半导体集成电路第3部分

郑州大学电子科学与技术系2006年9月12日1扩散电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日2主要内容：一．费克扩散定律。二．常见杂质的扩散率。三．扩散分布的分析。四．扩散系统。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日3扩散•扩散是微电子工艺中最基本的工艺之一，是在约1000℃的高温、p型或n型杂质气氛中，使杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一种工艺方法，也称为热扩散。•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。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日4扩散机制•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。•杂质在半导体中的扩散是由杂质浓度梯度或温度梯度（物体中两相的化学势不相等）引起的一种使杂质浓度趋于均匀的杂质定向运动。•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。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日5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1.间隙式扩散2.替位式扩散3.间隙—替位式扩散电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日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电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日7间隙式扩散间隙原子扩散势场示意图Wi=0.6-1.2eV电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日8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。iP电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日9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/α电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日10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。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日11间隙-替位式扩散杂质原子被从晶格位置“踢出”(Kick-out)AVA+IAi电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日12杂质在半导体中的作用•对晶圆局部掺杂在半导体制程中必不可少。•向半导体中掺杂的方法有扩散和离子注入法。•扩散法是将掺杂气体导入放有硅片的高温炉，将杂质扩散到硅片内一种方法。•扩散的优点是批量生产，获得高浓度掺杂。•杂质扩散有两道工序：1.预扩散(又称预淀积Pre-deposition)2.主扩散(drivein)。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日13扩散工序•预扩散工序:在硅表面较浅的区域中形成杂质的扩散分布，这种扩散分布,硅表面杂质浓度的大小是由杂质固溶度来决定的。•主扩散工序:将预扩散时形成的扩散分布进一步向深层推进的热处理工序。杂质的扩散浓度取决于与温度有关的扩散系数D的大小和扩散时间的长短。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日14扩散工序(续)•硅集成电路工艺中，常采用硼作为P型杂质，磷作为N型杂质。•还使用砷和锑等系数小的杂质，这对于不希望产生杂质再分布的场合是有效的。•杂质扩散层的基本特性参数是方块电阻RF和扩散结果Xj。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日15杂质在晶圆中的分布常用杂质浓度为1017/cm3硅的原子浓度1022/cm3。万分之几分布深度远小于1%电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日16扩散结果测量•RF可用四探针测量法。•对于Xj：1.倾斜研磨（Anglelapping)和染色(staining)法，(如用HF:H3PO4=1:6使P层黑化)倾斜研磨后，经侵蚀的酸溶液蚀刻，将扩散后集积在晶片下半部的析出物凸显出来，显现出密度的轨迹，而在靠晶片的表面附近出现一段空泛区，经过角度换算，约20um。2.扩展电阻(spreadingresistance)法来进行评估。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日17一维费克扩散方程•存在浓度梯度时，任何一种可自由运动的材料都会再分布。•材料的移动趋向于将浓度梯度降低，起源是材料的随机热运动。•扩散运动的基本方程就是费克第一定律：xtxCDJ),(其中C是杂质浓度。D是扩散率。J是材料的净流量，单位是单位面积单位时间内流过的原子个数。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日18费克第二定律•实际应用中扩散流密度很难测量，引入费克第二定律。以便于测量其中的变量。J1J2dxAJ2流出体积元的流量J1流入体积元的流量连续方程可以表示为：xJxJJ12电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日19费克第二定律（续）•代入费克第一定律表达式有：22),(),(xtxCDxJttxC如果是三维各向同性介质，则有：),,,(),,,(2tzyxCDttzyxC电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日20扩散的原子模型将一个杂质原子插入到晶体，杂质原子可能落到晶格位置之间的一个填隙位置上。不能和本体材料键合的就是填隙型杂质。在晶格位置上取代了硅原子的杂质就是替代型杂质。