哈工大微电子工艺3掺杂工艺.ppt

微电子工艺（3）

--定域掺杂工艺田丽1

第3章扩散扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在900-1200℃的高温，杂质（非杂质）气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，又称热扩散。目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型，电阻率，或形成PN结。2

内容3.1杂质扩散机构3.2扩散系数与扩散方程3.3扩散杂质的分布3.4影响杂质分布的其他因素3.5设备与工艺3.6扩散工艺的发展3

3.1杂质扩散机构扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。当物质内有梯度(化学位、浓度、应力梯度等)存在时，由于热运动而触发(导致)的质点定向迁移即所谓的扩散。因此，扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式，结果使其浓度趋于均匀。4

扩散的微观机制(a)间隙式扩散（interstitial）(b)替位式扩散（substitutional）间隙扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg替位扩散杂质：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前题B，P，一般作为替代式扩散杂质，实际情况更复杂，包含了硅自间隙原子的作用，称填隙式或推填式扩散5

固相扩散工艺微电子工艺中的扩散，是杂质在晶体内的扩散，是固相扩散工艺。固相扩散是通过微观粒子一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，主要有三种方式间隙式扩散替位式扩散间隙—替位式扩散6

间隙式扩散间隙原子扩散势场示意图Wi=0.6-1.2eV7

按照玻尔兹曼统计规律，获得大于能过Wi的几率正比于exp(-Wi／kT)k：玻尔兹曼常数kT:平均振动能，0.026eVυ0：振动频率，1013-1014/s跳跃率室温下，约每分钟一次。8

替位式扩散产生替位式扩散必需存在空位。晶体中空位平衡浓度相当低，室温下，替位式扩散跳跃率约每1045年一次。Ws空位浓度α9

间隙-替位式扩散许多杂质即可以是替位式也可以是间隙式溶于晶体的晶格中，并以间隙-替位式扩散。这类扩散杂质的跳跃率随空位和自间隙等缺陷的浓度增加而迅速增加。10

间隙-替位式扩散杂质原子被从晶格位置“踢出”(Kick-out)AVA+IAi11

3.2扩散系数与扩散方程晶体衬底中杂质扩散流密度与杂质浓度梯度成正比。比例系数D定义为杂质在衬底中的扩散系数。Fick第一扩散定律12

一、Fick第一定律稳定扩散：扩散质点浓度不随时间变化推动力：浓度梯度描述：在扩散过程中，体系内部各处扩散质点的浓度不随时间变化，在x方向各处扩散流量相等。定律含义：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积上扩散的物质数量和浓度梯度成正比。13

扩散过程中溶质原子的分布14

J扩散通量，单位时间通过单位截面的质点数(质点数/s.cm2)D扩散系数，单位浓度梯度的扩散通量(m2/s或cm2/s)C质点数/cm3“－”表示粒子从高浓度向低浓度扩散，即逆浓度梯度方向扩散表达式：15

此式表明：(1)扩散速率取决于外界条件?C/?x扩散体系的性质D(2)扩散系数D可作为表征扩散的一个参量。它不仅与扩散机构，也与扩散介质和外部条件(单位浓度梯度、单位截面、单位时间通过的质点数)有关。D取决于质点本身的性质：半径、电荷、极化性能等基质：结构紧密程度，缺陷的多少扩散系数是物质的一个物性指标16

扩散系数（以替位式推导）D0为表观扩散系数ΔE为扩散激活能(cm2/s)ΔE/kT)(D)/kT]w(w[vaDPaDxC(x,t)PaP,taxaCP,taxaCJvsvvvv-=+-==??-=÷???è?+-÷???è?-=expexp220022217

Si中杂质类型间隙式杂质主要是ⅠA和ⅧA族元素，有：Na、K、Li、H等，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率快。替位式杂质主要是ⅢA和ⅤA族元素，具有电活性，在硅中有较高的固浓度。以替位方式扩散为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。间隙—替位式杂质大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以间隙-替位方式