第7讲-氧化扩散与注入

微/纳制造工艺技术Microfabricationtechnology第七讲：氧化、扩散与注入董鹏乔大勇Outline基本理论12实验与操作设备结构及原理热氧化工艺氧化速率模型掺杂技术概述扩散浓度分布掺杂指标的测量注入射程分布扩散工艺退火及合金化工艺设备注意事项常见故障排除1、基本理论-氧化速率模型1、基本理论-氧化速率模型1、基本理论-氧化速率模型根据DealGroveModel，当氧化温度介于700摄氏度到1300摄氏度，炉膛压力为0.2Bar到1Bar之间，氧化厚度介于30nm和2000nm之间的湿法氧化和干法氧化，其氧化厚度与时间的关系如下：)(2τ+=+tBAddoo求解可得氧化层厚度和时间的关系：时间和氧化层厚度的关系是：−++=14/122BAtAdoτABdBdtoo/2+=1、基本理论-氧化速率模型当氧化时间较短，满足：有：函数的麦克劳林的展开式BAt4/2+τ))(/(0τ+≅tABd即氧化层厚度与时间成线性关系，故B/A称为线性速率常数（Linearrateconstant）；如果满足：BAtt4/&2τ则有Btd≅20即氧化层厚度与时间成抛物线关系，故B称为抛物线速率常数（Parabolicrateconstant）。1、基本理论-氧化速率模型线性速率常数B/A和抛物线速率常数B的计算公式分别为：湿法氧化：)93.1exp()108.5()/(7kTeVhrmABwet−×=µ)71.0exp()188(2kTeVhrmBwet−=µ干法氧化：)01.2exp()108.7()/(6kTeVhrmABdry−×=µ)21.1exp()665(2kTeVhrmBdry−=µ其中k为常数，大小为K为绝对温度（DegreesKelvin），计算的时候注意要把摄氏温度（DegreesCelsius）换算为绝对温度，即KeVk/10617.85−×=15.273+=ckTT1、基本理论-氧化速率模型诸多参考书籍给出了一定温度下对应的速率常数，表1是湿法氧化的速率常数，表2是干法氧化的速率常数。值得注意的是，采用上述计算得到的速率常数和表中所列稍有差异。同时，对于每台氧化炉，其速率常数存在差异，不能完全依赖公式，需要针对不同的氧化炉，经过多层试验之后，在公式计算的结果上进行修正表1湿法氧化的速率常数1、基本理论-氧化速率模型表2干法氧化的速率常数Homework1:使用前述的公式，计算在1150摄氏度时，于（100）硅片上干法生长1.2微米的氧化硅所需要的时间。Homework2:在1100摄氏度下，于(100)硅片上先进行30分钟干法氧化，再进行30分钟湿法氧化，求最终得到的氧化层厚度是多少。Homework3:在950摄氏度硅的湿法氧化过程中，得到数据如下表所示，请根据实验数据计算A和B的值。氧化时间(hour)0.110.300.400.500.60氧化厚度(微米)0.0410.1000.1280.1530.1771、基本理论-氧化速率模型氧化速率的计算可以在Internet上进行，参考网站：还有其它很多类似的网站，不过计算结果仅供参考，具体还要和不同的设备有关。1、基本理论-掺杂技术概述扩散和注入是两种主要的掺杂方法。对硅来讲，硼是常用的p型掺杂源，砷和磷是常用的n型掺杂源。这三种杂质源在800摄氏度到1200摄氏度的温度下，在硅中的固溶度都超过了5×1020/cm3。常用的扩散方法有固态源扩散（使用BN,As2O3和P2O5固态源片），液态源扩散（使用BBr3，AsCl3和POCl3液态源），乳胶源扩散（掺杂硼、磷和砷等的二氧化硅乳胶）和气态源扩散（使用B2H6，AsH3和PH3）。1、基本理论-掺杂技术概述1）对扩散来说，其深度方向上掺杂浓度从衬底表面到内部呈下降趋势，浓度分布主要由温度和扩散时间决定，一般用于形成深结；2）对注入来说，其深度方向上的掺杂浓度先上升，再下降，浓度分布主要由离子剂量，电场强度和衬底晶向决定的，一般用于形成浅结。