扩散工艺

2019/10/3第三章扩散工艺§3.1杂质扩散机构§3.2扩散原理（扩散系数扩散方程）§3.3扩散杂质的分布§3.4影响杂质分布的其他因素§3.5扩散工艺§3.6扩散工艺的发展（自学）§3.7工艺控制和质量监测（补充）2019/10/3•掺杂技术就是将所需要的杂质，以一定的方式（合金、扩散或离子注入等）加入到硅片内部，并使在硅片中的数量和浓度分布符合预定的要求。利用掺杂技术，可以制作P-N结、欧姆接触区、IC中的电阻、硅栅和硅互连线等等。2019/10/3••合金法是早期产生半导体器件常用的形成p-N结的方法。自从硅平面技术问世以后，合金法已经被扩散法取代了。扩散技术是一种制作P-N结的好方法。随着集成电路的飞速发展，扩散工艺已日臻完善，其设备和操作也大多采用电子计算机进行控制了。2019/10/3•扩散是微观粒子的一种极为普遍的热运动形式，运动结果使浓度分布趋于均匀。•集成电路制造中的固态扩散工艺，是将一定数量的某种杂质掺入到硅晶体或其他半导体晶体中去，以改变电学性质，并使掺入的杂质数量、分布形式和深度等都满足要求。2019/10/3•扩散是向半导体中掺杂的重要方法之一，也是集成电路制造中的重要工艺。•目前扩散工艺以广泛用来形成晶体管的基极、发射极、集电极，双极器件中的电阻，在MOS制造中形成源和漏、互连引线，对多晶硅的掺杂等•2019/10/3•离子注入是目前VLSI优越的掺杂工艺。就目前我国升昌集成电路来看，离子注入不能说完全代替了扩散工艺，但至少许多原来由扩散工艺所完成的加工工序，都已经被离子注入取代了，这是时代发展的必然结果。2019/10/3§3.1杂质扩散机构•杂质在硅晶体中的扩散机构主要有两种：1）间隙式扩散，（2）替位式扩散•一、间隙式扩散•1、间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质。•主要那些半径较小、并且不容易和硅原子键合的原子，它们在晶体中的扩散运动主要是以间隙方式进行的。如下图所示。图中黑点代表间隙杂质，圆圈代表晶格位置上的硅原子。•2、间隙式扩散：间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置上的运动。2019/10/31234567间隙杂质运动2019/10/3•3、间隙杂质要从一个间隙位置运动到相邻的间隙位置上，必须要越过一个势垒，势垒高度Wi一般为0.6~1.2ev。•4、间隙杂质只能依靠热涨落才能获得大于Wi的能量，越过势垒跳到近邻的间隙位置上。•5、跳跃率：Pi=v0e-wi/kT•温度升高时Pi指数地增加。2019/10/3•二、替位式扩散•1、替位杂质：占据晶格位置的外来原子。•2、替位式扩散：替位杂质从一个晶格位置到另一个晶格位置上。只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位，替位杂质才能比较容易地运动到近邻空位上。运动如下图所示。•3、替位杂质运动比间隙杂质更困难，首先要在近邻出现空位，同时还要依靠热涨落获得大于势垒高度Ws的能量才能实现替位运动。•4、跳跃率Pv=v0e-(Ws+Wv)/kT•Wv表示形成一个空位所需能量。2019/10/3替位杂质运动2019/10/3§3.2扩散原理（即扩散系数和扩散方程）一.扩散流方程（注：下面的N就是课本中的C）2019/10/3扩散时质量守衡，J随时间变化与随空间变化相同－－连续性方程以下式表示杂质原子流密度xJtNxt)N(x,DJ22x),(tNtxND扩散方程为：2-12-22-32019/10/3考虑施加恒定电场E时：以上2－1，2－3为Fick’s扩散第一、第二定律。