半导体工艺原理—扩散掺杂工艺(2013.5.20)(贵州大学)

1微电子工艺--定域掺杂工艺掺杂之扩散工艺2本章重点扩散机理：三种扩散机构扩散方程：Fick定律，恒定源扩散（余误差分布），有限元扩散（高斯分布）扩散系数：主要影响因素扩散工艺：源、方法，工艺参数T，t；测量参数R□、Xj、Cs、Q参数3扩散扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在900-1200℃的高温，杂质（非杂质）气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，又称热扩散。目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型，电阻率，或形成PN结。4内容杂质扩散机构扩散系数与扩散方程扩散杂质的分布影响杂质分布的其他因素设备与工艺扩散工艺的发展5杂质扩散机构扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。当物质内有梯度(化学位、浓度、应力梯度等)存在时，由于热运动而触发(导致)的质点定向迁移即所谓的扩散。因此，扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式，结果使其浓度趋于均匀。6扩散的微观机制(a)间隙式扩散（interstitial）(b)替位式扩散（substitutional）间隙扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg替位扩散杂质：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前题B，P，一般作为替代式扩散杂质，实际情况更复杂，包含了硅自间隙原子的作用，称填隙式或推填式扩散7固相扩散工艺微电子工艺中的扩散，是杂质在晶体内的扩散，是固相扩散工艺。固相扩散是通过微观粒子一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，主要有三种方式间隙式扩散替位式扩散间隙—替位式扩散8间隙式扩散间隙原子扩散势场示意图Wi=0.6-1.2eV9按照玻尔兹曼统计规律，获得大于能过Wi的几率正比于exp(-Wi／kT)k：玻尔兹曼常数kT:平均振动能，0.026eVυ0：振动频率，1013-1014/skTWievP/0i跳跃率iP室温下，约每分钟一次。iP10替位式扩散产生替位式扩散必需存在空位。晶体中空位平衡浓度相当低，室温下，替位式扩散跳跃率约每1045年一次。eV430sv)/kTW(WvWWevPsνWs空位浓度kTWvNen/α11间隙-替位式扩散许多杂质即可以是替位式也可以是间隙式溶于晶体的晶格中，并以间隙-替位式扩散。这类扩散杂质的跳跃率随空位和自间隙等缺陷的浓度增加而迅速增加。12间隙-替位式扩散杂质原子被从晶格位置“踢出”(Kick-out)AVA+IAi13扩散系数与扩散方程晶体衬底中杂质扩散流密度与杂质浓度梯度成正比。比例系数D定义为杂质在衬底中的扩散系数。xxDJ)t,(CFick第一扩散定律14一、Fick第一定律稳定扩散：扩散质点浓度不随时间变化推动力：浓度梯度xJxC、00xJtC、描述：在扩散过程中，体系内部各处扩散质点的浓度不随时间变化，在x方向各处扩散流量相等。定律含义：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积上扩散的物质数量和浓度梯度成正比。15扩散过程中溶质原子的分布16xCD＝－JJ扩散通量，单位时间通过单位截面的质点数(质点数/s.cm2)D扩散系数，单位浓度梯度的扩散通量(m2/s或cm2/s)C质点数/cm3“－”表示粒子从高浓度向低浓度扩散，即逆浓度梯度方向扩散)(矢量浓度梯度xC表达式：17xCD＝－J此式表明：(1)扩散速率取决于外界条件C/x扩散体系的性质D(2)扩散系数D可作为表征扩散的一个参量。