半導(dǎo)體制造工藝-07擴(kuò)散(上)

1、摻雜doping：將一定數(shù)量和一定種類的雜質(zhì)摻入硅中，并獲得準(zhǔn)確的雜質(zhì)分布外形doping profile。MOSFET：阱、柵、源/漏、溝道等BJT：基極、發(fā)射極、集電極等摻雜運(yùn)用：B E Cppn+n-p+p+n+n+BJTp wellNMOS1根本概念結(jié)深 xj Junction Depth薄層電阻 Rs Sheet Resistance 雜質(zhì)固溶度Solubility)2雜質(zhì)分布外形doping profile舉例31、結(jié)深的定義 xj : 當(dāng) x = xj 處Cx分散雜質(zhì)濃度= CB本體濃度 器件等比例減少k倍，等電場(chǎng)要求xj 同時(shí)減少k倍同時(shí) 要求xj 增大在現(xiàn)代COMS技術(shù)中，采

2、用淺結(jié)和高摻雜來(lái)同時(shí)滿足兩方面的要求42、薄層電阻 RSsheet resistance方塊電阻tlw薄層電阻定義為5方塊時(shí)，lw，RRS。所以，只需知道了某個(gè)摻雜區(qū)域的方塊電阻，就知道了整個(gè)摻雜區(qū)域的電阻值。RS：外表為正方形的半導(dǎo)體薄層，在電流方向呈現(xiàn)的電阻。單位為 /既RS：正方形邊長(zhǎng)無(wú)關(guān)其重要性： 薄層電阻的大小直接反映了分散 入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量6物理意義： 薄層電阻的大小直接反映了分散入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量 q 電荷， 載流子遷移率，n 載流子濃度 假定雜質(zhì)全部電離 載流子濃度 n = 雜質(zhì)濃度 N 那么： Q：從外表到結(jié)邊境這一方塊薄層中單位面積上雜質(zhì)總量 73、雜質(zhì)固溶度dopa

3、nt solid solubility固溶度solid solubility：在平衡條件下，雜質(zhì)能溶解在硅中而不發(fā)生反響構(gòu)成分凝相的最大濃度。電固溶度超越電固溶度的雜質(zhì)能夠構(gòu)成電中性的聚合物，對(duì)摻雜區(qū)的自在載流子不奉獻(xiàn)8As在硅中的固溶度: 21021 cm-3As的電學(xué)可激活濃度: 21020 cm-39分散的微觀機(jī)制(a) 間隙式分散interstitial(b) 替位式分散substitutional間隙分散雜質(zhì)：O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg替位分散雜質(zhì)：As， Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的運(yùn)動(dòng)普通是以近鄰處有空位為前題B，P，普通作為替位式分散雜質(zhì)，實(shí)踐情況更復(fù)雜，包含

4、了硅自間隙原子的作用，稱填隙式或推填式分散10填隙式 interstitial assisted kick-out)或推填式分散Interstitialcy-assited)11間隙原子推填子12間隙式分散： Au, Ag, Cu, Fe, Ni等 間隙原子必需越過(guò)的勢(shì)壘高度 Ei Ei 約為0.6 1.2 eV 騰躍幾率和溫度有關(guān) 振動(dòng)頻率010131014/s 快分散雜質(zhì)T：絕對(duì)溫度，k：玻爾茲曼常數(shù)13在溫度T，單位晶體體積中的空位數(shù) 每一格點(diǎn)出現(xiàn)空位的幾率為 Nv/N，替位式原子必需越過(guò)的勢(shì)壘高度為Es; Es 約3 4 eV 騰躍幾率為 慢分散雜質(zhì)替位式分散：B, P, As, Sb

5、等14Ea：本征分散激活能，D0和溫度弱相關(guān)，而主要取決于晶格幾何尺寸和振動(dòng)頻率v0表觀分散系數(shù)：Ea 小，間隙分散Ea大，替位分散本征分散系數(shù)D：cm2/sec當(dāng)NA、NDni在一定溫度下時(shí)，稱為本征摻雜。15 D0(cm2/s) Ea(eV)B1.0 3.46In 1.2 3.50P4.70 3.68 As9.17 3.99Sb4.58 3.88半導(dǎo)體工藝中常用摻雜原子在單晶硅中的本征分散系數(shù)因子和激活能As的優(yōu)勢(shì)：小D，大固溶度16分散是微觀粒子作無(wú)規(guī)那么熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這種運(yùn)動(dòng)總是由粒子濃度較高的地方向濃度低的地方進(jìn)展，而使得粒子的分布逐漸趨于均勻。分散的原始驅(qū)動(dòng)力是體系能量最小化。