xtxNEtxND),(x),(tN222－42019/10/3二.扩散系数2019/10/31.扩散系数与温度有关：如上图D0：扩散率，E：扩散工艺激活能，k0：玻耳兹曼常数，T：绝对温度。)exp(00TkEDD2019/10/32.扩散工艺激活能E，•间隙扩散物质：如He,H2,O2,Au,Na,Ni,Cu,Fe。E在0.2～2.0eV之间•替位扩散物质：如B,As,P,SbE在3～4eV之间3.扩散系数与衬底掺杂浓度有关2019/10/3§3.3扩散杂质的分布1.恒定表面源扩散扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变这种类型的扩散称为恒定表面源扩散。其扩散后杂质浓度分布为余误差函数分布2019/10/32019/10/32.有限表面源扩散扩散散前在硅片表面先淀积一层杂质，在整个过程中，这层杂质作为扩散源，不再有新源补充，杂质总量不再变化。这种类型的扩散称为有限表面源扩散。其扩散后杂质浓度分布为高斯函数分布2019/10/32019/10/33.两步扩散2019/10/3•预淀积（或预扩散）：温度低、时间短•主淀积（或推进）：温度高、时间长•预淀积（或预扩散）现已普遍被离子注入代替2019/10/3§3.4影响杂质分布的其他因素（实际杂质分布(偏离理论值)）1、二维扩散一般横向扩散(0.75~0.85)*Xj(Xj纵向结深)2019/10/3Xj0.75~0.85Xj横向扩散2019/10/32、杂质浓度对扩散系数的影响其中Di0、Di＋、Di－、Di2－分别表示中性、正一价、负一价、负二价的低浓度杂质－－空穴对的本征扩散系数。2019/10/3其中Di0、Di＋(p/ni)、Di－(n/ni)、Di2(n/ni)2分别表示中性、正一价、负一价、负二价的高浓度杂质－－空穴对的非本征条件下的有效扩散系数。以上是考虑多重电荷空位的杂质扩散模型时，扩散衬底杂质浓度将严重影响扩散系数2019/10/33、电场效应2019/10/34、发射区推进效应V2-:二价负电荷空位N+PN-2019/10/35、热氧化过程中的杂质再分布(杂质分凝)硼:m1磷:m1砷:m12019/10/36、氧化增强扩散2019/10/37、硅片晶向的影响2019/10/3§3.5扩散工艺一．双温区锑扩散•制作双极型集成电路的隐埋区时，常用锑和砷作杂质。因为它们的扩散系数小，外延时自掺杂少，其中又因为锑毒性小，故生产上常用锑。•系统特点：用主辅两个炉子，产生两个恒温区。杂质源放在低温区，硅片放在高温区。2019/10/3•反应式：3Sb2O3+3Si=4Sb+SiO2•优点：•1）可使用纯Sb2O3粉状源，避免了箱法扩散中烘源的麻烦；•2)两步扩散，不象箱法扩散那样始终是高浓度恒定表面源扩散，扩散层缺陷密度小；•3）表面质量好，有利于提高表面浓度。2019/10/3二.常见扩散方法2019/10/32019/10/32019/10/3液态源扩散－－常用POCl3600℃•5POCl3==P2O5＋3PCl5•2P2O5＋5Si=5SiO2＋4P氧过量•4PCl5＋5O2=2P2O5＋10Cl22019/10/3影响扩散参量的因素•源POCl3的温度•扩散温度和时间•气体流量2019/10/3§3.3扩散杂质的分布1.恒定表面源扩散扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变这种类型的扩散称为恒定表面源扩散。其扩散后杂质浓度分布为余误差函数分布2019/10/32019/10/32.有限表面源扩散扩散散前在硅片表面先淀积一层杂质，在整个过程中，这层杂质作为扩散源，不再有新源补充，杂质总量不再变化。