1、基本理论-掺杂技术概述在高温下，衬底原子在其平衡晶格位置振动，有一部分衬底原子获得足够的能量而离开其晶格位置成为间隙原子，随之产生空位1）当相邻的衬底原子或杂质原子迁移到空位位置时，称这样的扩散为空位扩散。2）如果一个间隙原子从一处运动到另外一处而未占据晶格位置，称这种扩散为间隙扩散。两种扩散机理(a)空位扩散(b)间隙扩散一般情况下，硼、磷、砷和锑等物质的扩散是空位式扩散，而金、银、铜和铁等重金属杂质的扩散则是间隙扩散。扩散运动是一种微观粒子的热运动，只有当存在浓度梯度时，这种热运动才能形成。扩散运动其实是十分复杂的运动，只有当杂质浓度和位错密度低时，扩散运动才可以用恒定扩散率情况下的菲克扩散定律(Fick’sLaw)来描述为xtxCDJ∂∂−=),(JxtxC∂∂),(Dx0=xt其中是单位时间内杂质原子通过单位面积的扩散量；是掺杂浓度梯度；是杂质扩散系数,是扩散深度(Diffusiondepth，在硅表面，是扩散时间，负号表示扩散方向与浓度增加方向相反，即沿着浓度下降的方向。其中，扩散系数既可以查得，又可以采用下式计算：kTEaeDD−=01、基本理论-扩散浓度分布在公式中kTEaeDD−=00DKJ/10380658.123−×KeV/10617385.85−×aEaEaE是本征扩散系数或本征扩散率（Intrinsicdiffusivity），T是绝对温度，k是玻尔兹曼常数，为或是阿列纽斯激活能（ArrheniusActivationEnergy）。对于间隙扩散，一般是0.5~1.5eV，对于替位扩散，一般是3～5eV。硼，磷和砷的本征扩散系数见下表。因为扩散的机理至今没有一个精确的理论解释，不同参考书籍中给出的扩散系数也有差异，此处只给出符合本征扩散条件下的本征扩散系数和激活能，关于非本征扩散，此处不给予介绍。BPAsSbD0/(cm2s-1)0.763.8522.90.214Ea/ev3.463.664.13.651、基本理论-扩散浓度分布1、基本理论-扩散浓度分布常见杂质在硅中的扩散系数和温度的关系22xCDtC∂∂=∂∂为了求解菲克定律，需要一个初始条件和两个边界条件。根据初始条件和边界条件的不同，将扩散划分为两种杂质浓度分布的模型。其一是恒定表面浓度扩散（又叫恒定表面源扩散，Constantsurfaceconcentrationdiffusion）；其二是恒定杂质量扩散（又叫有限表面源扩散，Constanttotaldopantdiffusion）。1、基本理论-扩散浓度分布实际生产中的扩散温度一般为900～1200°C，在这样的温度范围内，常用杂质，如硼、磷、砷等在硅中的固溶度随温度变化不大，因而采用恒定表面浓度扩散很难得到低表面浓度的杂质分布形式。为了同时满足对表面浓度、杂质数量、结深以及梯度等方面的要求，实际生长中所采用的扩散方法往往是上述两种扩散方法的结合，也就是将扩散过程分为两大步完成，称为“两步扩散”，第一步叫做预淀积，属于恒定表面浓度，第二步叫做再分布（或叫“推进”）。属于恒定杂质量扩散）。预淀积是在较低的温度下，采用恒定表面浓度扩散方式，在硅片表面扩散一层数量一定，按余误差函数形式分布的杂质，由于温度较低，且时间短，杂质扩散得很浅，可认为杂质是均匀分布在一薄层内，其目的是为了控制扩散杂质的数量。再分布是将由预淀积引入得杂质作为扩散源，在较高温度下进行扩散。扩散得同时也进行氧化，其目的是为了控制表面浓度和扩散深度。在这一扩散中，杂质数量一定，只是在较高的温度下重新分布。1、基本理论-扩散浓度分布0),(,),0(,0)0,(=∞==tCCtCxCssC0=tsC恒定表面浓度扩散下的初始条件和边界条件为：其中，是表面浓度，其中，初始条件即时刻，任意深度的掺杂浓度为0。2）扩散开始后，任意时间硅片内部远离表面的的浓度都是0。