它不仅与扩散机构，也与扩散介质和外部条件(单位浓度梯度、单位截面、单位时间通过的质点数)有关。D取决于质点本身的性质：半径、电荷、极化性能等基质：结构紧密程度，缺陷的多少扩散系数是物质的一个物性指标18扩散系数（以替位式推导）D0为表观扩散系数ΔE为扩散激活能vP,taxaC2vP,taxaC2(cm2/s)ΔE/kT)(D)/kT]w(w[vaDPaDxC(x,t)PaP,taxaCP,taxaCJvsvvvv÷÷expexp220022219Si中杂质类型间隙式杂质主要是ⅠA和ⅧA族元素，有：Na、K、Li、H等，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率快。替位式杂质主要是ⅢA和ⅤA族元素，具有电活性，在硅中有较高的固浓度。以替位方式扩散为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。间隙—替位式杂质大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以间隙-替位方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。20根据杂质在晶体中的扩散系数分快扩散杂质：H，Li,Na,Cu,Fe,K,Au,He,Ag,慢扩散杂质：Al,P,B,Ga,Tl,Sb，As在高温工艺中，如扩散、外延，掺杂元素的扩散系数小些好21扩散系数22菲克第二定律当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改变时，利用第一定律不容易求出。通常的扩散过程大都是非稳态扩散，为便于求出，还要从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。讨论晶体中杂质浓度与扩散时间的关系，又称第二Fick定律。23第二扩散定律sdJJsJtsdxCxxDxJtCC22CCxDtdxJJ+dJSxx+dx24扩散杂质的分布扩散工艺是要将具有电活性的杂质，在一定温度，以一定速率扩散到衬底硅的特定位置形成pn结，或者得到所需的掺杂浓度。扩散工艺重要的工艺参数包括：①杂质的分布②表面浓度③结深④掺入杂质总量25恒定表面源扩散指硅一直处于杂质氛围中，硅片表面达到了该扩散温度的固溶度Cs。解扩散方程：边界条件为：C(0，t)=CsC(∞，t)=0初始条件为：C(x，0)=0，x0恒定表面源扩散杂质分布情况2sxCx,tCerfcDt22CCxDtxCBCsxj1xj2xj3C(x,t)t1t2t302sxCx,tCerfcDt26恒定表面源扩散erfc称为余误差函数。恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布，延长扩散时间：①表面杂质浓度不变；②结深增加；③扩入杂质总量增加；④杂质浓度梯度减小。DtADtsCCerfc2jxB14DtxeπDtsCx,txC(x,t)Dts1.13C0πDts2Cdxx,tCQ2结深杂质数量杂质浓度梯度27有限表面源扩散指杂质源在扩散前积累于硅片表面薄层h内，Q为单位面积杂质总量，解扩散方程：边界条件:C(x,0)=Q/h,0xhC(∞,t)=0初始条件：C(x,0)=0,xhXXj1Xj2Xj3CsCs’Cs”t1t2t3C(x,t)00,CQdxxDtxeDtQtxC42,CB0h有限表面源扩散杂质分布情况28有限表面源扩散有限源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。延长扩散时间：①杂质表面浓度迅速减小；②杂质总量不变；③结深增加；④杂质浓度梯度减小。DtQCs'C(x,t)2Dtx(x,t)xC(x,t)DtADtxBsj21'CCln2杂质浓度梯度杂质表面浓度结深29两步扩散预淀积（预扩散）低温，短时，恒定表面源扩散—杂质扩散很浅，杂质数量可控主扩散（再分布）高温，扩散同时伴随氧化—控制表面浓度和扩散深度30影响杂质分布的其他因素前面推导的杂质分布形式——理想化实际上理论分布与实际分布存在一定的差异主要是因为硅中掺杂原子的扩散，除了与空位有关外，还与硅中其它类型的点缺陷有密切的关系。