这种类型的扩散称为有限表面源扩散。其扩散后杂质浓度分布为高斯函数分布2019/10/32019/10/33.两步扩散2019/10/3•预淀积（或预扩散）：温度低、时间短•主淀积（或推进）：温度高、时间长•预淀积（或预扩散）现已普遍被离子注入代替2019/10/3§3.4影响杂质分布的其他因素（实际杂质分布(偏离理论值)）1、二维扩散一般横向扩散(0.75~0.85)*Xj(Xj纵向结深)2019/10/3Xj0.75~0.85Xj横向扩散2019/10/32、杂质浓度对扩散系数的影响其中Di0、Di＋、Di－、Di2－分别表示中性、正一价、负一价、负二价的低浓度杂质－－空穴对的本征扩散系数。2019/10/3其中Di0、Di＋(p/ni)、Di－(n/ni)、Di2(n/ni)2分别表示中性、正一价、负一价、负二价的高浓度杂质－－空穴对的非本征条件下的有效扩散系数。以上是考虑多重电荷空位的杂质扩散模型时，扩散衬底杂质浓度将严重影响扩散系数2019/10/33、电场效应2019/10/34、发射区推进效应V2-:二价负电荷空位N+PN-2019/10/35、热氧化过程中的杂质再分布(杂质分凝)硼:m1磷:m1砷:m12019/10/36、氧化增强扩散2019/10/37、硅片晶向的影响2019/10/3§3.5扩散工艺一．双温区锑扩散•制作双极型集成电路的隐埋区时，常用锑和砷作杂质。因为它们的扩散系数小，外延时自掺杂少，其中又因为锑毒性小，故生产上常用锑。•系统特点：用主辅两个炉子，产生两个恒温区。杂质源放在低温区，硅片放在高温区。2019/10/3•反应式：3Sb2O3+3Si=4Sb+SiO2•优点：•1）可使用纯Sb2O3粉状源，避免了箱法扩散中烘源的麻烦；•2)两步扩散，不象箱法扩散那样始终是高浓度恒定表面源扩散，扩散层缺陷密度小；•3）表面质量好，有利于提高表面浓度。2019/10/3二.常见扩散方法2019/10/32019/10/32019/10/3液态源扩散－－常用POCl3600℃•5POCl3==P2O5＋3PCl5•2P2O5＋5Si=5SiO2＋4P氧过量•4PCl5＋5O2=2P2O5＋10Cl22019/10/3影响扩散参量的因素•源POCl3的温度•扩散温度和时间•气体流量2019/10/3§3.7工艺控制和质量检测一.工艺控制二.质量检测2019/10/3一.工艺控制•污染控制：颗粒、有机物、薄膜、金属离子污染来源：操作者,清洗过程,高温处理,工具•参量控制：温度，时间，气体流量(影响最大?)1.温度控制：源温、硅片温度、升温降温、测温2.时间：进舟出舟自动化,试片3.气体流量：流量稳定，可重复性，假片2019/10/3假片和试片假片假片假片假片正片试片2019/10/3二.质量检测1.质检项目2.结深测量3.扩展电阻法4.方块电阻测量2019/10/31.扩散工艺质量检测项目2019/10/32.结深测量2019/10/33.扩展电阻法•叙述其他策略•列出每项的优势和劣势•叙述每项所需的消耗2019/10/34.方块电阻测量2019/10/32019/10/3三、质量分析•1．硅片表面不良：表面合金点；表面黑点或白雾；表面凸起物；表面氧化层颜色不一致；硅片表面滑移线或硅片弯曲；硅片表面划伤，边缘缺损，或硅片开裂等。2019/10/3•2．漏电电流大：表面沾污引起的表面漏电；氧化层的缺陷破坏了氧化层在杂质扩散时的掩蔽作用和氧化层在电路中的绝缘作用而导电；硅片的缺陷引起杂质扩散时产生管道击穿。•3．薄层电阻偏差。2019/10/34．器件特性异常：击穿电压异常；hFE异常；稳压二极管稳压值异常。2019/10/3•5.扩散的均匀性和重复性