集成电路制造技术 西交大 工程硕士 扩散课件.ppt

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1、第5章扩散西安交通大学微电子学绪论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。氧化硅p+硅衬底掺杂气体N扩散区内容题要5.1扩散机构5.2晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程5.3杂质的扩散掺杂5.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素5.5扩散工艺条件与方法5.6扩散工艺质量与检测5.7扩散工艺的发展5.1扩散机构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

2、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）引起的一种使杂质浓度趋于均匀的定向运动。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。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

3、，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间隙式扩散间隙原子扩散势场示意图Wi=0.6-1.2eV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。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。Ws空位浓度α间隙-替位式扩散许多杂质即

4、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。5.2晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程固体中扩散的基本特点固体中明显的质点扩散需要较高的温度，通常选在低于固体的熔点的前提下，扩散温度尽可能的高些。晶体结构将以一定的对称性和周期性限制着质点每一步迁移的方向和自由行程。5.2.2扩散方程在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积上的扩散物质流量为扩散通量（Diffusionflux，kg/m2·s），用J表示。扩散通量其与该截面处的浓度梯度成正比。比例系数D定义为杂质在衬底中的扩散系数。Fick第一扩散

5、定律“－”表示粒子从高浓度向低浓度扩散，即逆浓度梯度方向扩散5-4菲克第二定律当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改变时，利用第一定律不容易求出。通常的扩散过程大都是非稳态扩散，为便于求出，还要从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。讨论晶体中杂质浓度与扩散时间的关系，又称Fick第二定律。Fick第二扩散定律dxJ1J2Axx+dx注：J1，J2分别为流入、流出该体积元的杂质流量假设一段具有均匀横截面A的长方条材料，考虑其中长度为的一小段体积则流入、流出该段体积的流量差在非稳态扩散过程中，在距离处，杂质原子浓度随扩散时间t的变化率如果扩散系数D与浓度无关，则由Fick第

6、一定律可得5.2.3扩散系数D0为表观扩散系数Ea为扩散激活能(cm2/s)Ea/kT)(D)/kT]w(w[vaDPaDxC(x,t)PaP,taxaCP,taxaCJvsvvvv-=+-==¶¶-=÷øöçèæ+-÷øöçèæ-=expexp2200222扩散系数(Diffusioncoefficient)D是描述扩散速度的重要物理量，它相当于浓度梯度为1时的扩散通量。（以替位式扩散推导）在低浓度下硅和砷化镓中各种掺杂剂杂质的实测扩散系数。同一杂质在相同温度下，在砷化镓中的扩散系数比在硅中要大的多。根据不同杂质在硅晶体中的扩散系数大小的不同，可将其分为：快扩散杂质：H，Li

7、,Na,Cu,Fe,K,Au,He,Ag,慢扩散杂质：Al,P,B,Ga,Ti,Sb，As在高温工艺中，如扩散、外延，掺杂元素的扩散系数希望越小越好。不同杂质在硅〈111〉面中的扩散系数5.3杂质的扩散掺杂扩散工艺是要将具有电活性的杂质，在一定温度，以一定速率扩散到衬底硅的特定位置，得到所需的掺杂浓度以及掺杂类型。两种方式：恒定表面源扩散和限定表面源扩散扩散工艺重要的工艺参数包括：①杂质的分布②表面浓度③结深④掺入杂质总量恒定表面源扩散恒定表面源是指在扩散过程中，硅片表面的杂质浓