第九章(扩散)-14.pdf

第九章：扩散 Chapter 9: Diffusion 在集成电路制造领域，主要关注的材料都 不是单质，而是化合物或者掺杂的单晶材料。 例如：纯净的硅材料在器件中的作用不大，必 须通过掺杂调节其电特性才能实现在功能器件 上的应用。 大多数掺杂是所有类型的半导体器件必须 经历的工艺步骤之一，掺杂区域必须要有正确 浓度和尺寸，才能使器件正常工作。 掺杂是可以通过多种技术实现，在本部分 我们将介绍高温扩散、离子注入和快速热处理 工艺。 高温管炉内气相和液相原子扩散掺杂(大尺寸器 件、低的可控程度) 离子注入适合小尺寸器件的制造，具有(杂质数 量和分布)可控程度高的优点 快速热处理工艺的应用为将杂质扩散过程的再 分布效应尽可能减小提供了有效手段。 高温扩散 • 扩散定义：物质（原子，分子，离子）从高浓度 区域运动到低浓度区域的过程 • 高温下，固态杂质能够在硅晶格中扩散，穿越硅 晶格，形成扩散层 • 影响因素：温度，浓度，时间 • 工艺步骤：预沉积——推进——激活 Predeposition — Drive-in — Excitation 扩散掺杂示意图 硅原子密度： 5 ×1022个atoms/cm3 器件有源区域内常用 的杂质浓度: 5 ×1017个atoms/cm3 掺杂后存在随机热运 动，杂质原子会进行 再分布 结深度的定义 Definition of Junction Depth 杂质扩散的物理机制 杂质类型 (填隙型) (替位型) 杂质在晶格中的位置有两种形式： 第一种：填隙型，即杂质原子落在晶格位置之间的填隙位置 上，通常不容易和体材料键合的杂质原子形成的是填隙型杂 质。填隙型杂质扩散很快，通常对掺杂水平没有直接贡献。 第二种：替位型，杂质原子在晶格位置上取代了硅原子。 替位型杂质扩散的原子模型 空位交换模式 填隙扩散机制 替位型杂质扩散的原子模型1 空位交换模式 一个替位型杂质原子在硅晶体中移动，需要打断? 个 键，而如果相邻有一个空位，原子间的交换就会容易得多， 只需要打断? 个键。 因此空位交换模式是替位杂质的主要扩散机制之一。 替位型杂质扩散的原子模型2 填隙扩散机制 (推填型) 如果有一个填隙硅原子取代了杂质原子的位置，并 把杂质原子推到一个填隙位置上，杂质原子从填隙 位置迅速移动到另一个晶格位置，该晶格位置上的 硅原子被移开变成了一个填隙原子。 硅中的硼和磷这两种杂质往往同 时靠这两种机制进行扩散，哪一种扩 散机制占主导必须取决于工艺条件。 在考虑杂质的有效扩散率时，必须把 这两种扩散模式都考虑进去。 例子：硅中常见的杂质原子 填隙型：O, Au, Fe, Cu, Ni, Zn, Mg 替位型：P, B, As, Al, Ga, Sb, Ge 杂质扩散的理论描述 －－费克定律及其分析解 数学模型 杂质原子的浓度梯度分布 费克第一定律