第三章扩散课件.ppt

* 第三章 扩 散 掺杂技术之一 3.1 引 言 扩散的本质：扩散是微观粒子（原子、分子等）一种普遍的热运动形式，运动的结果使浓度分布趋于均匀。 扩散：是将一定数量和一定种类的杂质掺入到硅或其它晶体中，以改变晶体的电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求的工艺过程。 扩散分类：气态、液态和固态三种。硅中的杂质扩散属于固态扩散 杂质扩散机制：间隙式扩散，替位式扩散两种 扩散是硅基集成电路的基础工艺之一。 3.2 扩散原理 ■ 杂质扩散机制 在间隙位置的杂质 杂质 空位 （a）间隙式扩散 （b）替位式扩散 ■ 杂质在硅中的扩散机制 ■ 杂质在硅和SiO2中的扩散特征 ● 硅中慢扩散杂质（扩散系数小）： B、 As、 Sb ● 硅中快扩散杂质（扩散系数大）： P、 Ga、 Al ● 在SiO2中扩散系数非常 小的杂质： B、 P、 As、Sb ● 在SiO2中扩散系数大的杂质：Ga、Al 固溶度 固溶度就是在一定的温度下，掺入杂质在硅中的最大浓度。 表1 1100℃下硅中的固溶度 杂 质 固溶度（atoms/cm3） 硼（B） 2.2×1020 磷（P） 1.1×1021 砷（As） 1.7×1021 锑（Sb） 5.0×1019 铝（Al） 1.8×1019 硅的原子密度：5.0×1022/cm3 扩散杂质的分布 1、余误差函数分布（恒定表面源扩散属于此分布） 其扩散方程： 式中的erfc 代表余误差函数 余误差函数分布的特点： a、杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变 b、扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散进入硅片内的杂质总量就越多 c、扩散时间越长，扩散温度越高，杂质扩散得越深 2、高斯分布（有限源扩散属于此分布） 其扩散方程： 式中的QT为杂质总量 高斯分布的特点： a、在整个扩散过程中，杂质总量保持不变 b、扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深，表面浓度越低 c、表面杂质浓度可控 扩散目的：主要形成P－N结 （a）简单的二极管结构 （b）简单的三极管结构 方块电阻 方块电阻就是长宽相等的扩散电阻，它与长宽大小无关。方块电阻通常用R□表示，单位为Ω/□。 扩散电阻与方块电阻的关系： R＝ρ.L/W.Xj , 当L=W时，R＝ R□ =ρ/Xj 因此扩散电阻R＝ R□.L/W 方块电阻可以通过四探针测试仪测量。 其中ρ为扩散层的平均电阻率 方块电阻 结深 杂质扩散浓度分布曲线与衬底掺杂浓度曲线的交点的位置称为杂质扩散的结深。由扩散方程N（xj , t）= NB导出。余误差函数分布和高斯分布的结深公式相同，但A值有区别。 结深公式 余误差分布 高斯分布 结深的测量 结深可以通过磨角法、滚槽法测量 方块电阻和结深是扩散的重要工艺参数，两个参数已知则扩散分布曲线也可确定下来。 磨角染色法 Xj ＝ L×tgθ 横向扩散 Xj横＝（0.75～0.85）Xj纵 3.3 扩散工艺 扩散系统 下图是液态源扩散系统 两步扩散工艺 常规深结（Xj≥２μｍ）扩散都采用两步扩散 ● 第一步：预扩散或预沉积，温度一般较低（980℃ 以下）、时间短（小于60分）。此步扩散为恒定表面源扩散余误差分布 ● 第二步：再扩散或结推进，温度一般较高（1200℃ 左右）、时间长（大于120分），同时生长SiO2 此步扩散为有限表面源扩散高斯分布 磷的液态源扩散 三氯氧磷（POCl3）是普遍选用的液态源， POCl3是无色透明液体，其熔点是2 ℃，沸点是105.3 ℃，具有窒息性气味，在室温下具有较高的蒸气压，有毒。磷的液态源扩散属于预扩散。 化学反应式： POCl3 → PCl5 ＋ P2O5 PCl5 ＋ O2 → P2O5 ＋ Cl2 POCl3 ＋ O2→ P2O5 ＋ Cl2 P2O5 ＋ Si → P ＋ SiO2 *