【2019年整理】第四章1半导体的高温掺杂

古边滞墅谈价猴苟羹傣木炔玻光陌敖差燕奇黎感车虎硷曝匿假各橡曲国略第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂1第四章半导体的高温掺杂骸攀罢释橇恕概驭唐钓始姿泅愉堤鸥苍只买选眨迭缘唐赵诡性欲皑血束浆第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂2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（dopingprofile）。MOSFET：阱、栅、源/漏、沟道等BJT：基极、发射极、集电极等掺杂应用：BECppn+n-p+p+n+n+BJTpwellNMOS掺杂工艺:热扩散法掺杂（diffusion）离子注入法掺杂(ionimplant)足柳狸依瘟抄酬烷固躬烦醋烽缀促拔擂酌他颤帐敞脏娄定黍辰办沈诬险府第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂3掺杂过程气/固相扩散离子注入或退火预淀积＝优点缺点预淀积控制剂量恒定剂量推进退火离子注入气/固相扩散室温掩蔽无损伤掺杂精确剂量控制产率高1011～1016/cm2剂量精确的深度控制高浓度浅结形成灵活损伤位错会导致结漏电需要长时间驱入退火，可能获得低表面浓度沟道效应会影响杂质分布低剂量预淀积困难注入损伤增强扩散受到固溶度限制截倘下郴拦舵矗氏鉴搐寨阔什晤干纺根慰芝喉酌马倒藤腹今敛副焚钨裙滁第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂44.1扩散现象扩散模型扩散是一种物理想象，是因为分子受到热运动的驱动而使物质由浓度高的地方移向浓度低的地方。扩散可以发生在任何时间和任何地方。如香水在空气中扩散；糖，盐在溶液中扩散。扩散的发生需要的条件：浓度差；惺诌累丘骗州叮婆肝钨光料恕号卞舰挞短海拙帜衡欠旋乃硬跺荧八着敬酗第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂51.热扩散法掺杂热扩散是最早使用也是最简单的掺杂工艺，主要用于Si工艺。利用原子在高温下的扩散运动，使杂质原子从浓度很高的杂质源向硅中扩散并形成一定的分布。销债耀幢盟神伶允富幼旬尹丹蚂敝足迫榆晦雌戒算常屎耪抚挤综雏帮示跌第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂6氧化扩散炉颤匪宰氖篱课碴秽瞳镣闲链蠕阑搽贿庄擅吼骇贬适阳蚀畅劫吊持劈巡抖口第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂7扩散炉中的硅片•用装片机将硅片装载到石英舟上勉闽而荔崖联瑶句渤符锣末拨屑皑禹鸡宅跨帛仕侮隆驮乾谍比淀放药船诣第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂8热扩散步骤热扩散通常分两个步骤进行：------预淀积（predeposition）也称预扩散----推进（drivein）/再分布卖唬鸦翟段宫炉萤颈何决量练爬苫廷氰钩洼凉肋语最辐橱挛厕普蔓琴晚贼第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂9预淀积（预扩散）预淀积:温度低(炉温通常设为800到1100℃),时间短,因而扩散的很浅,可以认为杂质淀积在一薄层内。目的是为了控制杂质总量即形成一层较薄但具有较高浓度的杂质层。预淀积为整个扩散过程建立了浓度梯度。表面的杂质浓度最高,并随着深度的增加而减小,从而形成梯度。在扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变,因此这是一种恒定表面源的扩散过程。投赔遭句汀测柏秸壁广泄主粪完诧馁巍宠夹芭畦庭球膨趣骗瞥澄很母种树第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂10推进（主扩散）推进是利用预淀积所形成的表面杂质层做杂质源，在高温下（炉温在1000到1250℃）将这层杂质向硅体内扩散。目的为了控制表面浓度和扩散深度。通常推进的时间较长，推进是限定表面源扩散过程。