第三章：扩散

第三章扩散掺杂技术之一3.1引言扩散的本质：微观粒子（原子、分子等）一种普遍的热运动形式，运动的结果使浓度分布趋于均匀。为什么研究扩散？（形成PN结）硅中的杂质扩散：把一定种类和一定数量的杂质引入到硅或其它晶体中，以改变晶体的电学性质，并使引入的杂质数量和分布情况都满足要求的过程。扩散分类：气态、液态和固态三种，硅中的杂质扩散属于固态扩散杂质扩散机制：间隙式扩散，替位式扩散两种扩散目的：主要形成P－N结扩散是硅基集成电路的基础工艺之一3.2扩散原理■杂质扩散机制■扩散系数非克（Fick）第一定律：J—扩散粒子流密度—单位时间通过单位面积的粒子数C—扩散粒子的浓度（单位：粒子数/cm3）D—扩散系数—表征杂质扩散快慢的系数非克第一定律揭示了扩散的本质即浓度差越大，温度越高，扩散就越快。(,)(,)CxtJxtDx常用扩散杂质形成P型硅的杂质：B、Ga、Al（Ⅲ族元素）形成N型硅的杂质：P、As、Sb（Ⅴ族元素）IC制造中常用的杂质：B、P、As、SbB：硼、Ga：镓、Al：铝P：磷、As：砷、Sb：锑■杂质在硅和SiO2中的扩散特征硅中慢扩散杂质（扩散系数小）：B、As、Sb硅中快扩散杂质（扩散系数大）：P、Ga、Al在SiO2中扩散系数非常小的杂质：B、P、As、Sb在SiO2中扩散系数大的杂质：Ga、Al固溶度固溶度就是在一定的温度下，掺入杂质在硅中的最大浓度。表11100℃下硅中的固溶度杂质固溶度（atoms/cm3）硼（B）2.2×1020磷（P）1.1×1021砷（As）1.7×1021锑（Sb）5.0×1019铝（Al）1.8×1019硅的原子密度：5.0×1022/cm3扩散杂质的分布1.余误差函数分布（恒定表面源扩散属于此分布）其扩散方程：式中的erfc代表余误差函数22SS02(,)1ederfc2zDtzCztCCDt余误差函数分布的特点：a、杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变b、扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散进入硅片内的杂质总量就越多c、扩散时间越长，扩散温度越高，杂质扩散得越深2、高斯分布（有限源扩散属于此分布）其扩散方程：式中的QT为杂质总量24T(,)ezDtQCztDt高斯分布的特点：a、在整个扩散过程中，杂质总量保持不变b、扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深，表面浓度越低c、表面杂质浓度可控扩散的用途：形成P－N结二极管及三极管等（a）简单的二极管结构（b）简单的三极管结构方块电阻方块电阻的定义：长宽相等的扩散电阻，它与长宽大小无关。方块电阻通常用R□表示，单位为Ω/□。扩散电阻与方块电阻的关系：R＝ρ.L/W.Xj,当L=W时，R＝R□=ρ/Xj因此扩散电阻R＝R□.L/W方块电阻可以通过四探针测试仪测量。其中ρ为扩散层的平均电阻率方块电阻结深的定义杂质扩散浓度分布曲线与衬底掺杂浓度曲线交点的位置称为结深。结深公式的导出结深可由扩散方程N（xj,t）=NB导出。余误差函数分布和高斯分布的结深公式相同，但A值有区别。结深公式余误差分布高斯分布结深的测量结深可以通过磨角法、滚槽法测量方块电阻和结深是扩散的重要工艺参数，两个参数已知则扩散分布曲线也可确定下来。磨角染色法Xj＝L×tgθ横向扩散Xj横＝（0.75～0.85）Xj纵3.3扩散工艺扩散系统下图是液态源扩散系统两步扩散工艺常规深结（Xj≥２μｍ）扩散采用两步扩散第一步：预扩散或预沉积，温度一般较低（800℃~1100℃）、时间通常较短（10~40分）。此步扩散为恒定表面源扩散余误差分布第二步：再扩散或结推进，温度一般较高（1000℃~1250℃）、时间较长（大于60分），同时生长SiO2（此步已完成了杂质的电激活）此步扩散为有限表面源扩散高斯分布磷的液态源扩散（属于预扩散或预沉积）三氯氧磷（POCl3）是普遍选用的液态源，无色透明液体，有毒，在室温下具有较高的蒸气压。磷的液态源扩散做为预扩散，其化学反应式：POCl3→PCl5＋P2O5PCl5＋O2→P2O5＋Cl2POCl3＋O2→P2O5＋Cl2P2O5＋Si→P＋SiO2硼的涂源扩散（属于预扩散或预沉积）B2O3乳胶源是普遍选用的扩散源，该源无毒。通过旋转涂敷到硅片上，经过烘培除去有机溶剂然后进入高温炉进行预扩散。其化学反应式：B2O3＋Si→B＋SiO2硼、磷杂质在SiO2－Si界面的分凝效应掺入硼或磷杂质的硅片在氧化中，杂质在SiO2－Si界面两侧SiO2和Si中重新分布，这种现象称为分凝效应。分凝效应造成在硅中的硼杂质总量比磷损失的多，其现象俗称SiO2吸硼排磷。硼、磷杂质在SiO2－Si界面的分凝效应2SiSiOm杂质在中的平衡浓度分凝系数杂质在中的平衡浓度3.4扩散设备卧式扩散炉立式扩散炉立式炉系统扩散炉的组成1、工艺腔2、硅片传输系统3、气体分配系统4、温控系统5、尾气系统本章作业1.请描述硅中的杂质扩散2.硅中杂质扩散的目的是什么？