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1、第1頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四雜質(zhì)摻雜 摻雜:將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域中,以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì),形成PN結(jié)、電阻、歐姆接觸磷(P)、砷(As) N型硅硼(B) P型硅 摻雜工藝:擴(kuò)散、離子注入第2頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四擴(kuò)散第3頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四擴(kuò)散 70年代初期以前,雜質(zhì)摻雜主要通過高溫的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。雜質(zhì)原子通過氣相源或氧化物源擴(kuò)散或淀積到硅晶片的表面。雜質(zhì)濃度從表面到體內(nèi)單調(diào)下降雜質(zhì)分布主要是由溫度和擴(kuò)散時(shí)間決定 可用于形成深結(jié)(deep junction),如CMOS中的雙阱(t
2、win well)第4頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四離子注入第5頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四離子注入 從70年代初開始,摻雜的操作改由離子注入完成 摻雜原子以離子束的形式注入半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)濃度在半導(dǎo)體內(nèi)有峰值分布雜質(zhì)分布主要由離子質(zhì)量和離子能量決定用于形成淺結(jié)(shallow junction),如MOSFET中的漏極和源極第6頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四擴(kuò)散機(jī)構(gòu) 間隙式擴(kuò)散定義:雜質(zhì)離子位于晶格間隙雜質(zhì):Na、K、Fe、Cu、Au 等元素勢(shì)能極大位置:相鄰的兩個(gè)間隙之間勢(shì)壘高度Wi:0.61.2eV間隙雜質(zhì)的振動(dòng)
3、能在室溫時(shí),只有0.026eV;1200 時(shí)為0.13eV,因此間隙雜質(zhì)靠熱漲落越過勢(shì)壘跳躍率: Pi 依賴于溫度第7頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四擴(kuò)散機(jī)構(gòu)第8頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四擴(kuò)散機(jī)構(gòu)替位式擴(kuò)散定義:雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位雜質(zhì)特點(diǎn):III 、族元素相鄰晶格上出現(xiàn)空位才好進(jìn)行替位式擴(kuò)散勢(shì)能極大位置:間隙處勢(shì)壘高度:0.61.2eV跳躍率: 近鄰出現(xiàn)空位的幾率乘以跳入該空位的幾率,Pv依賴于溫度間隙式擴(kuò)散系數(shù)要比替位式擴(kuò)散大67個(gè)數(shù)量級(jí)第9頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四擴(kuò)散機(jī)構(gòu)第10頁,共40頁,2022年
4、,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四菲克第一定律擴(kuò)散是微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,當(dāng)雜質(zhì)存在濃度梯度時(shí),出現(xiàn)宏觀的擴(kuò)散流。雜質(zhì)由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng),直至濃度趨于均勻,擴(kuò)散流為零。實(shí)驗(yàn)表明:擴(kuò)散流的大小,正比于雜質(zhì)的濃度梯度。菲克第一定律:如果在一個(gè)有限的基體中存在雜質(zhì)濃度梯度,則雜質(zhì)將會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),而且雜質(zhì)的擴(kuò)散方向使雜質(zhì)濃度梯度變小。第11頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)其中:V0代表振動(dòng)頻率 Wv代表形成一個(gè)空位所需要的能量 Ws代表替位雜質(zhì)的勢(shì)壘高度 E為擴(kuò)散激活能,對(duì)替位式雜質(zhì)來說,一般為34eV第12頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)3
