1、Chap 3 扩散,杂质扩散机构 扩散方程 扩散杂质的分布 扩散工艺,杂质掺杂,掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触 磷(P)、砷(As) N型硅 硼(B) P型硅掺杂工艺：扩散、离子注入,扩散,扩散,70年代初期以前，杂质掺杂主要通过高温的扩散实现。 杂质原子通过气相源或氧化物源扩散或淀积到硅晶片的表面。 杂质浓度从表面到体内单调下降 杂质分布主要是由温度和扩散时间决定可用于形成深结（deep junction），如CMOS中的双阱（twin well）,离子注入,离子注入,从70年代初开始，掺杂的操作改由离子注入完成掺杂原子以离子束
2、的形式注入半导体内 杂质浓度在半导体内有峰值分布 杂质分布主要由离子质量和离子能量决定 用于形成浅结（shallow junction），如MOSFET中的漏极和源极,扩散机构,间隙式扩散 定义：杂质离子位于晶格间隙 杂质：Na、K、Fe、Cu、Au 等元素 势能极大位置：相邻的两个间隙之间 势垒高度Wi：0.61.2eV 间隙杂质的振动能在室温时，只有0.026eV；1200 时为0.13eV，因此间隙杂质靠热涨落越过势垒 跳跃率： Pi 依赖于温度,扩散机构,扩散机构,替位式扩散 定义：杂质离子占据硅原子的位 杂质特点：III 、族元素 相邻晶格上出现空位才好进行替位式扩散 势能极大位置：
3、间隙处 势垒高度：0.61.2eV 跳跃率： 近邻出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，Pv依赖于温度 间隙式扩散系数要比替位式扩散大67个数量级,扩散机构,菲克第一定律,扩散是微观粒子热运动的统计结果，当杂质存在浓度梯度时，出现宏观的扩散流。杂质由高浓度区向低浓度区移动，直至浓度趋于均匀，扩散流为零。实验表明：扩散流的大小，正比于杂质的浓度梯度。菲克第一定律: 如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度，则杂质将会产生扩散运动，而且杂质的扩散方向使杂质浓度梯度变小。,扩散系数,扩散系数,其中：V0代表振动频率Wv代表形成一个空位所需要的能量Ws代表替位杂质的势垒高度E为扩散激活能，对替位式杂质来说
4、，一般为34eV,扩散方程,扩散方程（菲克第二定律）,扩散方程,扩散方程（菲克第二定律） 经过t时间，体积元内的杂质变化量为体积元内杂质的变化，是由于在t时间内，通过x处和xx处的两个截面的流量差所造成,扩散方程,扩散方程（菲克第二定律） 假定体积元内的杂质不产生也不消失，上面两式应该相等，得到假设扩散系数D为常数（低浓度正确），得到,恒定表面源扩散,定义：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终不变的扩散边界条件和初始条件 C(0,t)=Cs ； C( ,t)=0； C(x ,0)=0, x0恒定表面源扩散的杂质分布：,恒定表面源扩散,恒定表面源扩散,杂质分布形式特点 在表面浓度Cs一定的情
5、况下，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。扩到硅内的杂质数量可用高为Cs，底为2 的三角形近似； 表面浓度Cs由杂质在扩散温度下的固溶度所决定。而在9001200 内，固溶度变化不大，可见很难通过改变温度来控制Cs,恒定表面源扩散,结深 如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的导电类型不同，则在两种杂质浓度相等处形成p-n结。 杂质浓度相等：结的位置：温度通过D对扩散深度和杂质分布情况的影响，同时间t相比更为重要。,恒定表面源扩散,杂质浓度梯度 任意位置P-n结处的杂质梯度在Cs和CB一定的情况下，p-n结越深，在结处的杂质浓度梯度就越小。,有限表面源扩散,定义：扩散之前在硅片表
6、面淀积一层杂质，在整个扩散过程中这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充 初始条件和边界条件 C(x ,0)=0,xh C( ,t)=0 C(x ,0)= Cs(0)=Q/h,0 x h 解得：,有限表面源扩散,有限表面源扩散,杂质分布形式特点 当扩散温度相同时，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，表面浓度就越低。 当扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散的就越深，表面浓度下降的也就越多 扩散过程中杂质量不变 表面杂质浓度可以控制，有利于制作低表面浓度和较深的p-n结。,有限表面源扩散,结深杂质浓度梯度 任意位置P-n结处得杂质梯度,两步扩散,实际方法 实际生产中的扩散温度一般为9001200 ，
7、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，因而采用恒定表面源扩散很难得到低浓度的分布形式。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，实际生产中往往采用两步扩散法,两步扩散 预扩散：在低温下采用恒定表面源扩散方式，控制扩散杂质的数量，杂质按余误差形式分布。 主扩散将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在较高温度下进行扩散。控制表面浓度和扩散深度。杂质按高斯形式分布。 分布形式： D1t1D2t2 , 余误差分布 D1t1 D2t2 ，高斯分布,两步扩散,3.4 影响杂质分布的其它因素,上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
8、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,氧化增强扩散（OED）,实验结果表明，与中性气氛相比： 杂质B在氧化气氛中的扩散存在明显的增强。B和P的增强现象比较明显 杂质As在氧化气氛中的扩散有一定强度的增强 杂质锑在氧化气氛中的扩散被阻滞 参考P78 图3.14,发射区推进效应,在npn窄基区晶体管制造中，如果基区和发射区分别扩B和扩P，则发现在发射区正下方（内基区）B的扩散深度，大于不在发射区正下方（外基区）B的扩散深度，该现象称为发射区推进效应，或发射区下陷效应。,发射区推进效应,二维扩散,实际扩散 在掩蔽层的边缘
9、，横向扩散与纵向扩散同时进行,二维扩散,实际扩散 低浓度扩散 假定：D与杂质浓度无关，横向扩散与纵向扩散都近似以同样方式进行 L横=75%85%L纵 高浓度扩散： D与杂质浓度相关，L横=65%70%L纵,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。,实际扩散区域大于窗口影响集成度,扩散工艺（1）固态源扩散,扩散物质：杂质的氧化物或其他化合物 通过惰性气体把杂质源蒸气输运到硅片表
10、面 温度决定固溶度，对浓度有直接影响,固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等,扩散工艺（2）液态源扩散,方法：携带气体经过源瓶，将杂质源蒸气（杂质化合物）带入扩散炉管内与硅反应，或分解后与硅反应。 条件： 源温控制在0 ，以保证稳定性和重复性 携带气体进行纯化和干燥，以防止杂质源水解而变质 特点：系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性和均匀性好，较常用。,利用液态源进行扩散的装置示意图,液态源扩散,扩散工艺（3）气态源扩散,方法：气态杂质源一般先在硅片表面进行化学反应生成掺杂氧化层，杂质再由氧化层向硅中扩散。 杂质源：多为杂质的氢化物或卤化物，毒性大易燃易爆。,稀释气体气态杂质源进行化学反应所需气体,各种杂质源,B的杂质源 大多数杂质源都是先分解或化合生成B2O3， B2O3再与表面Si反应产生B并向Si内扩散。P的杂质源 大多数P源都是经化学反应先生成P2O5， P2O5再与表面Si反应产生P并向Si内扩散。,