此条件下对菲克定律进行求解，得到掺杂浓度分布的表达形式边界条件是：1）扩散开始后，任意时间硅片表面的浓度都是恒定的，为=DtxerfcCtxCs2),(erfcDt其中表示余误差函数，是扩散长度(Diffusionlength)。1、基本理论-扩散浓度分布余误差函数的一些性质：DtCDtCtQss)33.1(2)(≅=π−=DtxDtCdxdCs4exp2π根据余误差函数的性质可以计算出，单位面积上淀积于硅片表面的杂质总量为：掺杂浓度梯度是：1、基本理论-扩散浓度分布0),(,),(,0)0,(0=∞==∫∞tCSdxtxCxCS恒定杂质量扩散下的初始条件和边界条件为：其中，是单位面积上的掺杂杂质总量(Totaldopant或Dose)。此条件下对菲克定律进行求解，得到：−=DtxDtStxC4exp),(2π−−222)(exp21σµπσx符合高斯分布(GaussianDistribution）高斯分布取扩散深度为零，得到：DtStCsπ=)(即在恒定杂质量扩散中，表面浓度随着时间的增加而减小，而恒定表面浓度扩散中，表面浓度是恒定而与时间无关的。1、基本理论-扩散浓度分布),(2txCDtxdxdC−=Dtx2=掺杂浓度梯度是：浓度梯度在扩散深度为零和扩散深度为无穷大时皆为零。当扩散深度时，浓度梯度最大。余误差分布和高斯分布在微电子工艺中，通常采用双步扩散工艺。首先采用恒定表面浓度扩散在衬底上于较低的温度下淀积扩散层（预淀积），然后再采用恒定杂质量扩散在较高的温度下进行推进（再分布）。大多数情况下，预淀积的扩散长度要远远小于推进的扩散长度，可以将预淀积后的杂质浓度分布当作是衬底表面的脉冲函数(Deltafunction)。1、基本理论-扩散浓度分布电阻率和掺杂浓度的关系曲线1、基本理论-扩散浓度分布Homework4:在975°C下使用液态源对硅片进行磷扩散30分钟，硅片是电阻率为0.3欧姆·厘米的p型衬底，975°C下磷的扩散系数为10-13cm2s-1，固溶度是1021cm-3，请求解p-n结结深。Homework5:（1）衬底是磷掺杂的n型片，掺杂浓度是1017/cm3，在950°C下使用硼液态源对硅片进行15分钟的预扩散。950°C下硼的固溶度是3.8×1020/cm3，扩散系数D是1.5×10-15cm2/s；（2）预淀积之后，随后在1250°C进行1小时的推进扩散，在1250°C下硼的扩散系数是1.2×10-12cm2/s，请求解最终的结深。1、基本理论-扩散浓度分布1、基本理论-扩散浓度分布（a）气态源扩散，气态杂质源是最常用的，其优点是气瓶运输方便、气体纯度高、污染少。缺点是多数杂质气体有毒或剧毒，使用时需要非常小心。在通入杂质气体的同时，会用氮气稀释及与氧气反应形成含有杂质的氧化层充当杂质源。目前这种做法已经被应用于深亚微米器件的超浅节上，利用扩散热退火，将含在氧化层内的杂质扩散进硅衬底内，可以达到30nm的超浅节面，其反应式是：OHOBOHB23226233+→+∆OHCOOBCOHB232262366++→+∆↓+→+°BOSSOBiCi4332290032OHOPOPH25223342+→+∆↓+→+∆POSSOPii4652252硼扩：磷扩：1、基本理论-扩散浓度分布（b）液态源扩散：优点是设备简单，操作方便，工艺较成熟；扩散均匀性、重复性较好，p-n结均匀平整；成本低，生产效率高；缺点是扩散温度高，表面浓度不便于做大范围调节；污染较大；在各种器件，特别是高浓度磷扩散场合有应用。其反应式为：硼扩：磷扩：232236234rrBOBOBB+→+∆↓+→+°BOSSOBiCi4332290032↑+→+∆252236234ClOPOPOCl↓+→+∆POSSOPii46522521、基本理论-扩散浓度分布（c）固态源扩散：优点是扩散温度较低，操作简便，不需要盛源