电子科大《集成电路工艺》十七.pptVIP

第十七章 扩散和离子注入;17.1 引 言;掺杂原因：;半导体常用杂质;扩散: 是将一定数量和一定种类的杂质通过高温扩散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过程。 离子注入: 是在高真空的复杂系统中，产生电离杂质并形成高能量的离子束，入射到硅片靶中进行掺杂的过程。;掺杂方式;具有掺杂区的CMOS结构;17.1 引 言;亚微米CMOS IC 制造厂典型的硅片流程模型;17.2 扩散; 扩散原理 固溶度 扩散机构 扩散方式 扩散工艺 扩散效应;17.2.1 扩散原理;1100℃硅中的固溶度;在间隙位置被转移的硅原子;杂质原子在半导体中扩散的方式有两种： 间隙式扩散：间隙式杂质原子在晶格的间隙位置间运动。 替位式扩散：替位式杂质原子依靠周围空的格点（即空位）来进行扩散。 如对硅而言， Au、Ag、Cu、Fe、Ni 等半径较小的杂质原子按间隙式扩散； P、As、Sb、B、Al、Ga、In 等半径较大的杂质原子按替位式扩散。;间隙式扩散： 必须要越过一个高度为Ei为0.6~1.2eV的势垒 越过势垒的几率： 扩散系数：;替位式扩散： 只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位（势垒高度Ev），同时还需大于势垒高度Es 的能量，替位杂质才能运动到近邻空位上。 越过势垒的几率： 扩散系数：;17.2.3 杂质扩散机构;扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度保持不变 表面杂质浓度由该杂质在此温度下的固溶度决定： 边界条件1： N(0, t)= Ns 假定杂质在硅片内扩散的深度远小于硅片的厚度： 边界条件2： N(∞, t)= 0 在扩散开始时，硅片内没有杂质扩进，初始条件为： N(x, 0)= 0 x 0;x是由表面算起的垂直距离(cm)，t 代表扩散时间(s);? 在一定扩散温度下，表面杂质浓度Ns为由扩散温度下的固溶度决定。 ? 扩散时间越长，扩散温度越高，扩散进硅片内的杂质数量就越多。对单位面积的半导体而言，在t 时间内扩散到体内的杂质总量可求出：;扩散开始时，半导体表面杂质源总量一定，此种扩散称为有限源扩散。 假定扩散开始时硅表面单位面积的杂质总量为Q，且均匀地在一极薄的一层内（厚度h），杂质在硅片内要扩散的深度???大于h。 初始条件和边界条件为： N(x, 0)= 0， x h N(x, 0)= Ns= Q/h， 0 x ≤ h N(∞, t) = 0;有限源扩散，杂质分布为高斯分布;? 扩散时间越长，杂质扩散越深，表面浓度越低；扩散温度越高，杂质扩散得也越深，表面浓度下降得越多； ? 在整个扩散过程中，杂质总量Q保持不变。 表面杂质浓度可控，任何t 时刻的表面浓度为： 因此有限源扩散的杂质分布也可表示为：;? 结深为： ? 表面浓度Ns 与扩散深度成反比，扩散越深，则表面浓度越低；NB 越大，结深将越浅。 ;为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求，实际生产中常采用两步扩散工艺： 第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表面源扩散方式，其分布为余误差函数，目的在于控制扩散杂质总量； 第二步称为主扩散或再分布，将表面已沉积杂质的硅片在较高温度下扩散，以控制扩散深度和表面浓度。 激活：杂质原子与衬底原子形成共价键，成为替位式杂质。; ;磷的液态源扩散 三氯氧磷（POCl3）是普遍选用的液态源，无色透明液体，有毒，在室温下具有较高的蒸气压。磷的液态源扩散做为预扩散，其化学反应式： POCl3 → PCl5 ＋ P2O5 PCl5 ＋ O2 → P2O5 ＋ Cl2 POCl3 ＋ O2→ P2O5 ＋ Cl2 P2O5 ＋ Si → P ＋ SiO2 ;硼的涂源扩散 B2O3乳胶源是普遍选用的扩散源，该源无毒。通过旋转涂敷到硅片上，经过烘培除去有机溶剂然后进入高温炉进行预扩散。其化学反应式： B2O3 ＋ Si → B＋ SiO2;方块电阻(Rs:单位为 ?/?)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。 结深测量:磨角染色法, HF与0?1％HNO3的混合液，使p区的显示的颜色比n区深 方块电阻(Rs:单位为 ?/?): ;17.2.7 横向扩散;硼、磷杂质在SiO2－Si界面的分凝效应 在硼、磷杂质的再扩散中，总是要生长一定厚度的SiO2，杂质在SiO2－Si界面发生分凝效应，使杂质在SiO2和Si中重新分布，