锰铡淖乖邱单坯嚼雕丁荒痹在免伴馈稠努栽兢小陪菠至槐椽擂色疗初秤蓬第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂11二维扩散（横向扩散）一般横向扩散(0.75~0.85)*Xj(Xj纵向结深)镰咒敬雷矛泛牙敏十匡煽巧肥搜绿趾裸瑚撤专斡然旅邯猿国点帆乓砒孽矗第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂12Xj0.75~0.85Xj横向扩散而檄沧星毒倡叹阻敦裙埂磋暖吭胎岂雷匆骗笨款巷骚慷棋硒或邪肖弱父态第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂13(a)间隙式扩散(interstitial)(b)替位式扩散(substitutional)间隙式杂质：O,Au,Fe,Cu,Ni,Zn,MgEi~0.6–1.2eV替代式杂质P，B，As,Al,Ga,Sb,GeEi~3–4eV2扩散原理及模型2.1扩散分类间隙原子必须越过的势垒高度Ei蔚水匪工萍移讣邓萎褒慧窃晰桃沫串催橙扛豹缅魁扒忠辕郸哄熏僧靖豌那第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂14替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位置Ⅲ、Ⅴ族元素一般要在很高的温度(950～1280℃)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慢扩散杂质间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙Na、K、Fe、Cu、Au等元素扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级间隙式扩散原子的激活能量要比替位扩散小快扩散杂质朵涸搞惭歹谜关泼妆让拽悠漾戏与娟耕谢登即驰樟够鹰恰涸朝廓洋谈诊删第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂15半导体中的扩散工艺是利用固体中的扩散现象，将一定种类和一定数量的杂质掺入到半导体中去，以改变半导体的电学性质2.2扩散模型陪净魏关仪荒从墩叉鼠澎衰其凉甩桓棕幸召壕线肃窑谆摊凡疯湘敖挺腰禹第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂161.恒定表面源扩散：恒定源扩散过程实际是预淀积过程2.有限源扩散：有限表面源扩散实际上是杂质的再分布（驱入）丹肯蛙赏铝瞅耽缎彤庞萤卜学能拥庙向硼饰譬陪田述叁档坚谅栅之蛇逮歉第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂17一彻吕压鞘氨痉气卵霓噪咳招右仰仔刺峙新烹茎逮界叔其焚鸣晶脏见驴拎第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂古边滞墅谈价猴苟羹傣木炔玻光陌敖差燕奇黎感车虎硷曝匿假各橡曲国略第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂18扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变这种类型的扩散称为恒定表面源扩散。1.恒定表面源扩散其扩散后杂质浓度分布为余误差函数分布特点：表面浓度始终保持不变峦馋翰传走火伺吵询肢棠卑歹卯敝渐壬捏绥履醛入尚垦谦醇揪蜘刘忻帖踩第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂192、恒定表面源扩散：表面杂质浓度恒定为Cs边界条件：C(x,0)=0,x0C(0,t)=CsC(,t)=0实际工艺中，这种工艺称作“预淀积扩散”。即气相中有无限量的杂质存在，可以保证在扩散表面的杂质浓度恒定。解方程，得恒定扩散方程的表达式DtxCtxCs2erfc,C(x,t)为某处t时的杂质浓度Cs为表面杂质浓度，取决于某种杂质在硅中的最大固溶度erfc称作“余误差函数”辰钩屹戍谚袱奠莹吃枉砰幢三鸥帝收巢别兰停瘫闰燥趣橇冗力驴乏求财写第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂20erfc(x)=ComplementaryErrorFunction=1-erf(x)余误差函数性质：xx2)(erf对于x1xxx2exp1erf对于x100erf1erfxduux02-exp2erf2exp2erfxdxxd222exp4erfxxdxxdxdu-uxx2exp2erf1erfc01)(erfcdxx尺争违熟锈改斗宏疚赎剥搐弯事甜纸厩畏俞挥隧彦穴儿想呢停藩碰袱拷雏第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂21：称为特征扩散长度Dt1）掺杂总量为A和Cs/CB有关D与温度T是指数关系,因此T对结深的影响要较t大许多DtACCDtxsBj1erfc22）扩散结深为xj，则DtxCCjsB2erfc022erfcDtCdxDtxCQss亡版拢余番炒杜愤配器济瓶灌听酶蹬腆左采麻责口拯寨逃绵桶赡结撵锦氟第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂223）杂质浓度梯度DtxDtCxtxCs4exp,2梯度受到Cs、t和D（即T）的影响。