集成电路制造工艺之——扩散

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1、第三章扩散扩散是微观粒子(原子、分子等)运动的普遍的物理现象。扩散的动力是浓度的梯度，粒子从高浓度区向低浓度区进行热运动，使浓度分布趋于均匀。扩散是半导体掺杂的重要方法之一，扩散方法首先由Pfann在1952年提出来，广泛应用于集成电路中，形成晶体管的基极、发射极、集电极，电阻，MOS工艺中形成源极、漏极、互连引线等。硅集成电路工艺中，采用SiO2作为掩膜，进行选择性扩散。3.1、杂质扩散机构3.2、扩散系数与扩散方程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

2、散工艺的发展3.7、与扩散有关的测量主要内容3.1、杂质扩散机构杂质原子的扩散方式有以下几种：①交换式：两相邻原子由于有足够高的能量，互相交换位置。②空位式：由于有晶格空位，相邻原子能移动过来。③填隙式：在空隙中的原子挤开晶格原子后占据其位，被挤出的原子再去挤出其他原子。④在空隙中的原子在晶体的原子间隙中快速移动一段距离后，最终或占据空位，或挤出晶格上原子占据其位。以上几种形式主要分成两大类：①替位式扩散。②间隙式扩散。常见元素在硅中的扩散方式扩散方式杂质替位：空位式移动P,Sb,Al,Ga,A

3、s替位：填隙式移动B,P,As间隙：间隙式移动O替位：间隙式移动Au杂质在硅中的固溶度：在给定温度下的最大杂质浓度P在硅中的扩散曲线B在硅中的扩散曲线多晶硅中的杂质扩散在多晶硅薄膜中进行杂质扩散的扩散方式与单晶硅中的方式是不同的，因为多晶硅中有晶粒间界存在，所以杂质原子主要沿着晶粒间界进行扩散。主要有三种扩散模式：①晶粒尺寸较小或晶粒内的扩散较快，以至从两边晶粒间界向晶粒内的扩散相互重叠，形成如图A类分布。②晶粒较大或晶粒内的扩散较慢，所以离晶粒间界较远处杂质原子很少，形成如图B类分布。③与晶粒

4、间界扩散相比，晶粒内的扩散可以忽略不计，因此形成如图C类分布。所以多晶扩散要比单晶扩散快得多，其扩散速度一般要大两个数量级。间隙式扩散间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质。以间隙形式存在于硅中的杂质，主要是那些半径较小、不容易和硅原子键合的原子。间隙式扩散：间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置的运动称为间隙式扩散。间隙式杂质在硅晶体中的扩散运动主要是间隙式扩散。对间隙杂质来说，间隙位置是势能极小位置，相邻的两个间隙之间是势能极大位置。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

5、势垒，势垒高度Wi一般为0.6~1.2eV。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。温度越高，间隙杂质的跳跃率越高，间隙式扩散越容易。间隙杂质的热振动频率为0，根据玻尔兹曼统计分布，热涨落获得能量大于Wi的几率正比于exp(-Wi/kT)，则得到间隙杂质的跳跃率（每秒的跳跃次数）为替位式扩散如果替位杂质的近邻没有空位．则替位杂质要运动到近邻晶格位置上，就必须通过互相换位才能实现。这种换位会引起周围晶格发生很大的畸变，需要相当大的能量，因此只有当替位杂质的近邻晶

6、格上出现空位，替位式扩散才比较容易发生。替位式扩散：替位杂质从一个晶格位置扩散到另一个晶格位置。对替位杂质来说，在晶格位置上势能相对最低，而间隙处是势能最高位置。与间隙杂质相同，替位杂质要从一个格点位置运动到近邻格点上，必须要越过一个势垒。势垒高度为Ws。替位杂质的运动比间隙杂质更为困难，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。平衡时单位体积的空位数为：N是单位体积内所含的晶格数，Wv代表形成一个空位所需要的能量。则每个格点上出现空位的几率为：根据玻尔

7、兹曼统计规律，替位杂质依靠热涨落跳过势垒Ws的几率为：替位杂质的跳跃率为出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，即：对硅中的替位杂质来说，Wv+Ws约为3~4eV3.2、扩散系数与扩散方程3.2.1菲克第一定律1855年，菲克(Fick)，提出描述物质扩散的第一定律。菲克第一定律：如果在一个有限的基体中杂质浓度C(x,t)存在梯度分布，则杂质将会产生扩散运动，杂质的扩散流密度J正比于杂质浓度梯度C/x，比例系数D定义为杂质在基体中的扩散系数。扩散流密度的一维表达式为：扩散流密度J定义为单位时间通

8、过单位面积的杂质(粒子)数。D是扩散系数，D的单位为cm2/s。杂质的扩散方向是使杂质浓度梯度变小。如果扩散时间足够长，则杂质分布逐渐变得均匀。当浓度梯度变小时，扩散减缓。D依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等。首先在替位原子的势能曲线和一维扩散模型的基础上，来推导扩散粒子流密度J(x,t)的表达式。晶格常数为a，t时刻在(x-a/2)和(x+a/2)位置处，单位面积上替位原子数分别为C(x-a/2,t)*a和C(x+a/2,t)*a。单位时间内，替位原子由(x-a/2)处跳到(x+a/2处