《微电子工艺》第4章掺杂原理与技术.pptx

;TextbookandReferences;集成电路工艺流程;目标(Objectives);掺杂(doping)：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅中，并获得精确的杂质分布形状(dopingprofile)。;基本概念：结深xj(JunctionDepth)；薄层电阻Rs(SheetResistance)；杂质固溶度(Solubility);高温扩散：一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由高温的扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高温与扩散时间来决定。

离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注入能量决定。

扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，因为二者互补不足，相得益彰。例如，扩散可用于形成深结(deepjunction)，如CMOS中的双阱(twinwell)；而离子注入可用于形成浅结(shallowjunction)，如MOSFET中的漏极与源极。;杂质分布形状(dopingprofile)举例;结深的定义;薄层电阻RS(sheetresistance);方块时，l＝w，R＝RS。所以，只要知道了某个掺杂区域的方块电阻，就知道了整个掺杂区域的电阻值。

重要性：薄层电阻的大小直接反映了扩散到硅内部的净杂质总量

;物理意义：薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量

q电荷，?载流子迁移率，n载流子浓度

假定杂质全部电离，载流子浓度n=杂质浓度N则：

Q：从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量;杂质固溶度(dopantsolidsolubility);As在硅中的固溶度:2?1021cm-3

As的电学可激活浓度:2?1020cm-3;掺入的杂质必须是电活性的，能提供所需的载流子，使许多微结构和器件得以实现。掺杂的最高极限约1021atoms/cm3，最低1013atoms/cm3

;扩散原理：扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在约1000℃的高温、p型或n型杂质气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一种工艺方法，也叫热扩散。

固相扩散：扩散是一种自然现象，由物质自身的热运动引起。微电子工艺中的扩散是杂质在晶体内的扩散，因此是一种固相扩散。

扩散的微观机制：晶体内扩散是通过一系列??机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，有多种方式，最主要有：填隙式；替位式；填隙-替位式;;扩散;间隙式扩散(interstitial);填隙式(interstitialassistedkick-out)或推填式扩散(Interstitially-assisted);间隙原子;间隙式扩散：Au,Ag,Cu,Fe,Ni等;在温度T，单位晶体体积中的空位数

每一格点出现空位的几率为Nv/N，替位式原子必须越过的势垒高度为Es;Es约3?4eV

跳跃几率为

慢扩散杂质;Ea：本征扩散激活能，

D0和温度弱相关，主要取决于晶格几何尺寸和振动频率v0;D0(cm2/s)Ea(eV)

B 1.0 3.46

In1.23.50

P 4.70 3.68

As 9.17 3.99

Sb 4.58 3.88;右图为在硅和砷化镓中不同掺杂剂在低浓度时实测到的扩散系数。在一般情况下，扩散系数的对数值和绝对温度的倒数成线性关系。;扩散是微观粒子作无规则热运动的统计结果，这种运动总是由粒子浓度高的地方向浓度低的地方进行，而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。扩散的原始驱动力是体系能量最小化。;费克第一定律;费克第二定律

—浓度、时间、空间的关系;费克第二定律;特定边界条件下，扩散方程的解;2、恒定表面源扩散(constant-surface-concentration)：杂质原子由气态源传送到半导体表面，然后扩散进入半导体硅晶片，在扩散期间，气态源维持表面质浓度恒定为Cs;erfc(x)=1-erf(x);：称为特征扩散长度;3)杂质浓度梯度;37;3、有限源扩散(constant-total-dopant)：一定量的杂质淀积在半导体表面，接着扩散进入硅晶片内。杂质总量恒定为QT;2)扩散结深;相同表面浓度归一化后，两种分布的比较—瞬时间，二者相似;高斯函数分布;多步退火(推进)过程(Multipledrive-inprocess);二步扩散;因为;余误差函数分布(erfc);例题：CMOS中的p阱的形成。要求表面