6、分散的宏觀機(jī)制diffusion from a macroscopic viewpoint分散動(dòng)力學(xué)17費(fèi)克第一定律C 為雜質(zhì)濃度number/cm3)，D 為分散系數(shù)cm2/s。式中負(fù)號(hào)表示分散是由高濃度處向低濃度處進(jìn)展的濃度有著負(fù)斜率，分散朝著x的正向進(jìn)展?jié)舛壬疃萾1t218費(fèi)克第二定律濃度、時(shí)間、空間的關(guān)系t 時(shí)間內(nèi)該小體積內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)目變化為這個(gè)過(guò)程中由于分散進(jìn)出該小體積的雜質(zhì)原子數(shù)為單位體積內(nèi)雜質(zhì)原子數(shù)的變化量等于流入和流出該體積元的流量差A(yù)19費(fèi)克第二定律由假定 D為常數(shù)分散方程20特定邊境條件下，分散方程的解1、穩(wěn)態(tài)時(shí)，濃度不隨時(shí)間變化有如氧化劑在SiO2中的分散212、恒定外表源

7、分散：外表雜質(zhì)濃度恒定為Cs初始條件： C(x,0)=0, x0邊境條件： C(0,t)=Cs C(,t)=0實(shí)踐工藝中，這種工藝稱作“預(yù)淀積分散。即氣相中有無(wú)限量的雜質(zhì)存在，可以保證在分散外表的雜質(zhì)濃度恒定。解方程，得恒定分散方程的表達(dá)式 C(x, t) 為某處t時(shí)的雜質(zhì)濃度Cs 為外表雜質(zhì)濃度，取決于某種雜質(zhì)在硅中的最大固溶度erfc 稱作“余誤差函數(shù)22erfc(x) = Complementary Error Function = 1 - erf(x)余誤差函數(shù)性質(zhì)：對(duì)于x123：稱為特征分散長(zhǎng)度1摻雜總量為A和Cs/CB有關(guān)D與溫度T是指數(shù)關(guān)系,因此T對(duì)結(jié)深的影響要較t大許多2分散結(jié)

8、深為xj ，那么243雜質(zhì)濃度梯度梯度遭到Cs、t 和D即T的影響。改動(dòng)其中的某個(gè)量，可以改動(dòng)梯度，如添加CsAs。在p-n結(jié)處CB和Cs一定時(shí)，xj 越深，結(jié)處的梯度越小。25余誤差函數(shù)分布預(yù)淀積分散分散時(shí)間越長(zhǎng)，雜質(zhì)分散間隔越深，進(jìn)入襯底的雜質(zhì)總量越多。恒定外表源的分散，其外表雜質(zhì)濃度Cs 根本由雜質(zhì)在分散溫度9001200 C下的固溶度決議，而固溶度隨溫度變化不大。t1 t2 t3t1t2t3CB263、有限源分散：雜質(zhì)總量恒定為QT在整個(gè)分散過(guò)程中，預(yù)淀積的分散雜質(zhì)總量作為分散的雜質(zhì)源，不再有新源補(bǔ)充。如先期的預(yù)淀積分散或者離子注入一定量的雜質(zhì)，隨后進(jìn)展推進(jìn)退火時(shí)發(fā)生的高溫下分散。初始

9、條件：邊境條件：得到高斯分布CsDelta 函數(shù)272分散結(jié)深1外表濃度Cs隨時(shí)間而減少3濃度梯度在pn結(jié)處濃度梯度隨著分散深度結(jié)深添加而下降A(chǔ)隨時(shí)間變化28一樣外表濃度歸一化后，兩種分布的比較瞬時(shí)間，二者類似29高斯函數(shù)分布推進(jìn)(drive-in)退火分散分散時(shí)間越長(zhǎng)，分散越深，外表濃度越低。分散時(shí)間一樣時(shí)，分散溫度越高，外表濃度下降越多。用于制造低外表濃度的結(jié)和較深的p-n結(jié)。t1 t2 t3t1t2t3CB30多步退火推進(jìn)過(guò)程Multiple drive-in process當(dāng)分散系數(shù)一樣時(shí)，當(dāng)分散系數(shù)不同時(shí)，(Dt)eff 用來(lái)衡量分散過(guò)程的熱過(guò)程thermal budget由于分散系

10、數(shù)成指數(shù)隨溫度添加，因此熱過(guò)程主要由最高溫度下的分散來(lái)決議，別的一些步驟在決議分散總量時(shí)可以忽略。預(yù)淀積控制劑量恒定劑量推進(jìn)退火31二步分散第一步 為恒定外表濃度的分散Pre-deposition 稱為預(yù)堆積或預(yù)分散 控制摻入的雜質(zhì)總量第二步 為有限源的分散Drive-in，往往同時(shí)氧化 稱為主分散或再分布 控制分散深度和外表濃度32由于當(dāng) 時(shí)，最后的雜質(zhì)濃度分布為二步分散的兩種極端情況33余誤差函數(shù)分布erfc外表濃度恒定雜質(zhì)總量添加分散深度添加高斯函數(shù)分布Gaussian外表濃度下降(1/t )雜質(zhì)總量恒定結(jié)深添加關(guān)鍵參數(shù) Cs外表濃度 xj 結(jié)深 Rs薄層電阻34本節(jié)課主要內(nèi)容1、摻雜工藝普通分為哪兩步？結(jié)深？薄層電阻？固溶度？2、兩種特殊條件下的費(fèi)克第二定律的解及其特點(diǎn)？特征分散長(zhǎng)度？預(yù)淀積退火。預(yù)淀積：氣固相預(yù)淀積分散或離子注入。Rs