浓度可达1021/Cm3，该浓度即为电活性 浓度。 工艺 与硼扩相近两步工艺，不漂磷硅玻璃。 49 N x 5*1020 1018 3*1016 N+P N N型erfc分布 P型高斯分布 N型衬底 0 Xebj Xbcj N x 发射区 基区集电区 B扩： D1t