半导体第十九讲扩散工艺p.ppt

杂质横向扩散示意图 杂质横向扩散示意图 由于横向扩散作用，结包含 一个中央平面区 一个近似圆柱、曲率半径为rj的边 如果扩散掩蔽层有尖锐的角，在这角处的结将因横向扩散而近似于圆球状。 电场强度在圆柱和圆球结处较强，该处雪崩击穿电压将远低于有相同衬底掺杂的平面结处。 实际扩散区域大于窗口影响集成度 扩散工艺－固态源扩散 扩散物质：杂质的氧化物或其他化合物 通过惰性气体把杂质源蒸气输运到硅片表面 温度决定固溶度，对浓度有直接影响 固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等 扩散工艺－液态源扩散 方法：携带气体经过源瓶，将杂质源蒸气（杂质化合物）带入扩散炉管内与硅反应，或分解后与硅反应。 条件： 源温控制在0 ℃ ，以保证稳定性和重复性 携带气体进行纯化和干燥，以防止杂质源水解而变质 特点：系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性和均匀性好，较常用。 扩散工艺－气态源扩散 方法：气态杂质源一般先在硅片表面进行化学反应生成掺杂氧化层，杂质再由氧化层向硅中扩散。 杂质源：多为杂质的氢化物或卤化物，毒性大易燃易爆。 稀释气体 气态杂质源进行化学反应所需气体 * 扩散工艺 简介 扩散原理 扩散方程 杂质原子的扩散 扩散工艺 简介 扩散工艺是一种掺杂技术，它是将所需杂质按要求的浓度与分布掺入到半导体材料中，以达到改变材料电学性能，形成半导体器件的目的。以杂质原子或离子在硅中的扩散为主（P型杂质和N型杂质）。 简介 掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触 磷(P)、砷(As) —— N型硅 硼(B) —— P型硅 掺杂工艺：扩散、离子注入 扩散 70年代初期以前，杂质掺杂主要通过高温的扩散实现。 杂质原子通过气相源或氧化物源扩散或淀积到硅晶片的表面。 杂质浓度从表面到体内单调下降 杂质分布主要是由温度和扩散时间决定 可用于形成深结（deep junction），如CMOS中的双阱（twin well） 离子注入 从70年代初开始，掺杂的操作改由离子注入完成 掺杂原子以离子束的形式注入半导体内 杂质浓度在半导体内有峰值分布 杂质分布主要由离子质量和离子能量决定 用于形成浅结（shallow junction），如MOSFET中的漏极和源极 扩散机理 间隙式扩散 定义：杂质离子位于晶格间隙 杂质：Na、K、Fe、Cu、Au 等元素 势能极大位置：相邻的两个间隙之间 势垒高度Wi：0.6~1.2eV 间隙杂质的振动能在室温时，只有0.026eV；1200 ℃时为0.13eV，因此间隙杂质靠热涨落越过势垒 跳跃率： Pi 依赖于温度 间隙扩散机构图 扩散机理 替位式扩散 定义：杂质离子占据硅原子的位 杂质特点：III 、Ⅴ族元素 相邻晶格上出现空位才好进行替位式扩散 势能极大位置：间隙处 势垒高度：0.6~1.2eV 跳跃率： 近邻出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，Pv依赖于温度 间隙式扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级 替位式扩散 扩散方程 菲克第一定律 扩散是微观粒子热运动的统计结果，当杂质存在浓度梯度时，出现宏观的扩散流。杂质由高浓度区向低浓度区移动，直至浓度趋于均匀，扩散流为零。实验表明：扩散流的大小，正比于杂质的浓度梯度。 菲克第一定律: 如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度，则杂质将会产生扩散运动，而且杂质的扩散方向使杂质浓度梯度变小。 扩散系数 其中：V0代表振动频率 Wv代表形成一个空位所需要的能量 Ws代表替位杂质的势垒高度 △E为扩散激活能，对替位式杂质来说，一般为3~4eV 扩散方程 扩散方程（菲克第二定律） 扩散方程 扩散方程（菲克第二定律） 经过△t时间，体积元内的杂质变化量为 体积元内杂质的变化，是由于在△t时间内，通过x处和x＋△x处的两个截面的流量差所造成 扩散方程 扩散方程（菲克第二定律） 假定体积元内的杂质不产生也不消失，上面两式应该相等，得到 假设扩散系数D为常数（低浓度正确），得到 杂质原子的扩散 恒定表面源扩散 定义：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终不变的扩散 边界条件和初始条件 C(0,t)=Cs ； C(∞ ,t)=0； C(x ,0)=0, x0 恒定表面源扩散的杂质分布： 恒定表面源扩散 恒定表面源扩散 杂质分布形式特点 在表面浓度Cs一定的情况下，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。