IC工艺技术4-扩散和热氧化幻灯片.ppt

集成电路工艺技术讲座第四讲 扩散和热氧化 扩散和氧化－目录 扩散 扩散基本规律 扩散技术 扩散层的检测 热氧化 热氧化机理和规律 氧化膜性质及检测 氧化扩散工艺模拟 扩散 扩散工艺－－半导体制造中最基本的掺杂手段，高温下将杂质导入点阵，或形成一定分布，改变半导体导电性质． 双极IC的埋层，隔离，基区，发射区，MOS IC的阱，源漏都要用到扩散． 杂质导入方式 　从气态或液态化学源中扩散　　气相掺杂 　从掺杂氧化物或乳胶源中扩散　　固－固扩散 　离子注入　　然后退火，扩散 扩散基本理论 扩散方程 低浓度时扩散方程的解 扩散层薄层电阻 电场的影响 扩散的微观理论 扩散方程 j=-DdN/dx Fick 第一定律 扩散方程 ?N/?t= ?/?x(D?N/?x) Fick 第二定律 D（扩散系数）　一般是温度和浓度的函数，低浓度扩散时仅为温度的函数， 低浓度时的扩散系数 D=Do exp(-Eo/KT) 一定温度下为常数 低浓度时的扩散方程 　 ?N/?t=D ?2N/?x2 低浓度扩散（本征扩散） 低浓度扩散方程的解 常数扩散源 N(x,t)=NS erfc(x/2(2Dt)1/2) 低浓度扩散方程的解 有限扩散源 N(x,t)=Qo/(?Dt)1/2 exp[-(x/2(Dt)1/2)2] 高斯分布 扩散层的薄层（方块）电阻 扩散层的薄层（方块）电阻（续） 对n型样品 ?＝q?nn 杂质全部电离 ＝ q?nND 对p型样品 ?＝q?Pp q?nNA 一般ND， NA是位置函数 Rs, Xj, N(x)有以下关系： Rs＝1/?oxjq ?(x)[N(x)-NB]dx 电场的影响 杂质在晶体中电离成离子和电子，高浓度时，会产生一电场 E=KT/q d/dx[ln(ND/ni)] 存在电场时，杂质运动是扩散和漂移运动之和 J=-DdN/dx+?nE=f DdN/dx=Deff dN/dx f={1+[1+(2ni/ND)2]}-1/2 f=1-2 扩散的微观理论 间隙扩散和替代扩散 替代扩散和间隙扩散 替代扩散 　第3,4族元素，Al, B, As, Sb, P　 间隙扩散 　第1,8族元素，Na, K, H, He 间隙-替代扩散 　过渡元素，Au, Ag, Cu, Fe, Ni　 后二类杂质减少少子寿命，是重要沾污源 空位能带图 扩散系数和浓度有关 D=Dio[Vo]/ [Vo] i+Di+ [V+]/ [V+]I +Di- [V-]/ [V-]i+Di2- [V2-]/ [V2-]I [Vr]/ [Vr] I=(n/ni)r D=Dio +Di+ (p/ ni) +Di- (n/ni) + Di2- (n/ni)2 扩散实用规律 硅中杂质固溶度 高浓度扩散 　高浓度砷，硼扩散 　高浓度磷扩散 杂质在SiO2中的扩散 氧化增强扩散 　 硅中杂质固溶度 高浓度砷和硼扩散 高浓度砷扩散 D=fe[ Dio +Di- (n/nie)] 高浓度硼扩散 D=fe[ Dio +Di+ (p/nie)] 低浓度和高浓度砷扩散系数比较例 低浓度 D=1.6x10-15cm2/s 浓度1019cm3 D= (1.6+1.7)x10-15cm2=3.3x10 -15cm2 高浓度砷和硼扩散 Hu 表达式 D=Di(1+?Fv)/(1+ ?) 砷 fv= n/ni ?=100 硼 fv= p/ni ?=3 高浓度砷和硼扩散杂质分布 高浓度磷扩散 高浓度磷扩散 表面区 磷和中性及双电荷空位作用形 P+V--对 D=fe[Dio+Di2-(n/ni)2 中间区 离表面区后，杂质浓度降低，当靠近导带边下0.11ev， P+V--对解体，产生特征电子浓度ne(T) 尾巴区 由于P+V--对解体，硅点阵中空位增加，扩散系数增加 Dtail=fe{Do+D-ns3/ne2n[1+exp(0.3ev/KT)]} 杂质在SiO2中的扩散 氧化增强扩散 扩散技术 对扩散系统的要求 扩散源的选择 扩散设备 扩散工艺菜单 对扩散系统的要求 表面浓度可在宽的范围内控制，直到固溶度 重复性好，可控 均匀性好 少沾污 可处理大批量硅片 扩散源的选择 气相扩散 固体源　微晶玻璃，BN, Sb2O3 液体源　POCl3, HBr, 2POCl3+2O2-----P2O5+3Cl2 2P2O5+5Si-----5SiO2+