扩散工艺微电子学院微电子试验教学中心西安电子科技大学.ppt

第三章 扩 散 主 讲：毛 维 mwxidian@126.com 西安电子科技大学微电子学院 3.4 影响杂质分布的其他因素 3.4.1 硅中的点缺陷 缺陷：任何对周期晶格形成扰动都称为“缺陷”。 ①面缺陷：层错、多晶的晶粒间界等； ②线缺陷：位错等； ③点缺陷：杂质原子产生的缺陷，如空位、间隙、间隙 原子团。 空位缺陷：晶格上缺失一个Si原子。主要包括4种： ①中性空位V0 ②带一个负电荷的空位V- ③带两个负电荷的空位V-2 ④带一个正电荷的空位V+ 图3.13 硅中空位的能带图 3.4 影响杂质分布的其他因素 3.4.2 扩散系数与杂质浓度的关系 实验证明： ① 当Nni,D与N无关，称为本征扩散系数（Di）； ② 当Nni,D与N有关，称为非本证扩散系数（De）。 扩散系数与空位浓度成正比 空位浓度与掺杂浓度的关系： ①V0与N无关 ；②高掺杂施主可使V-和V-2浓度增加； ③高掺杂受主可使V+浓度增加。 各种空位以不同方式与离化的掺杂原子相互作用，从而具有不同的ΔE(激活能)和D。 3.4 影响杂质分布的其他因素 总的扩散系数 ①低掺杂（本征扩散系数） Di= Di0+ Di++ Di-+ Di2- ②高掺杂（非本征扩散系数） De= Di0+ Di+(p/ni)+ Di-(n/ni)+ Di2-(n/ni)2 ni-本征载流子浓度；p-空穴浓度；n-电子浓度 引自李乃平《微电子器件工艺》 3.4 影响杂质分布的其他因素 3.4.3 氧化增强扩散（OED） 实验结果：P、B、As等在氧化气氛中的扩散增强。 3.4 影响杂质分布的其他因素 3.4.3 氧化增强扩散（OED） 氧化增强机理——存在替位-间隙交替的双扩散： 在氧化过程中，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；间隙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。 B、P的扩散系数与晶向、气氛的关系 3.4 影响杂质分布的其他因素 3.4.4 发射区推进（陷落）效应 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(P扩散形成)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-扩散相当远，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。 npn晶体管硼和磷分布的计算结果与实测结果 3.4 影响杂质分布的其他因素 3.4.5 二维扩散（横向扩散） 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%。 3.4 影响杂质分布的其他因素 横向扩散的影响 ①横向穿通效应； ②影响结电容。 3.5 扩散工艺 按扩散系统：开管、闭管、箱法； 按杂质源：固态，液态，气态； 3.5 扩散工艺 3.5.1 固态源扩散 组成：主要是掺杂元素的氧化物，如B2O3、P2O5、BN 形态：片状、粉状、乳胶状、薄膜（掺杂的多晶硅） 扩散方式： ①开管: 片状和粉状，与Si平分开，不接触。 3.5 扩散工艺 3.5.2 液态源扩散 掺杂源：液态化合物，如POCl3、PCl3、AsCl3等。 方法：通过携带气体（N2）进入扩散炉； 特点：掺杂量控制精确，均匀性、重复性好。 3.5.3 气态源扩散 掺杂源：气态化合物，如PH3、AsH3、B2H6、BCl等； 毒性较大，需用N2、Ar2稀释到1%-2%。 特点：相比液态源扩散，操作更方便。 3.5 扩散工艺 3.5.4 杂质源 1. B掺杂源 固态：粉状B2O3 、BN；陶瓷片BN、 B2O3+SiO2+Al2O3