半导体器件与工艺(9)

第九章掺杂哈尔滨工程大学微电子学半导体器件与工艺掺杂是用人为的方法，将所需要的杂质，以一定的方式掺入到半导体基片规定的区域内，并达到规定的数量和符合要求的分布．这种技术可以用来制作p-n结、集成电路中的电阻器、互连线，它起到改变某些区域中的导电性能等作用，是实现半导体器件和集成电路纵向结构的重要手段，并且，它与光刻技术相结合，能获得满足各种需要的横向和纵向结构图形。引言杂质原子（离子）在半导体晶片中的扩散可归纳为两种典型的形式：间隙式扩散和替位式扩散。(1)间隙式扩散杂质原子从一个原子间隙运动到相邻的另一个原子间隙，是通过晶体中原子间的间隙进行的。这种依靠间隙运动方式而逐步跳跃前进的扩散机构，称为间隙式扩散。(2)替位式扩散替位式杂质原子从一个替位位置运动到相邻另一个替位位置，只有当近邻格点处有一个空位时，替位杂质原子才有可能进入邻近格点而填充这个空位。替位式杂质原子的扩散要比间隙杂质原子扩散慢得多，并且扩散系数随温度变化很迅速，温度越高，扩散系数值越大，杂质在硅中的扩散就进行得越快。杂质原子的微观扩散机构杂质原子的微观扩散机构扩散系数除与温度有关外，还与基片材料的取向、晶格的完整性、基片材料的本体杂质浓度以及扩散杂质的表面浓度等因素有关。因此，给出的扩散系数只能作为一个参考数值。在实际工艺过程中，由于工艺条件的差异，往往有较大的误差，必要时还需要进行修正。对于具体的杂质而言，究竟属于那一种扩散方式，取决于杂质本身的性质。例如，对硅而一言，Au、Ag、Cu、Fe和Ni等半径较小的重金属杂质原子，一般按间隙式（或两种方式兼有）进行扩散，而P、As、Sb、B、Al、Ga等III、V族半径较大的杂质原子，则按替位式扩散。所以，前者比后者的扩散速度一般要大得多。杂质原子的微观扩散机构在半导体器件制作中的扩散，主要有两种类型，恒定表面源扩散和有限表面源扩散。恒定表面源扩散分布恒定表面源，是指在扩散过程中，硅片表面的杂质浓度Ns始终是保持不变的。例如，基区、发射区的预淀积和一般箱法扩散均可认为属于这种情况。恒定表面源扩散，在硅片内形成的杂质分布是余误差函数分布。杂质原子的微观扩散机构DtxerfcNDtxerfNtxNss221,杂质原子的微观扩散机构Ns是半导体内表面处的杂质浓度，当气氛中杂质的分压强较低时，在半导体内表面处的杂质溶解度将与其周围气氛中杂质的分压强成正比。当杂质分压强较高时，则与周围气氛中杂质的分压强无关，数值上就等于扩散温度下杂质在半导体中的固溶度。在通常的扩散条件下，表面杂质浓度可近似取其扩散温度下的固溶度．固溶度是指杂质在一定温度下，能溶入固体硅中的最大浓度。因此，杂质的固溶度给杂质扩散的表面杂质浓度设置了上限。杂质元索和扩散温度选定之后，Ns和D就基本定了，若再将扩散时间t定下来，杂质分布也就确定了。时间如何确定，将与对分布的要求有关。不同的扩散时间，分布曲线不同，其扩散的深度不同，扩入硅片内的杂质总量也不同。扩入硅片内的杂质总量可以用曲线下面的面积来表示，即DtNDtNdxDtxerfcNdxtxNQsss13.122,00有限表面源扩散分布有限表面源扩散是指在扩散过程中，杂质源限定于扩散前淀积在硅片表面极薄层内的杂质总量Q，没有补充或减少，依靠这些有限的杂质向硅片内进行的扩散。杂质原子的微观扩散机构DtxDtQtxN4exp,2硅器件生产中的两步扩散工艺在硅器件平面工艺中，常采用“两步扩散”工艺。第一步采用恒定表面源扩散的方式，在硅片表面淀积一定数量Q的杂质原子。由于扩散温度较低，扩散时间较短，杂质原子在硅片表面的扩散深度极浅，如同淀积在表面，通常称为“预淀积”。第二步是把经预淀积的硅片放入另一扩散炉内加热，使杂质向硅片内部扩散，重新分布，达到所要求的表面浓度和扩散深度。所以，这一步是有限表面源扩散，常称为“再分布”。