微细加工3扩散课件.ppt

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1、第3章扩散“扩散”是一种基本的掺杂技术。通过扩散可将一定种类和数量的杂质掺入硅片或其它晶体中，以改变其电学性质。掺杂可形成PN结、双极晶体管的基区、发射区、隔离区和隐埋区、MOS晶体管的源区、漏区和阱区，以及扩散电阻、互连引线、多晶硅电极等。在硅中掺入少量Ⅲ族元素可获得P型半导体，掺入少量Ⅴ族元素可获得N型半导体。掺杂的浓度范围为1014~1021cm-3，而硅的原子密度是5×1022cm-3，所以掺杂浓度为1017cm-3时，相当于在硅中仅掺入了百万分之几的杂质。掺杂技术的种类扩散离子注入中子嬗变3.1一维费克扩散方程本质上，扩散是微观粒子作不规则热运动的统计结果。这种运动总

2、是由粒子浓度较高的地方向着浓度较低的地方进行，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。浓度差越大，温度越高，扩散就越快。在一维情况下，单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子数，即扩散粒子的流密度J(x,t)，与粒子的浓度梯度成正比，即费克第一定律，式中，负号表示扩散由高浓度处向着低浓度处进行。比例系数D称为粒子的扩散系数，取决于粒子种类和扩散温度。典型的扩散温度为900℃~1200℃。D的大小直接表征着该种粒子扩散的快慢。将费克第一定律针对不同边界条件和初始条件可求出方程的解，得出杂质浓度N(x,t)的分布，即N与x和t的关系。上式又称为费克第二定律。假定杂质扩散系数D是与杂质浓度N无关

3、的常数，则可得到杂质的扩散方程代入连续性方程3.2扩散的原子模型杂质原子在半导体中进行扩散的方式有两种。以硅中的扩散为例，O、Au、Cu、Fe、Ni、Zn、Mg等不易与硅原子键合的杂质原子，从半导体晶格的间隙中挤进去，即所谓“填隙式”扩散；而P、As、Sb、B、Al、Ga、In等容易与硅原子键合的杂质原子，则主要代替硅原子而占据格点的位置，再依靠周围空的格点（即空位）进行扩散，即所谓“替位式”扩散。填隙式扩散的速度比替位式扩散快得多。其中Ea0、Ea-等代表扩散激活能，D00、D0-等代表与温度无关的常数，取决于晶格振动频率和晶格几何结构。对于替位式杂质，不同带电状态的空位将产

4、生不同的扩散系数，实际的扩散系数D是所有不同带电状态空位的扩散系数的加权总和，即式中，ni代表扩散温度下的本征载流子浓度；n与p分别代表扩散温度下的电子与空穴浓度，可由下式求得1、恒定表面浓度扩散式中，erfc代表余误差函数；称为特征扩散长度。由上述边界条件与初始条件可求出扩散方程的解，即恒定表面浓度扩散的杂质分布情况，为余误差函数分布，3.3费克定律的分析解边界条件1N（0,t）=NS边界条件2N（∞,t）=0初始条件N（x,0）=0在整个扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度NS始终保持不变。恒定表面浓度扩散的主要特点（1）杂质表面浓度NS由该种杂质在扩散温度下的固溶

5、度所决定。当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变；（2）扩散的时间越长，扩散温度越高，则扩散进入硅片内单位面积的杂质总量（称为杂质剂量QT）就越多；（3）扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深。扩散开始时，表面放入一定量的杂质源，而在以后的扩散过程中不再有杂质加入。假定扩散开始时硅片表面极薄一层内单位面积的杂质总量为QT，杂质的扩散长度远大于该层厚度，则杂质的初始分布可取为函数，扩散方程的初始条件和边界条件为这时扩散方程的解为中心在x=0处的高斯分布2、恒定杂质总量扩散恒定杂质总量扩散的主要特点（1）在整个扩散过程中，杂质总量QT保持不变；（2）扩散时间越长，扩散温度越

6、高，则杂质扩散得越深；（3）扩散时间越长，扩散温度越高，表面浓度NS越低，即表面杂质浓度可控。3、两步扩散恒定表面浓度扩散适宜于制作高表面杂质浓度的浅结，但是难以制作低表面浓度的结。而恒定杂质总量扩散则需要事先在硅片中引入一定量的杂质。为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求，实际生产中常采用两步扩散工艺：第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表面浓度扩散方式在硅片表面扩散一薄层杂质原子，目的在于确定进入硅片的杂质总量；第二步称为主扩散或再分布或推进扩散，在较高的温度下，采用恒定杂质总量扩散方式，让淀积在表面的杂质继续往硅片中扩散，目的在于控制扩散深度和表面

7、浓度。例如，双极晶体管中基区的硼扩散，一般采用两步扩散。因硼在硅中的固溶度随温度变化较小，一般在1020cm-3以上，而通常要求基区的表面浓度在1018cm-3，因此必须采用第二步再分布来得到较低的表面浓度。第一步恒定表面浓度扩散，淀积到硅片上的杂质总量为D2代表再分布温度下的杂质扩散系数，t2代表再分布时间。再分布后的表面杂质浓度为D1代表预淀积温度下的杂质扩散系数，t1代表预淀积时间，NS1代表预淀积温度下的杂质固溶度。若预淀积后的分布可近似为δ函数，则可求出再分布后的杂质浓度分布为还可