半导体-第十九讲-扩散工艺-p(1)

扩散工艺简介扩散原理扩散方程杂质原子的扩散扩散工艺简介扩散工艺是一种掺杂技术，它是将所需杂质按要求的浓度与分布掺入到半导体材料中，以达到改变材料电学性能，形成半导体器件的目的。以杂质原子或离子在硅中的扩散为主（P型杂质和N型杂质）。简介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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（deepjunction），如CMOS中的双阱（twinwell）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（shallowjunction），如MOSFET中的漏极和源极扩散机理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：0.6~1.2eV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依赖于温度间隙扩散机构图扩散机理替位式扩散定义：杂质离子占据硅原子的位杂质特点：III、Ⅴ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：间隙处势垒高度：0.6~1.2eV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6～7个数量级替位式扩散扩散方程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xtxCDJ),(]/)(exp[kTWWPsVovxtxCPaaPtaxCaPtaxCtxJvvv),(),2/(),2/(),(2oooaDkTEDD2)/exp(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，一般为3~4eV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x＋△x处的两个截面的流量差所造成tstxCttxCtsttxCtstxC)],(),([),(),(－tstxJtxxJtstxJtstxxJ)],(),([),(),(－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)),((),(xtxCDxttxC22),(),(xtxCDttxC杂质原子的扩散恒定表面源扩散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：)2()21(),(DtxerfcCDtxerfCtxCssx0ydye21x1x2erferfc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900~1200℃内，固溶度变化不大，可见很难通过改变温度来控制CsDtCdxtxCtQs02),()(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。BjCtxC）,(tDACCerfctDxSiOsBSiOj2212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。DtxseDtCtxxtxC4/2,),(sBsBxsxCCerfcCCerfcCxtxCjj12)exp(12),(有限表面源扩散定义：扩散之前在硅片表面淀积一层杂质，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：DtxeDtQtxC4/2),(DtQtC)t,0(C)(s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tDAxSiOj2),(2),(),(txCDtxxtxCtxBsBsjsxCCCCInxCxtxCj/)/(2),(两步扩散实际方法实际生产中的扩散温度一般为900~1200℃，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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D1t1D2t2，高斯分布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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。二维扩散实际扩散在掩蔽层的边缘，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－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－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。扩散工艺－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