5、4分,星期四擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程(菲克第二定律)第13頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四擴(kuò)散方程 擴(kuò)散方程(菲克第二定律)經(jīng)過t時(shí)間,體積元內(nèi)的雜質(zhì)變化量為體積元內(nèi)雜質(zhì)的變化,是由于在t時(shí)間內(nèi),通過x處和xx處的兩個(gè)截面的流量差所造成第14頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四擴(kuò)散方程 擴(kuò)散方程(菲克第二定律)假定體積元內(nèi)的雜質(zhì)不產(chǎn)生也不消失,上面兩式應(yīng)該相等,得到假設(shè)擴(kuò)散系數(shù)D為常數(shù)(低濃度正確),得到第15頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四恒定表面源擴(kuò)散 定義:在整個(gè)擴(kuò)散過程中,硅片表面的雜質(zhì)濃度始終不變的擴(kuò)散 邊界條件和初始條件C
6、(0,t)=Cs ; C( ,t)=0; C(x ,0)=0, x0 恒定表面源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布:第16頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四恒定表面源擴(kuò)散第17頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四恒定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布形式特點(diǎn)在表面濃度Cs一定的情況下,擴(kuò)散時(shí)間越長,雜質(zhì)擴(kuò)散的就越深,擴(kuò)到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量也就越多。擴(kuò)到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量可用高為Cs,底為2 的三角形近似;表面濃度Cs由雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度下的固溶度所決定。而在9001200 內(nèi),固溶度變化不大,可見很難通過改變溫度來控制Cs第18頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四恒定表面源擴(kuò)散
7、結(jié)深如果擴(kuò)散雜質(zhì)與硅襯底原有雜質(zhì)的導(dǎo)電類型不同,則在兩種雜質(zhì)濃度相等處形成p-n結(jié)。雜質(zhì)濃度相等:結(jié)的位置: 溫度通過D對(duì)擴(kuò)散深度和雜質(zhì)分布情況的影響,同時(shí)間t相比更為重要。第19頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四恒定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度梯度任意位置P-n結(jié)處的雜質(zhì)梯度在Cs和CB一定的情況下,p-n結(jié)越深,在結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度就越小。第20頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四有限表面源擴(kuò)散定義:擴(kuò)散之前在硅片表面淀積一層雜質(zhì),在整個(gè)擴(kuò)散過程中這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散的雜質(zhì)源,不再有新源補(bǔ)充初始條件和邊界條件C(x ,0)=0,xhC( ,t)=0C(x ,0)
8、= Cs(0)=Q/h,0 x h解得:第21頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四有限表面源擴(kuò)散第22頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四有限表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布形式特點(diǎn)當(dāng)擴(kuò)散溫度相同時(shí),擴(kuò)散時(shí)間越長,雜質(zhì)擴(kuò)散的就越深,表面濃度就越低。當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間相同時(shí),擴(kuò)散溫度越高,雜質(zhì)擴(kuò)散的就越深,表面濃度下降的也就越多擴(kuò)散過程中雜質(zhì)量不變表面雜質(zhì)濃度可以控制,有利于制作低表面濃度和較深的p-n結(jié)。第23頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四有限表面源擴(kuò)散結(jié)深雜質(zhì)濃度梯度任意位置P-n結(jié)處得雜質(zhì)梯度第24頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分
9、,星期四兩步擴(kuò)散實(shí)際方法實(shí)際生產(chǎn)中的擴(kuò)散溫度一般為9001200 ,在這樣的溫度范圍內(nèi),常用雜質(zhì)如硼、磷、砷等在硅中的固溶度隨溫度變化不大,因而采用恒定表面源擴(kuò)散很難得到低濃度的分布形式。為了同時(shí)滿足對(duì)表面濃度、雜質(zhì)數(shù)量、結(jié)深以及梯度等方面的要求,實(shí)際生產(chǎn)中往往采用兩步擴(kuò)散法第25頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四兩步擴(kuò)散預(yù)擴(kuò)散:在低溫下采用恒定表面源擴(kuò)散方式,控制擴(kuò)散雜質(zhì)的數(shù)量,雜質(zhì)按余誤差形式分布。主擴(kuò)散將由預(yù)擴(kuò)散引入的雜質(zhì)作為擴(kuò)散源,在較高溫度下進(jìn)行擴(kuò)散。控制表面濃度和擴(kuò)散深度。雜質(zhì)按高斯形式分布。分布形式:D1t1D2t2 , 余誤差分布D1t1 D2t2 ,高斯