替位型杂质P，B，As，Al，Ga，Sb，Ge填隙型杂质O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日21扩散的原子模型（续）•替位型杂质的移动直接交换式耗能多。空位交换式耗能较低，是扩散的主要机理之一。A：直接交换B：空位交换电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日22总扩散率4433224433220DnpDnpDnpDnpDnnDnnDnnDnnDDiiiiiiii在高掺杂浓度的扩散，电子或者空穴的浓度就等于杂质的浓度。对于低掺杂浓度的扩散，衬底中存在过量的载流子（电子、空穴）时，相对的一种可以忽略。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日23本证载流子浓度和温度的关系TTEEeTnnggKTEiig202/2/30对于硅,Ni0，Eg0，α，β分别为7.3E15cm-3,1.17eV,0.000463eV*K,636K对于GaAs,Ni0，Eg0，α，β分别为4.2E14cm-3,1.52eV,0.000541eV*K,204K电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日24激活能和常数值D是施主杂质A是受主杂质I是替位杂质中性空位的杂质的扩散率可以用表示。其中是激活能，是与晶格振动频率和晶格结构相关的常量。中性空位的扩散率0aE00DKTEaeDD/0000电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日25填隙扩散机制填隙型硅原子取代了一个替位型杂质原子的位置，将替位型杂质原子推到填隙位置上。在杂质原子回到替位位置之前，它从该填隙位置扩散一段距离。只有空位扩散时，才会发生填隙扩散，硼、磷杂质依靠此两种扩散机制扩散。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日26挤出机制和Frank-Turnbull机制杂质通过填隙快速扩散。杂质回到晶格位置有两种方式：1.挤出机制，杂质原子取代了硅原子的位置。2.Frank-Turnbull机制，填隙杂质被空位俘获。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日27费克定律的分析解•实际应用中不能把扩散系数认为是常数，需用数值方式对费克定律求解。•表面杂质源固定----预淀积扩散•进入晶圆中杂质数量一定----推进扩散•可以先预淀积再进行推进扩散。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日28扩散后浓度和深度的关系A预淀积扩散B推进扩散电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日29常见杂质的扩散率硼杂质：•浓度在1020cm-3以下的测量数据与本征扩散率一致。•直到浓度达到1020cm-3，扩散表达式中第一项起作用。•当浓度超过，不是所有硼原子都占据晶格位置，其中一些必须处于填隙位置，或者凝聚成团，导致扩散率急剧下降。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日30常见杂质的扩散率（续）高浓度硼扩散分布电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日31常见杂质的扩散率（续）•砷杂质：•砷在硅中通过中性空位和带单个负电荷的空位进行扩散。•扩散率较低，被选为N型杂质满足最小的杂质分布。•例：NMOS的源漏区扩散；多极晶体管的发射区扩散•低浓度的和中等浓度的砷扩散，利用本征扩散来描述•当浓度超过1020/cm3，砷易成团，导致高浓度扩散分布顶部平缓。•高温退火使聚团浓度和替位型砷浓度达到平衡。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日32常见杂质的扩散率（续）高浓度砷扩散分布电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日33常见杂质的扩散率（续）•磷杂质：•主要限于阱和隔离。•扩散分布曲线分为三个区域：高浓度区、低浓度区、转折区。•高浓度区，浓度不变，有两部分组成：中性的磷原子----中性空位交换扩散；磷离子和带两个负电荷的空位组成的离子空位对----空位对扩散。•转折区，电子浓度急剧下降，大部分离子空位对发生分解，未配对离子继续扩散，分解增强过剩空位浓度，提高了尾区扩散率。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日34常见杂质的扩散率（续）高浓度磷扩散分布电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日35常见杂质的扩散率（续）•锌杂质•对GaAs，杂质扩散取决于空位和填隙原子的带电状态，空位是镓空位还是砷空位。•对GaAs晶圆P型杂质用锌，N型杂质用硅。•锌的扩散有一个宽的平台区和陡降的尾区。•平台区的浓度受限于锌的固溶度。•锌扩散包含两部分：空位扩散、替位-填隙扩散。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日36锌杂质（续）•替位-填隙扩散速度快于空位扩散。其中锌以两种形式存在：带正电的填隙式离子Zn+，替位型离子Zn-。•Zn+，浓度低、扩散快。Zn-，通过中性空位交换，速度慢。•Zn+，遇到镓空位，被俘获，失去两个空穴，变成Zn-，扩散速度降低。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日37锌杂质（续）锌预沉积扩散电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日38锌杂质（续）•直到杂质浓度降低之前，扩散率很大，浓度降低，扩散率也降低，杂质分布边缘变陡。•由于镓空位多重带电，以及替位型离子和填隙型离子形成离子对，扩散曲线尾区出现转折现象。电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日39锌杂质（续）锌扩散模型与实验比较电子科学与技术系-----微电子2020年1月19日40常见杂质的扩散率（续）•硅杂质•硅是IV族元素，在GaAs中既可以是P型杂质，也可能是N型杂质。•两种晶格位置上硅原子浓度之差就是载流子浓度。•当原子浓度的差值比每一个分量小的时候，为高度补偿半导体。•通过相邻晶格位置上一对杂质原子与一对相邻的空位进行交换进行扩散。电子科学与技术系-