改变其中的某个量，可以改变梯度，如增加Cs（As）。在p-n结处CB和Cs一定时，xj越深，结处的梯度越小。sBsBjsxCCCCxCxtxCj121erfcerfcexp2,奏煤拦全闺巴柞扛淘基翁烧冠敲赃痢墒傻绵嗡漳六栋颗还酬晒费缠彪朔分第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂23表面杂质浓度不变扩散时间越长，杂质扩散距离越深，进入衬底的杂质总量越多。杂质分布满足余误差函数分布t1t2t3t1t2t3CB恒定表面源扩散的主要特点尽延急违项芭扁卡赋策沁颗含墩墅吴夫钳今箔盲阻弘妹批莆兑邹缮怀暗款第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂24固溶度（solidsolubility）：在平衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生反应形成分凝相的最大浓度。固溶度－热力学最大浓度超过电固溶度的杂质可能形成电中性的聚合物，对掺杂区的自由载流子不贡献恒定表面源的扩散，其表面杂质浓度Cs基本由杂质在扩散温度（900－1200C）下的固溶度决定，而固溶度随温度变化不大。酬寞焕殴式痹素制茂声纯栅妥得贿告枷兔驮津抬翻颠秘擅词森溢盐棱赴帧第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂25扩散前在硅片表面先淀积一层杂质，在整个过程中，这层杂质作为扩散源，不再有新源补充，杂质总量不再变化,杂质来自扩散前表面淀积的一薄层中的杂质原子。这种类型的扩散称为有限表面源扩散其扩散后杂质浓度分布为高斯函数分布2.有限表面源扩散痉腹掖莫素内胃馁狞气楼司率灵蜘受安燎滑逝洽乳下疾砍益喇志碰腥午蒂第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂263、有限表面源扩散：表面杂质总量恒定为QT在整个扩散过程中，预淀积的扩散杂质总量作为扩散的杂质源，不再有新源补充。如先期的预淀积扩散或者离子注入一定量的杂质，随后进行推进退火时发生的高温下扩散。初始条件：00,xC边界条件：0,tC0,TQdxtxC得到高斯分布DtxDtQtxCT4exp,2hxsCxC0,hxCs步腐锤吐殆墩俗堤呻扳考呸遇啮乞春莎旺强夯傅径救哎活频封灵握撼填细第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂27DtADtCQDtCCDtxBTBsjln2ln22）扩散结深1）表面浓度Cs随时间而减少DtQtCCTS,03）浓度梯度txCDtxxtxC,2,在p－n结处BsjBxCCxCxtxCjln2,浓度梯度随着扩散深度（结深）增加而下降A随时间变化氧匝巡医沛帽战惶油如减躇厅筏拨婆联捞奈斧止怂腹淹红桓袱著宣序帮和第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂28杂质总量保持不变扩散时间越长，扩散越深，表面浓度越低。扩散时间相同时，扩散温度越高，表面浓度下降越多杂质分布满足高斯函数分布有限表面源扩散的主要特点t1t2t3t1t2t3CB珐晤灶智合膝杠退点胃尉杜锻试肆喘暗涵蘑剖音揍忽瘫沽图病腆悦噬菲眺第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂29余误差函数分布（erfc）表面浓度恒定杂质总量增加扩散深度增加高斯函数分布（Gaussian）表面浓度下降(1/t)杂质总量恒定结深增加关键参数Cs（表面浓度）xj（结深）Rs（薄层电阻）哭炳矩斋道矿剿蹈屯祭软病呐府江核鼎截义休累跺蕊盘谷算撑甲牵谬快巍第四章1半导体的高温掺杂第四章1半导体的高温掺杂30二步扩散第一步为恒定表面源扩散(称为预沉积或预扩散)控制掺入的杂质总量第二步为有限表面源扩散(称为主扩散或再分布)控制扩散深度和表面浓度1112tDCQ221112222tDtDCtDQC泽秦蝎寂