半导体集成电路第3部分.ppt

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1、扩散2006年9月12日1主要内容：费克扩散定律。常见杂质的扩散率。扩散分布的分析。扩散系统。2扩散扩散是微电子工艺中最基本的工艺之一，是在约1000℃的高温、p型或n型杂质气氛中，使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，也称为热扩散。目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型，电阻率，或形成PN结。3扩散机制扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。杂质在半导体中的扩散是由杂质浓度梯度或温度梯度（物体中两相的化学势不相等）引

2、起的一种使杂质浓度趋于均匀的杂质定向运动。扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式，结果使其浓度趋于均匀。4固相扩散工艺微电子工艺中的扩散，是杂质在晶体内的扩散，是固相扩散工艺。固相扩散是通过微观粒子一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，主要有三种方式间隙式扩散替位式扩散间隙—替位式扩散5扩散的微观机制(a)间隙式扩散（interstitial）(b)替位式扩散（substitutional）间隙扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg替位扩散杂质

3、：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，一般作为替代式扩散杂质，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6间隙式扩散间隙原子扩散势场示意图Wi=0.6-1.2eV7按照玻尔兹曼统计规律，获得大于能过Wi的几率正比于exp(-Wi／kT)k：玻尔兹曼常数kT:平均振动能，0.026eVυ0：振动频率，1013-1014/s跳跃率室温下，约每分钟一次。8替位式扩散产生替位式扩散必需存在空位。晶体中空位平衡浓度相当低，室温下，替位式扩散跳跃率约每1045年一次。W

4、s空位浓度α9间隙-替位式扩散许多杂质即可以是替位式也可以是间隙式溶于晶体的晶格中，并以间隙-替位式扩散。这类扩散杂质的跳跃率随空位和自间隙等缺陷的浓度增加而迅速增加。10间隙-替位式扩散杂质原子被从晶格位置“踢出”(Kick-out)AVA+IAi11杂质在半导体中的作用对晶圆局部掺杂在半导体制程中必不可少。向半导体中掺杂的方法有扩散和离子注入法。扩散法是将掺杂气体导入放有硅片的高温炉，将杂质扩散到硅片内一种方法。扩散的优点是批量生产，获得高浓度掺杂。杂质扩散有两道工序：预扩散(又称预淀积Pre-deposition

5、 )主扩散( drive in )。12扩散工序预扩散工序:在硅表面较浅的区域中形成杂质的扩散分布，这种扩散分布,硅表面杂质浓度的大小是由杂质固溶度来决定的。主扩散工序:将预扩散时形成的扩散分布进一步向深层推进的热处理工序。杂质的扩散浓度取决于与温度有关的扩散系数D的大小和扩散时间的长短。13扩散工序(续)硅集成电路工艺中，常采用硼作为P型杂质，磷作为N型杂质。还使用砷和锑等系数小的杂质，这对于不希望产生杂质再分布的场合是有效的。杂质扩散层的基本特性参数是方块电阻RF和扩散结果Xj。14杂质在晶圆中的分布常用杂质浓度为

6、1017/cm3硅的原子浓度1022/cm3。万分之几分布深度远小于1%15扩散结果测量RF可用四探针测量法。对于Xj：倾斜研磨（Angle lapping)和染色(staining)法，(如用HF:H3PO4= 1:6使P层黑化)倾斜研磨后，经侵蚀的酸溶液蚀刻，将扩散后集积在晶片下半部的析出物凸显出来，显现出密度的轨迹，而在靠晶片的表面附近出现一段空泛区，经过角度换算，约20um。扩展电阻( spreading resistance)法来进行评估。16一维费克扩散方程存在浓度梯度时，任何一种可自由运动的材料都会再分布

7、。材料的移动趋向于将浓度梯度降低，起源是材料的随机热运动。扩散运动的基本方程就是费克第一定律：其中C是杂质浓度。D是扩散率。J是材料的净流量，单位是单位面积单位时间内流过的原子个数。17费克第二定律实际应用中扩散流密度很难测量，引入费克第二定律。以便于测量其中的变量。J1J2dxAJ2流出体积元的流量J1流入体积元的流量连续方程可以表示为：18费克第二定律（续）代入费克第一定律表达式有：如果是三维各向同性介质，则有：19扩散的原子模型将一个杂质原子插入到晶体，杂质原子可能落到晶格位置之间的一个填隙位置上。不能和本体材料

8、键合的就是填隙型杂质。在晶格位置上取代了硅原子的杂质就是替代型杂质。替位型杂质P，B，As，Al，Ga，Sb，Ge填隙型杂质O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg20扩散的原子模型（续）替位型杂质的移动直接交换式耗能多。空位交换式耗能较低，是扩散的主要机理之一。A：直接交换B：空位交换21总扩散率在高掺杂浓度的扩散，电子或者空穴的