氧化增强扩散发射区推进效应31硅中点缺陷空位V0、V+、V-、V2-自间隙I、替位杂质A，间隙杂质Ai间隙原子团AI；AV；(AI)-…32杂质原子与点缺陷的结合自间隙与杂质的结合可以促进扩散运动。如氧化时产生大量自间隙原子，AI团增大，导致扩散能力增加。33扩散系数与杂质浓度的关系扩散系数和空位成正比：D∝V实际空位：V=V0+V++V-+V2-+…kTEEiviennNN/)(00EcEvE2-E-E+0.11eV0.44eV0.06-0.16eV硅中空位的能带图)/kTE(EivicenpNN0034扩散系数与杂质浓度的关系硅衬底的掺杂浓度对杂质的扩散系数有影响，衬底掺杂浓度Ce比扩散温度下本征载流子浓度Ci高时(CeCi≈1019/cm3)，将使扩散系数显著提高，称之为场助扩散效应。本征扩散系数：非本征扩散系数：220020iiiiiiieiiiiiinnDnnDnpDDDDDDDDD35发射区推进效应也称为发射区陷落效应。B扩散的增强是由于磷与空位相互作用形成的PV对，发生分解所带来的复合效应。xbcδebnpn掺BP扩散掺P36氧化增强扩散(OED)硼在氧化气氛中的扩散存在明显增强现象，磷、砷也有此现象。原因是氧化诱生堆垛层错产生大量自填隙Si，间隙-替位式扩散中的“踢出”机制提高了扩散系数。氧化层B有限源扩散氮化物p-Sin-Si氮化物n-Si氧化层掺BCB1019O2I+BIB37氧化阻滞扩散锑扩散是以替位方式进行，氧化堆垛层错带来的自填隙硅填充了空位，减少了空位浓度。锑在氧化气氛中的扩散却被阻滞。氮化物n-Sip-Si氧化层氮化物p-Si氧化层Sb有限源扩散CB1019掺SbO238横向扩散横向扩散的线度是纵向扩散的0.75-0.85倍，浓度高时是纵向的0.65-0.7倍杂质横向扩散示意图杂质横向扩散示意图由于横向扩散作用，结包含一个中央平面区一个近似圆柱、曲率半径为rj的边如果扩散掩蔽层有尖锐的角，在这角处的结将因横向扩散而近似于圆球状。电场强度在圆柱和圆球结处较强，该处雪崩击穿电压将远低于有相同衬底掺杂的平面结处。41衬底其它影响因素与衬底材料、晶向及晶格完整性有关，有D（100）D（111）晶格缺欠越多，扩散速率也越大。42扩散设备与工艺扩散设备多是炉丝加热的热壁式扩散炉。和氧化炉相类似。根据扩散源的不同有三种扩散工艺：固态源扩散，液态源扩散，气态源扩散。选择源必需满足固溶度、扩散系数要求。选择好掩蔽膜。43固态源扩散扩散方式开管扩散箱式扩散涂源扩散固态源陶瓷片或粉体：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等石英管接排风阀和流量计载气铂源舟石英舟和硅片开管固态源扩散系统44液态源扩散液态源POCl3、BBr3、B(CH3O)3（TMB）接排风阀和流量计载气石英舟和硅片石英管温度控制池源瓶和液相源液相源扩散系统45气态源扩散气态源BCl3、B2H6、PH3、AsH3石英管接排风阀和质量流量计气源石英舟和硅片气态源扩散系统46一步工艺是惰性气氛下的恒定源扩散，杂质分布服从余误差函数；两步工艺分为预淀积（预扩散）、再分布（主扩散）两步。预淀积是惰性气氛下的恒定源扩散，目的是在扩散窗口硅表层扩入总量Q一定的杂质。再分布是氧气氛或惰性气氛下的有限源扩散，将窗口杂质再进一步向片内扩散，目的是使杂质在硅中具有一定的表面浓度Cs、分布C（x）、且达到一定的结深xj，有时还需生长氧化层。实际扩散工艺47NPN管的硼扩散原理2B2O3+3Si→4B+3SiO2选源固态BN源使用最多，必须活化活化：4BN+3O22B2O3+2N2特点B与Si原子半径相差较大，有伴生应力缺陷，能造成晶格损伤。硼在硅中的最大固溶度达4*1020/cm3，但浓度在1020/cm3以上有结团现象。工艺两部工艺，预淀积为恒定源扩散，用氮气保护，再分布有限源扩散，生长氧化层（干氧-湿氧-干氧）900-1100℃48B扩散工艺流程预淀积，一般预淀积温度较