第三章扩散案例.ppt

集成电路制造技术第三章 扩散;本章主要内容;关于掺杂;关于扩散;扩散掺杂示意;3.1 扩散机理;3.1.2 替位式扩散 ①定义--杂质原子从一个晶格点替位位置运动到另一个替位 位置。 前提--邻近格点有空位 ②势垒--与间隙式相反，势能极小在晶格位置，间隙处是势 能极大位置，必须越过一个势垒Ws。 跃迁几率： Pv= ν0 exp[-(Wv+Ws)/kT] Wv-形成空位所需的能量 ③杂质—半径与Si相近的原子，如B、P、As、Sb等。;3.2 扩散系数与扩散方程;3.2.2 扩散系数 D=D0 exp(-ΔE/kT) D0—表观扩散系数，既1/kT→ 0时的扩散系数 ΔE—激活能；间隙扩散： ΔE = Wi， 替位扩散： ΔE = Ws+ Wv D是描述粒子扩散快慢的物理量，是微观扩散的宏观描述。;D0、ΔE、T决定D D=D0 exp(-ΔE/kT) ①D与ΔE成反比 替位扩散： ΔE = Ws+ Wv ，能量高，慢扩散； 间隙扩散： ΔE = Wi，能量低，快扩散。 ② D与T成正比 a.高温扩散： T=800-1000℃ ； 例如，室温下Si中替位杂质要等1045 年才能跃迁一步。 b.精确控温：若ΔT=± 1 ℃，则ΔD=5%--10%。 ;硅中杂质的平均扩散系数;3.2.3 菲克第二定律—扩散方程 对Si平面工艺，扩散流近似沿垂直Si表面方向（x方向）,则 质量守恒：单位时间内，在相距dx的两个平面(单位面积）之间，杂质数的变化量等于通过两个平面的流量差，即 故 --扩散方程;3.3 扩散杂质的浓度分布;3.3.1 恒定表面源扩散 ;3.3.1 恒定表面源扩散;3.3.1 恒定表面源扩散;3.3.2 有限表面源扩散/恒定杂质总量  扩散(constant-total-dopant);3.3.2 有限表面源扩散/恒定杂质总量  扩散(constant-total-dopant);;3.3.3 两步扩散工艺;两步法的浓度分布： ①预淀积－－恒定源扩散，温度低，时间短，扩散浅。 目的:准确控制表面杂质总量Q。 ――余误差分布； ;②再分布（主扩散）—高温、深结 目的：达到所需的Ns和Xj a. 若D1t1 D2t2），再分布起决定作用，则 或 ―高斯分布 表面浓度 b.若 D2t2 D1t1 ，???扩散起决定作用，基本按余误差分布;§1 扩散;3.3.4 扩散掺杂过程;1）硅片清洗;7）掺杂氧化物淀积 --预淀积;实验结果：P、B、As等在氧化气氛中扩散增强。 ;氧化增强机理——替位-间隙交替的双扩散： Si-SiO2界面产生的大量间隙Si与替位B、P等相互作用 ，使替位B、P变为间隙B、P； B、P在近邻晶格有空位时以替位方式扩散，无空位时以间隙方式扩散；B、P的间隙扩散作用更强； 因此，其扩散速度比单纯替位方式快。 Sb的氧化扩散是减弱的：Sb是替位扩散为主，间隙Si 与空位复合，减小了空位浓度 As氧化增强低于B、P：替位-间隙两种扩散作用相当。;实验现象：NPN 管的工艺中，发射区下方的内基区B的扩散深度大于发射区外的基区扩散深度。 推进（陷落）机理： ① P+ + V-2 → P+V-2 P+V-2 → P+ + V- + e 大量过饱和V-扩散较远，深入基区，增强了B的扩散速度； ② P+V-2的分解导致大量的间隙Si，也增强了B扩散。;实际扩散：杂质在垂直Si表面扩散的同时，也进行平行Si表面的横向扩散。 ;横向扩散深度: ①当硅内的浓度比Ns小两 个数量级，为纵向扩散的 75%-85%。 ②高浓度掺杂，则为 纵向扩散的65%- 70%。;横向扩散的影响 ①ULSI的集成度减小：设计尺寸（如沟道长度L） 大于实际尺寸。 ②横向穿通效应 ;3.7 扩散工艺（自学）;3.7 扩散工艺; ②箱法：杂质源和Si片放在有盖的石英箱里。 特点：恒定表面源扩散，即