硅器件生产中的两步扩散工艺发射区磷扩散，也是采用两步扩散．但目的与硼基区扩散不一样。它预淀积时采用较再分布为高的扩散温度，扩散时间也较长，使发射区的表面浓度和结深仅此一步已基本上达到设计的要求。其后的再分布，虽然也能在一定程度上调整发射区的表面浓度和结深，但其主要目的是保证发射区窗口生长有足够厚的SiO2薄层，为后续工序作准备和钝化作用。因此，也有把第一步称为“主扩散”，第二步称为“再扩散”．硅器件生产中的两步扩散工艺第一步的预淀积扩散，它的杂质浓度遵循余误差函数分布，即11112,tDxerfcNtxNs相应的杂质总量可表示为1112tDNQs式中，注脚“1”表示预淀积扩散。硅器件生产中的两步扩散工艺第二步再分布扩散常与下一步的氧化同时进行，在杂质向半导体内部继续推进的同时，也在硅片表面进行氧化生长SiO2层。如果预淀积的扩散深度比再分布推移的深度小得多，预淀积后硅片表面所淀积的含杂质的玻璃层已经去除。222224exp,tDxtDQtxN22222111214exp2,,tDxtDtDNttxNs相应的表面浓度则为2211122tDtDNNss扩散层质量参数结深扩散时，若扩散杂质与衬底杂质的类型不同，则扩散后在衬底中将要形成p-n结。这个p-n结的几何位置与扩散层表面的距离称为结深，一般用表示。jx恒定表面源时余误差分布的结深表达式：DtNNerfcxsBj12有限表面源扩散时，高斯分布的结深表达式：DtNNxBsj21ln2两式统一表示为：DtAxj对余误差分布，sBNNerfcA12对高斯分布，21ln2BsNNA扩散层质量参数方块电阻方块电阻是标志扩散层质量的另一个重要参数，一般用R□或Rs表示，单位是Ω/□。由于扩散层存在杂质浓度分布梯度，电阻率应由平均电阻率来代替，则方块电阻扩散层质量参数jjsxxllRjsxR设Q为扩散层单位面积掺入的杂质总量QqRs1表面浓度表面浓度是半导体器件设计或制造过程中，分析问题时经常要用到的又一个重要参数。表面浓度不同，杂质分布可以有很大的差异，从而对器件特性带来影响。在本体杂质浓度不变的情况下，R□、Ns和xj三者之间存在对应的关系，已知其中的两个，第三个就唯一地被确定，从而具有确定的杂质分布。扩散层质量参数表面浓度的大小一般由扩散形式、扩散杂质源、扩散温度和时间所决定。但恒定表面源扩散，表面浓度的数值基本上是扩散温度下杂质在硅中的固溶度。也就是说，对于给定杂质源、表面浓度由扩散温度控制。对有限表面源扩散，表面浓度则由预淀积的杂质总量和扩散时的温度和时间所决定。但扩散温度和时间由结深的要求所决定，所以此时的表面浓度主要由预淀积的杂质总量来控制。在结深相同的情况下，预淀积的杂质总量越多，再分布后的表面浓度就越大。扩散层质量参数表面浓度的实际大小，还与氧化温度和时间有关。氧化温度愈高，杂质扩散愈快，就愈能减弱杂质在表面附近的堆积。氧化时间愈长，再分布所影响到的深度就愈大。因此，杂质再分布影响到的深度和最终杂质浓度的分布，与氧化温度和时间有很大的关系。磷在硅表面的堆积效应相对来说是较小的，表面浓度一般增加10-20%，而且受到影响的深度一般小于100nm，故往往可以忽略。但硼在硅表面的耗损效应却往往不可忽视。虽然再分布时受到影响的深度不大（约为100-1500nm），但表面浓度的减小是可观的。扩散层质量参数次表面浓度和次表面层薄层电阻次表面薄层就是指扩散表面之下，自某个深度x的平面到pn结位置之间的一个薄层。次表面层薄层电阻可表示为:扩散层质量参数jejcjejcsbxxxxR1扩散层质量参数击穿电压和反向漏电流p-n结的击穿电压和反向漏电流，既是评价扩散层质量的重要标志，也是晶体管的重要直流参数。它要求pn结的伏-安特性“硬”，即反向击穿特性曲线平直，有明显的拐点，并且漏电流很小．①软击穿：特点是无明显的拐点。产生的原因与pn结附近的表面状态，晶格缺陷以及结附近的杂质沾污等因素有关。