半导体制造工艺_08扩散(下)

半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)1上节课主要内容1、掺杂工艺一般分为哪两步？结深？薄层电阻？固溶度？2、两种特殊条件下的费克第二定律的解及其特点？特征扩散长度？预淀积＋退火。预淀积：气固相预淀积扩散或离子注入。Rs：表面为正方形的半导体薄层（结深），在平行电流方向所呈现的电阻，单位为/，反映扩散入硅内部的净杂质总量。固溶度：在平衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生反应形成分凝相的最大浓度。表面浓度恒定，余误差函数分布(erfc)。随时间变化：杂质总量增加，扩散深度增加杂质总量恒定，高斯函数/正态分布(Gaussian)。随时间变化：表面浓度下降，结深增加DtxCtxCs2erfc,DtxDtQtxCT4exp,2半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)2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。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…半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)3例题：CMOS中的p阱的形成。要求表面浓度Cs=4x1017cm-3，结深xj=3mm。已知衬底浓度为CB=1×1015cm3。设计该工艺过程。离子注入＋退火半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)4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”。DtxDtQtxC4exp,2291517242cm107.310104ln4103ln4BsjCCxDtDtxCCjsB4exp2解：1）假设离子注入+推进退火半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)52）推进退火的时间假定在1100C进行推进退火，则扩散系数D=1.5×10-13cm2/s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hours8.6seccm105.1cm107.321329indrivet213917cm103.4107.3104DtCQs半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)64）假如采用950C热扩散预淀积而非离子注入预淀积时间为此时，B的固溶度为2.5×1020/cm3，扩散系数D=4.2×10-15cm2/s该预淀积为余误差分布，则但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离子注入！DtCQs2sec5.5102.4105.22103.41522013deppret即使9indrive14deppre107.3103.2DtDt半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)7影响杂质分布的其他因素Fick’sLaws：OnlyvalidfordiffusionunderspecialconditionsSimplification!半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)81、电场效应（Fieldeffect）——非本征扩散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。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。如果NA、ND＞ni（扩散温度下）时，非本征扩散效应半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)9所以，杂质流由两部分组成：内建电场以n型掺杂为例，ECxCDFFFdriftdiffusiontotalmDkTqmiinnCxDCnnxDCxCDFlnlnxinnqkTln半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)10DAiADNNCnnpnNpN2由并假定杂质全部离化，有2422CnCni场助扩散方程：xChDF其中h为扩散系数的电场增强因子：2241inCCh当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时，h接近2。半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)11电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)122、扩散系数与杂质浓度的关系在杂质浓度很高时，扩散系数不再是常数，而与掺杂浓度相关扩散方程改写为：箱型xCDxtCeffA半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)1320iieffAnnDnnDDD20iieffAnpDnpDDDp型掺杂n型掺杂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。半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)14非本征掺杂扩散系数比本征掺杂扩散系数高一个数量级！！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。sec/cm1066.1214AsD箱型1000C下，非本征扩散系数：半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)15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3、氧化增强/抑制扩散（oxidationenhanced/retardeddiffusion）OED/ORD半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)161）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＋2V↔SiO2＋2I＋stressA+IAI半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)172）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I+VSis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半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)184、发射极推进效应（EmitterPusheffect）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＋IAI，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。PhosphorusBoron半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)19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/cm3D0=1cm2/sEa=3.46eV高浓度掺杂如考虑场助效应h电场增强因子s/cmeV46.3exp0.1exp200kTkTEDDDDaiiiiaiiienpkTEDnpDDDexp00iiienpDDhD0半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)202）磷Ⅴ族元素，施主原子，有吸收铜、金等快扩散杂质的性质（这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s/cmeV68.3exp70.42kTDi20iiiiiennDnnDDhD半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)213）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2×1021㎝-3适宜于浅结，精确控制s/cmeV99.3exp17.92kTDiiiiennDDhD0半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)22气态相源扩散（gassource）液态源扩散（liquidsource）固态源扩散（solidsource）旋涂源扩散（spin-on-glass）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。扩散掺杂工艺半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)231、气态源扩散利用载气（如N2）稀释杂质气体，杂质气体在高温下与硅表面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。气态杂质源(剧毒气体):磷烷（PH4）、砷烷（AsH3）、氢化锑（SbH3）、乙硼烷（H2B6）等半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)242、液态源扩散利用载气（如N2）通过液态杂质源，携带着杂质蒸汽进入高温扩散反应管，杂质蒸汽在高温下分解，并与硅表面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。舟半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)251）液态源硼扩散源硼酸三甲脂B[(CH3)O]3在500oC以上分解反应B[(CH3)O]3B2O3+CO2+H2O＋...2B2O3+3Si3SiO2+4B例：预淀积:950oC通源10－20分钟，N2再分布:1100－1200oC干氧＋湿氧＋干氧半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)262）液态源磷扩散源三氯氧磷(POCl3)600C5POCl3P2O5+3PCl52P2O5+5Si=5SiO2+4P(向硅中扩散)PCl5难分解，会腐蚀硅，故还要通入少量O24PCl5+5O22P2O5+10Cl2例：预淀积:1050CN2和O2再分布:950CO2半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)273、固态源扩散（B2O3，P2O5，BN等）舟惰性气体作为载气把杂质源蒸气输运到硅片表面，在扩散温度下，杂质化合物与硅反应生成单质杂质原子相硅内扩散。半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)28锑的箱法扩散硅片与扩散源同放一箱内，在N2气保护下扩散源：Sb2O3:SiO2=1:4(粉末重量比)2Sb2O3+3Si=4Sb+3SiO2片状固态氮化硼扩散活化处理4BN+3O22B2O3+2N2900C1h.通O2扩散2B2O3+3Si3SiO2+4BBN片与硅片大小相当，和硅片相间均匀放置在舟上。不需载气，但以N2或Ar2保护。半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)294、旋涂掺杂法（spin-on-glass）用旋涂法在Si表面形成掺杂氧化层，然后在高温下杂质向硅中扩散。源：As（arsenosilica）；Sb（antimonysilica）；B（borosilica）；P（phosphorosilica）烘焙200C15分钟去处溶剂根据Rs和xj要求决定扩散温度和时间特点：掺杂元素多浓度范围广半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)30扩散层质量检验薄层电阻测量结深测量掺杂分布测量半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)31四探针薄层电阻测量四根探针的四个针尖都保持在一条直线上（linear），并以等压力压在半导体样品表面。1和4称为电流探针，由稳压电源恒电流供电；3和4称为电位探针，测量这两个探针之间的电位差IVIVxRxIVjsj53.42ln2lnVItSSSSt时成立！1432半导体制造工艺基础第六章扩散原理(下)32结深测量磨角染色法（bevelandstain）pn结显示技术：不同导电类型的区域，由于电化学势不同，经染色后显示出不同颜色。常用染色液：HF与01％HNO3的混合液，使p区的显示的颜色比n区深。Bevelxj半导体制造工艺基础第