10、分布兩步擴(kuò)散第26頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四3.4 影響雜質(zhì)分布的其它因素上面推導(dǎo)的雜質(zhì)分布形式理想化實(shí)際上理論分布與實(shí)際分布存在一定的差異主要是因?yàn)楣柚袚诫s原子的擴(kuò)散,除了與空位有關(guān)外,還與硅中其它類型的點(diǎn)缺陷有密切的關(guān)系。氧化增強(qiáng)擴(kuò)散發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)第27頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四氧化增強(qiáng)擴(kuò)散(OED) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與中性氣氛相比:雜質(zhì)B在氧化氣氛中的擴(kuò)散存在明顯的增強(qiáng)。B和P的增強(qiáng)現(xiàn)象比較明顯雜質(zhì)As在氧化氣氛中的擴(kuò)散有一定強(qiáng)度的增強(qiáng)雜質(zhì)銻在氧化氣氛中的擴(kuò)散被阻滯參考P78 圖3.14第28頁,共40頁,2022年,5月20日,
11、1點(diǎn)34分,星期四發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)在npn窄基區(qū)晶體管制造中,如果基區(qū)和發(fā)射區(qū)分別擴(kuò)B和擴(kuò)P,則發(fā)現(xiàn)在發(fā)射區(qū)正下方(內(nèi)基區(qū))B的擴(kuò)散深度,大于不在發(fā)射區(qū)正下方(外基區(qū))B的擴(kuò)散深度,該現(xiàn)象稱為發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng),或發(fā)射區(qū)下陷效應(yīng)。第29頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)第30頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四二維擴(kuò)散實(shí)際擴(kuò)散在掩蔽層的邊緣,橫向擴(kuò)散與縱向擴(kuò)散同時(shí)進(jìn)行第31頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四二維擴(kuò)散 實(shí)際擴(kuò)散低濃度擴(kuò)散假定:D與雜質(zhì)濃度無關(guān),橫向擴(kuò)散與縱向擴(kuò)散都近似以同樣方式進(jìn)行L橫=75%85%L縱高濃度
12、擴(kuò)散:D與雜質(zhì)濃度相關(guān),L橫=65%70%L縱第32頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖第33頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖 由于橫向擴(kuò)散作用,結(jié)包含一個(gè)中央平面區(qū)一個(gè)近似圓柱、曲率半徑為rj的邊如果擴(kuò)散掩蔽層有尖銳的角,在這角處的結(jié)將因橫向擴(kuò)散而近似于圓球狀。 電場強(qiáng)度在圓柱和圓球結(jié)處較強(qiáng),該處雪崩擊穿電壓將遠(yuǎn)低于有相同襯底摻雜的平面結(jié)處。第34頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四實(shí)際擴(kuò)散區(qū)域大于窗口影響集成度第35頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四擴(kuò)散工藝(1)固態(tài)源
13、擴(kuò)散擴(kuò)散物質(zhì):雜質(zhì)的氧化物或其他化合物通過惰性氣體把雜質(zhì)源蒸氣輸運(yùn)到硅片表面溫度決定固溶度,對(duì)濃度有直接影響固態(tài)源擴(kuò)散:如B2O3、P2O5、BN等第36頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四擴(kuò)散工藝(2)液態(tài)源擴(kuò)散方法:攜帶氣體經(jīng)過源瓶,將雜質(zhì)源蒸氣(雜質(zhì)化合物)帶入擴(kuò)散爐管內(nèi)與硅反應(yīng),或分解后與硅反應(yīng)。條件:源溫控制在0 ,以保證穩(wěn)定性和重復(fù)性攜帶氣體進(jìn)行純化和干燥,以防止雜質(zhì)源水解而變質(zhì)特點(diǎn):系統(tǒng)簡單,操作方便,成本低,效率高,重復(fù)性和均勻性好,較常用。第37頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四利用液態(tài)源進(jìn)行擴(kuò)散的裝置示意圖液態(tài)源擴(kuò)散第38頁,共40頁,2022年,5月20日,1點(diǎn)34分,星期四擴(kuò)散工藝(3)氣態(tài)源擴(kuò)散方法:氣態(tài)雜質(zhì)源一般先在硅片表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成摻雜氧化層,雜質(zhì)再由氧化層向硅中擴(kuò)散。雜質(zhì)源:多
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