集成电路制造技术——原理与工艺（第3版）课件 第4章 扩散.pptx

集成电路制造技术集成电路制造技术JI CHENG DIAN LU ZHI ZAO JI SHU ——原理与工艺 扩散第四章 扩散JI CHENG DIAN LU ZHI ZAO JI SHU 4.1 扩散机构4.2 晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程4.3 杂质的扩散掺杂4.4 热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素4.5 扩散工艺条件与方法4.6 扩散工艺质量与检测4.7 扩散工艺的发展目 录CONTENTS 一、扩散机构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杂质定向运动。晶体内的扩散是通过微观粒子-原子的一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在三维方向进行；主要有替位式、填隙式、替位-填隙式三种方式只有当晶体中的杂质存在浓度梯度时才会出现净的杂质移动。温度的高低则是决定杂质粒子跳跃移动快慢的主要因素。 一、扩散机构1.1替位式扩散Ws格点出现空位的概率为：由于有热涨落，按照玻尔兹曼统计规律，杂质跳过势垒Ws的概率为：跳跃率：空位浓度αε硅中的替位杂质：替位式扩散只有在高温下才可能实现 一、扩散机构1.2填隙式扩散Wi=0.6~1.2eVε按照玻尔兹曼统计规律，能量大于Wi的几率正比于：exp(-Wi／kT)跳跃率：室温下，Pi≈1次/min；随着温度升高跳跃率指数增加。kT=0.026eV填隙式扩散速率远大于替位式扩散 一、扩散机构1.3填隙--替位式扩散多数杂质即可以是替位式也可以是填隙式溶于晶体，并以填隙-替位方式扩散。其跳跃率随空位、自填隙原子等缺陷浓度的增加而迅速增加。在单晶硅中，不同的杂质以不同方式扩散：Ⅲ、Ⅴ族杂质以替位式扩散为主，称慢扩散杂质，如B、P、Sb、As等；Ⅰ族杂质是填隙式扩散，称快扩散杂质，如Na、K、H等；大多数过渡元素是填隙-替位式扩散，如：Au、Fe、Cu、Pt、Ni等。 二、晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程2.1扩散基本特点 晶体中原子（或离子）以一定的对称性和周期性排列，其中的杂质原子与晶体原子的相互作用强，每一步迁移必须从热涨落中获取足够的能量以克服势垒，这限制了杂质原子迁移的方向和距离。 温度的高低，晶体的结构与缺陷浓度，杂质原子的大小和运动方式是决定杂质扩散运动的要主因素。 二、晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程2.2扩散方程1. Fick第一定律在单位时间内通过垂直于扩散方向单位面积上的扩散物质流量为扩散通量J，它与该截面处的浓度梯度成正比：SiSiO2xD -- 杂质在衬底中的扩散系数J单位为：kg/m2.s或个/cm2.s 二、晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程2.2扩散方程2. Fick第二定律 假设一段具有均匀横截面的长方形材料，考虑其中的小体积元Adx流入、流出的流量差为：AJ1J2dxx x+dx 非稳态扩散过程，任一位置的杂质浓度随扩散时间而变化，有： -- 扩散方程??? 集成电路制造技术集成电路制造技术JI CHENG DIAN LU ZHI ZAO JI SHU ——原理与工艺 杂质的扩散掺杂第四章 扩散 杂质的扩散掺杂JI CHENG DIAN LU ZHI ZAO JI SHU 杂质的扩散掺杂扩散工艺是要在硅片的特定位置，掺入所需浓度、分布并有电活性的杂质。由扩散方程可以计算出杂质浓度及分布等关键工艺参数，包括：杂质的分布函数 C(x);表面浓度Cs 结深xj掺入单位面积杂质总量Q 杂质的扩散掺杂 1恒定表面源扩散简称恒定源扩散，在整个扩散过程中硅片一直处于杂质氛围中，表面杂质浓度始终保持不变，表面杂质浓度达到了该扩散温度的固溶度Ns。初始条件为：边界条件为：C (0，t)=Cs=NsC (∞，t)=0erfc–余误差函数恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布可解得硅中杂质分布： 杂质的扩散掺杂 1恒定表面源扩散恒定源扩散的杂质浓度分布?N-SiSiO2P-Six0xj结深： 杂质的扩散掺杂 1恒定表面源扩散恒定源扩散的杂质浓度分布杂质总量：??杂质浓度梯度： 杂质的扩散掺杂 2限定表面源扩散 简称限定源扩散，指在扩散前杂质源积累于硅片表面薄层δ内，单位面积杂质总量Q为常量，在硅片外无杂质的环境氛围下进行的扩散。初始条件：边界条件：C(x,0)=Q/δ , 0xδ C(x,0)=0, xδC(∞,t)=0?限定源扩散杂质浓度服从高斯分布 三、杂质的扩散掺杂 2限定表面源扩散 限定源扩散的杂质浓度分布表面杂质浓度:结深:杂质浓度梯度: 三、杂质的扩散掺杂 2限定表面源扩散 限定源扩散的杂质浓度分布 三、杂质的扩散掺杂 3两步扩散工艺N-SiSiO2P-SixCsxjQ 两步扩散工艺