半导体制造工艺_07扩散(上).ppt

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1、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+BJTpwellNMOS1基本概念结深xj（JunctionDepth）薄层电阻Rs（SheetResistance）杂质固溶度（Solubility)2杂质分布形状（dopingprofile）举例31、结深的定义xj:当x=xj处Cx（扩散杂质浓度）=CB（本体浓度）器件等比例缩小k倍，等电场要求

2、xj同时缩小k倍同时要求xj增大在现代COMS技术中，采用浅结和高掺杂来同时满足两方面的要求42、薄层电阻RS（sheetresistance）方块电阻tlw薄层电阻定义为5方块时，l＝w，R＝RS。所以，只要知道了某个掺杂区域的方块电阻，就知道了整个掺杂区域的电阻值。RS：表面为正方形的半导体薄层，在电流方向呈现的电阻。单位为/（既）RS：正方形边长无关其重要性：薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量6物理意义：薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量q电荷，载流子迁移率，n载流子浓度假定杂质

3、全部电离载流子浓度n=杂质浓度N则：Q：从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量73、杂质固溶度（dopantsolidsolubility）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。电固溶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8As在硅中的固溶度:21021cm-3As的电学可激活浓度:21020cm-39扩散的微观机制(a)间隙式扩散（interstitial）(b)替位式扩散（substitutional

4、）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，一般作为替位式扩散杂质，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10填隙式（interstitialassistedkick-out)或推填式扩散（Interstitialcy-assited)11间隙原子推填子12间隙式扩散：Au,Ag,Cu,Fe,Ni等间隙原子必须越过的势垒高度EiEi约为0.61.2eV跳跃几率和温度有关振动频率0＝1013～1

5、014/s快扩散杂质T：绝对温度，k：玻尔兹曼常数13在温度T，单位晶体体积中的空位数每一格点出现空位的几率为Nv/N，替位式原子必须越过的势垒高度为Es;Es约34eV跳跃几率为慢扩散杂质替位式扩散：B,P,As,Sb等14Ea：本征扩散激活能，D0和温度弱相关，而主要取决于晶格几何尺寸和振动频率v0表观扩散系数：Ea小，间隙扩散Ea大，替位扩散本征扩散系数D：cm2/sec当NA、ND

6、.173.99Sb4.583.88半导体工艺中常用掺杂原子在单晶硅中的本征扩散系数因子和激活能As的优势：小D，大固溶度16扩散是微观粒子作无规则热运动的统计结果，这种运动总是由粒子浓度较高的地方向浓度低的地方进行，而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。扩散的原始驱动力是体系能量最小化。扩散的宏观机制（diffusionfromamacroscopicviewpoint）扩散动力学17费克第一定律C为杂质浓度（number/cm3)，D为扩散系数（cm2/s）。式中负号表示扩散是由高浓度处向低浓度处进行的（浓度有着负斜率，扩散朝

7、着x的正向进行）浓度深度t1t218费克第二定律—浓度、时间、空间的关系Δt时间内该小体积内的杂质数目变化为这个过程中由于扩散进出该小体积的杂质原子数为单位体积内杂质原子数的变化量等于流入和流出该体积元的流量差A19费克第二定律由假定D为常数扩散方程20特定边界条件下，扩散方程的解1、稳态时，浓度不随时间变化有如氧化剂在SiO2中的扩散212、恒定表面源扩散：表面杂质浓度恒定为Cs初始条件：C(x,0)=0,x0边界条件：C(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

8、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”22erfc(x)=ComplementaryErrorFunction=1-erf(x)余误差函数性质：对于x<<1对于x>>123：