某工业大学微电子工艺基础掺杂技术.ppt

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1、第9章掺杂技术1第9章掺杂技术本章目标：1、熟悉掺杂技术的两种方式2、熟悉扩散掺杂的原理3、掌握离子注入相关概念及其原理4、熟悉离子注入的工艺流程5、了解离子注入系统的设备及其优点第9章掺杂技术一、扩散二、离子注入技术三、集成电路的形成第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理2、杂质在硅中的扩散3、扩散设备与工艺4、工艺质量检测第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在约1000℃的高温、p型或n型杂质气氛中，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，

2、也叫热扩散。第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式①固相扩散扩散是一种自然现象，由物质自身的热运动引起。微电子工艺中的扩散是杂质在晶体内的扩散，因此是一种固相扩散。第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式晶体内扩散是通过一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，有多种方式，最主要有：A填隙式扩散B替位式扩散C填隙-替位式扩散第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式A填隙式扩散第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式B替位式扩散第9章掺杂技术

3、一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式C填隙-替位式扩散许多杂质既可以是替位式也可以是填隙式溶于晶体的晶格中，并以填隙-替位式扩散。这类扩散杂质的跳跃速率随晶格缺陷浓度，空位浓度和杂质浓度的增加而迅速增加。第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程①第一扩散定律晶体衬底中杂质扩散流密度与杂质浓度梯度成正比，这是第一扩散定律，也称Fick第一定律。第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程①第一扩散定律第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程②第二扩散定律讨论晶体中杂质浓度与扩散时间关系，又称

4、Fick第二定律。第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程③影响扩散速率的因素A晶体内杂质浓度梯度；B环境温度；C杂质本身结构、性质；D晶体衬底的结构。第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（1）掺杂的目的（P218）A在晶圆表面下的特定位置处形成PN结（结合P218的图11.3-图11.5）；B在晶圆表面下得到所需的掺杂浓度；（结合P219同型掺杂）第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型①替位式杂质主要是III和V族元素，具有电活性，在硅中有较高的固溶度。多以替位方式扩散，扩散速率

5、慢，称为慢扩散杂质。第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型②填隙式杂质主要是I和Ⅷ族元素，Na、K、Li、H、Ar等，它们通常无电活性，在硅中以填隙式方式进行扩散，扩散速率快。第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型③填隙-替位式杂质大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以填隙-替位式方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程

6、的解①恒定源扩散恒定源扩散是硅一直处于杂质氛围中，硅片表面达到了该扩散温度的固溶度Ns。解扩散方程：NbNsxj1xj2xj3xNt1t2t3边界条件为：N（0，t）=Ns初始条件为：N（x，0）=0第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解①恒定源扩散NbNsxj1xj2xj3xNt1t2t3erfc称为余误差函数，所以恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布。第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解②限定源扩散限定源扩散是在整个扩散过程中，杂质源限定在扩散前积累于硅片表面薄层内的杂质总

7、量Q。第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解②限定源扩散XXjixj2xj3NsNs’Ns”t1t2t3边界条件：初始条件：解扩散方程：Nb第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解②限定源扩散限定源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。扩散过程中杂质表面浓度变化很大，但杂质总量Q不变。第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（3）实际扩散①场助扩散效应硅衬底的掺杂浓度对杂质的扩散速率有影响，衬底掺杂浓度高时这一影响将使扩散速率显著提高，称之为场助扩散效应。第9章掺杂技术一、扩散2、

8、杂质在硅中的扩散（3）实际扩散②横向扩散效应（P218）不管是扩散还是离子注入都会发生横向扩散现象，横向扩散的线度是纵向扩散的0.75-0.85倍。第9章掺杂技术一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源①液态源（参见教材P223）液态源通常是所需掺杂元素的氯化物或溴化物。例如：POCl3、BBr3选择源必需满足固溶度和扩散系数的要求