1、2019/9/20,Chap 3 扩散工艺 Difussion,3.1杂质扩散机构 3.2扩散原理（扩散系数扩散方程） 3.3扩散杂质的分布 3.4影响杂质分布的其他因素 3.5扩散工艺 3.6扩散工艺的发展（自学） 3.7工艺控制和质量监测（补充）,2019/9/20,掺杂技术就是将所需要的杂质，以一定的方式（合金、扩散或离子注入等）加入到硅片内部，并使其在硅片中的数量和浓度分布符合预定的要求。利用掺杂技术，可以制作P-N结、欧姆接触区、IC中的电阻、硅栅和硅互连线等等。,2019/9/20,掺杂（doping）：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅中，并获得精确的杂质分布形状（doping p
2、rofile）。,MOSFET：阱、栅、源/漏、沟道等 BJT：基极、发射极、集电极等,掺杂应用：,p well,2019/9/20,基本概念,结深 xj （Junction Depth） 薄层电阻 Rs （Sheet Resistance ） 杂质固溶度（Solubility),2019/9/20,1、结深的定义xj : 当 x = xj 处 Cx（扩散杂质浓度）= CB（本体浓度）,器件等比例缩小k倍，等电场要求xj 同时缩小k倍 同时要求xj 增大,在现代COMS技术中，采用浅结和高掺杂来同时满足两方面的要求,2019/9/20,2、薄层电阻 RS（sheet resistance）,方
3、块电阻,t,l,w,薄层电阻定义为,2019/9/20,方块时，lw，RRS。所以，只要知道了某个掺杂区域的方块电阻，就知道了整个掺杂区域的电阻值。,RS：表面为正方形的半导体薄层，在电流方向呈现的电阻。单位为 /（既） RS：正方形边长无关,其重要性： 薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量,2019/9/20,物理意义： 薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量q 电荷， 载流子迁移率，n 载流子浓度假定杂质全部电离 载流子浓度 n = 杂质浓度 N 则：Q：从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量,2019/9/20,合金法是早期产生半导体器件常用的形成p-N结的
4、方法。自从硅平面技术问世以后，合金法已经被扩散法取代了。扩散技术是一种制作P-N结的好方法。随着集成电路的飞速发展，扩散工艺已日臻完善，其设备和操作也大多采用电子计算机进行控制了。,2019/9/20,扩散是微观粒子的一种极为普遍的热运动形式，运动结果使浓度分布趋于均匀。集成电路制造中的固态扩散工艺，是将一定数量的某种杂质掺入到硅晶体或其他半导体晶体中去，以改变电学性质，并使掺入的杂质数量、分布形式和深度等都满足要求。,2019/9/20,扩散是向半导体中掺杂的重要方法之一，也是集成电路制造中的重要工艺。目前扩散工艺已广泛用来形成晶体管的基极、发射极、集电极，双极器件中的电阻，在MOS制造中形
5、成源和漏、互连引线，对多晶硅的掺杂等。,2019/9/20,离子注入是目前VLSI优越的掺杂工艺。就目前我国生产集成电路来看，离子注入不能说完全代替了扩散工艺，但至少许多原来由扩散工艺所完成的加工工序，都已经被离子注入取代了，这是时代发展的必然结果。,2019/9/20,3.1 杂质扩散机构,杂质在硅晶体中的扩散机构主要有两种：1）间隙式扩散，（2）替位式扩散 一、间隙式扩散1、间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质。 主要那些半径较小、并且不容易和硅原子键合的原子，它们在晶体中的扩散运动主要是以间隙方式进行的。如下图所示。图中黑点代表间隙杂质，圆圈代表晶格位置上的硅原子。2、间隙式扩散：间隙式杂质
6、从一个间隙位置到另一个间隙位置上的运动。,2019/9/20,1,2,3,4,5,6,7,间隙杂质运动,2019/9/20,3、间隙杂质要从一个间隙位置运动到相邻的间隙位置上，必须要越过一个势垒，势垒高度Wi一般为0.61.2ev。 4、间隙杂质只能依靠热涨落才能获得大于Wi的能量，越过势垒跳到近邻的间隙位置上。 5、跳跃率：Pi=v0e-wi/kT温度升高时Pi指数地增加。振动频率010131014/s 6、Na、K、Fe、Cu、Au 等元素 7、扩散系数要比替位式扩散大67个数量级,2019/9/20,二、替位式扩散1、替位杂质：占据晶格位置的外来原子。2、替位式扩散：替位杂质从一个晶格位
7、置到另一个晶格位置上。只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位，替位杂质才能比较容易地运动到近邻空位上。运动如下图所示。3、替位杂质运动比间隙杂质更困难，首先要在近邻出现空位，同时还要依靠热涨落获得大于势垒高度Ws的能量才能实现替位运动。4、跳跃率Pv=v0e-(Ws+Wv)/kTWv表示形成一个空位所需能量。,2019/9/20,替位杂质运动,2019/9/20,、族元素；一般要在很高的温度(9501280)下进行；磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层。,2019/9/20,3.2 扩散原理（即扩散系数和扩散方程）,扩散是微观粒子作无规则
8、热运动的统计结果，这种运动总是由粒子浓度较高的地方向浓度低的地方进行，而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。扩散的原始驱动力是体系能量最小化。,扩散的宏观机制 （diffusion from a macroscopic viewpoint）,扩散动力学,2019/9/20,一. 扩散流方程,费克第一定律,C 为杂质浓度（number/cm3)，D 为扩散系数（cm2/s）。 式中负号表示扩散是由高浓度处向低浓度处进行的（浓度有着负斜率，扩散朝着x的正向进行）,2019/9/20,费克第二定律 浓度、时间、空间的关系,t 时间内该小体积内的杂质数目变化为这个过程中由于扩散进出该小体积的杂质原子数为,单位体积内杂质原子数的变化量等于流入和流出该体积元的流量差,A,2019/9/20,费克第二定律,由,假定 D为常数,扩散方程,2019/9/20,二. 扩散系数,2019/9/20,1.扩散系数与温度有关：如上图,D0：扩散率，E：扩散工艺激活能，k0：玻耳兹曼常数，T：绝对温度。,2019/9/20,2. 扩散工艺激活能E， 间隙扩散物质：如He, H2, O2, Au, Na, Ni, Cu, Fe。E在0.22.0eV之间 替位扩散物质：如B, As, P, Sb E 在 34 eV之间,3.扩散系数与衬底掺杂浓度有关,