当pn结的表面被杂质沾污，Si-SiO2界面存在界面态，会导致表面复合中心大最存在，引起表面漏电；扩散时，硅片清洗不干净，或扩散系统沾污，在扩散时进入硅片，降温时就会沉积到晶格缺陷处。如果这些缺陷处在结区，就会成为pn结的漏电通道，使反向漏电流随反向电压增高而增大。扩散层质量参数②低击穿：指pn结加反向偏压后，在远低于理论值时就已经发生击穿的现象。但曲线有明显的拐点，是硬击穿。产生的原因很多，如pn结有较大的局部尖峰，基区过窄或外延层过薄，以及扩散层上的合金点、外延层的层错和位错密度较高等都会造成低击穿。③靠背击穿：特点是在反向电压很小时，反向电流即随电压的升高而迅速增大，并很快进入饱和阶段。随着反向电压的继续增大，最后出现击穿。它产生的原因主要是由于表面沟道效应所引起的。扩散层质量参数④分段击穿：分段击穿也称管道型击穿。特点是在较低电压下有一击穿点，然后电流随电压升高而线性增加。当电压继续升高到某一值时再次发生击穿。产生的原因多是由于基片内存在局部薄弱点，如层错、位错密度过高，光刻图形边缘不整齐，扩散层表面存在合金点等。扩散条件的选择扩散层质量参数与扩散条件密切相关。扩散条件选择合适，才可能获得质量合乎要求的扩散层。扩散条件包括扩散方法，扩散杂质源，扩散温度和时间。（1）扩散方法的选择扩散方法可以分为气-固扩散、液-固扩散和固-固扩散三种类型。其中气-固扩散又可分为闭管扩散、箱法扩散和气体携带法扩散；固-固扩散可分为氧化物源法和涂源法。■闭管扩散特点是把杂质源和将要扩进杂质的衬底片，密封于同一石英管内，因而扩散的均匀性、重复性较好，扩散时受外界影响少，在大面积深结扩散时常采用这种方法。由于密封，还能避免杂质蒸发。缺点是工艺操作繁琐，每次扩散后都要敲碎石英管，石英管耗费大。另外，每次扩散都要重新配源。扩散条件的选择■箱法扩散将源和衬底片（如硅片）同置于石英管内，这种方法只要箱体本身结构好，源蒸汽泄漏率恒定，仍然具有闭管扩散的优点，因而常用于集成电路中的埋层锑扩散。但它比闭管扩散前进了一步，不用每次敲碎石英管。■气体携带法扩散包括气态源、液态源和固态源三种。气态源（如B2H6、PH3）扩散，液态源（如POCl3,、B(CH3O)3扩散，不用配源，一次装源后可用较长的时间，且系统简单，操作方便，生产效率高。固态源扩散（如氮化硼片、磷钙玻璃片扩散法等），因为源片与硅片是交替平行排列，因而有较好的重复性、均匀性，适于大面积扩散。但源片易吸潮变质，不如液态源扩散优越。扩散条件的选择（2）扩散杂质源的选择对于硅器件平面工艺中的扩散，杂质源的选择主要应考虑：对所选择的杂质，SiO2掩模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（如杂质扩散便于控制、不同杂质的扩散系数大小搭配适当、已掺入的杂质在后续的热处理过程中杂质分布变化小）。作为扩散用的杂质源，还有其他方面的要求，如纯度高，杂质电离能小，使用方便、安全等。扩散条件的选择（3）扩散温度和扩散时间的确定①预淀积首先由所要求的表面浓度Ns1，从表面浓度-平均电导率的关系曲线查得相应的平均电导率，然后通过关系式，由所要求的结深算出RS1，再由式计算出相应的杂质总量Q，最后根据关系式，即可确定及D1和t1。若T1选定，D1也就确定了，于是t1就跟着确定了。温度选择时必须注意：所选定的温度，必须使它所对应的固溶度大于所要求的表面浓度，对于B、P、Sb等在硅中的固溶度，在900～1200℃范围内变化不大，因此，预淀积的温度最低可选取至900℃。111jSxR11SRqQ1112tDNQS扩散条件的选择②再分布：根据结深，如果再分布的温度选定了，则可求出相应的扩散时间t2。对于表面浓度较高和扩散结深较大的慢扩散杂质，在不影响p-n结性能及表面不出现合金点的前提下，可适当提