集成電路制造工藝之?dāng)U散

1、集成電路制造工藝之?dāng)U散第1頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3.1、雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)3.2、擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程3.3、擴(kuò)散雜質(zhì)的分布3.4、影響雜質(zhì)分布的其他因素3.5、擴(kuò)散工藝3.6、擴(kuò)散工藝的發(fā)展3.7、與擴(kuò)散有關(guān)的測(cè)量主要內(nèi)容第2頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3.1、雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)雜質(zhì)原子的擴(kuò)散方式有以下幾種： 交換式：兩相鄰原子由于有足夠高的能量，互相交換位置。 空位式：由于有晶格空位，相鄰原子能移動(dòng)過來。 填隙式：在空隙中的原子擠開晶格原子后占據(jù)其位，被擠出的原子再去擠出其他原子。 在空隙中的原子在晶體的原子間隙中快速移動(dòng)一段距離后，最終或占

2、據(jù)空位，或擠出晶格上原子占據(jù)其位。 以上幾種形式主要分成兩大類：替位式擴(kuò)散。間隙式擴(kuò)散。第3頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 常見元素在硅中的擴(kuò)散方式擴(kuò)散方式雜質(zhì)替位：空位式移動(dòng)P, Sb, Al, Ga, As替位：填隙式移動(dòng) B, P, As間隙：間隙式移動(dòng)O替位：間隙式移動(dòng)Au第4頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四雜質(zhì)在硅中的固溶度：在給定溫度下的最大雜質(zhì)濃度第5頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四P在硅中的擴(kuò)散曲線B在硅中的擴(kuò)散曲線第6頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四多晶硅中的雜質(zhì)擴(kuò)散 在多晶硅薄

3、膜中進(jìn)行雜質(zhì)擴(kuò)散的擴(kuò)散方式與單晶硅中的方式是不同的，因?yàn)槎嗑Ч柚杏芯Яｉg界存在，所以雜質(zhì)原子主要沿著晶粒間界進(jìn)行擴(kuò)散。主要有三種擴(kuò)散模式：晶粒尺寸較小或晶粒內(nèi)的擴(kuò)散較快，以至從兩邊晶粒間界向晶粒內(nèi)的擴(kuò)散相互重疊，形成如圖A類分布。晶粒較大或晶粒內(nèi)的擴(kuò)散較慢，所以離晶粒間界較遠(yuǎn)處雜質(zhì)原子很少，形成如圖B類分布。與晶粒間界擴(kuò)散相比，晶粒內(nèi)的擴(kuò)散可以忽略不計(jì)，因此形成如圖C類分布。所以多晶擴(kuò)散要比單晶擴(kuò)散快得多，其擴(kuò)散速度一般要大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。第7頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四間隙式擴(kuò)散間隙式雜質(zhì)：存在于晶格間隙的雜質(zhì)。以間隙形式存在于硅中的雜質(zhì)，主要是那些半徑較小、不容易和

4、硅原子鍵合的原子。間隙式擴(kuò)散：間隙式雜質(zhì)從一個(gè)間隙位置到另一個(gè)間隙位置的運(yùn)動(dòng)稱為間隙式擴(kuò)散。間隙式雜質(zhì)在硅晶體中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)主要是間隙式擴(kuò)散。第8頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四對(duì)間隙雜質(zhì)來說，間隙位置是勢(shì)能極小位置，相鄰的兩個(gè)間隙之間是勢(shì)能極大位置。間隙雜質(zhì)要從一個(gè)間隙位置運(yùn)動(dòng)到相鄰的間隙位置上，必須要越過一個(gè)勢(shì)壘，勢(shì)壘高度Wi一般為0.6 1.2eV。間隙雜質(zhì)只能依靠熱漲落才能獲得大于Wi的能量，越過勢(shì)壘跳到近鄰的間隙位置。第9頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 溫度越高，間隙雜質(zhì)的跳躍率越高，間隙式擴(kuò)散越容易。間隙雜質(zhì)的熱振動(dòng)頻率為0，根據(jù)玻爾

5、茲曼統(tǒng)計(jì)分布，熱漲落獲得能量大于Wi的幾率正比于exp(-Wi/kT)，則得到間隙雜質(zhì)的跳躍率（每秒的跳躍次數(shù)）為第10頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四替位式擴(kuò)散 如果替位雜質(zhì)的近鄰沒有空位則替位雜質(zhì)要運(yùn)動(dòng)到近鄰晶格位置上，就必須通過互相換位才能實(shí)現(xiàn)。這種換位會(huì)引起周圍晶格發(fā)生很大的畸變，需要相當(dāng)大的能量，因此只有當(dāng)替位雜質(zhì)的近鄰晶格上出現(xiàn)空位，替位式擴(kuò)散才比較容易發(fā)生。替位式擴(kuò)散：替位雜質(zhì)從一個(gè)晶格位置擴(kuò)散到另一個(gè)晶格位置。第11頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四對(duì)替位雜質(zhì)來說，在晶格位置上勢(shì)能相對(duì)最低，而間隙處是勢(shì)能最高位置。與間隙雜質(zhì)相同，替

6、位雜質(zhì)要從一個(gè)格點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)到近鄰格點(diǎn)上，必須要越過一個(gè)勢(shì)壘。勢(shì)壘高度為Ws。替位雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)比間隙雜質(zhì)更為困難，首先要在近鄰出現(xiàn)空位，同時(shí)還要依靠熱漲落獲得大于勢(shì)壘高度Ws的能量才能實(shí)現(xiàn)替位運(yùn)動(dòng)。第12頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四平衡時(shí)單位體積的空位數(shù)為：N是單位體積內(nèi)所含的晶格數(shù)，Wv代表形成一個(gè)空位所需要的能量。則每個(gè)格點(diǎn)上出現(xiàn)空位的幾率為：根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，替位雜質(zhì)依靠熱漲落跳過勢(shì)壘W(wǎng)s的幾率為：替位雜質(zhì)的跳躍率為出現(xiàn)空位的幾率乘以跳入該空位的幾率，即：對(duì)硅中的替位雜質(zhì)來說，Wv+Ws約為34eV第13頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四

7、3.2、擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程3.2.1 菲克第一定律1855年，菲克(Fick)，提出描述物質(zhì)擴(kuò)散的第一定律。菲克第一定律：如果在一個(gè)有限的基體中雜質(zhì)濃度C(x, t)存在梯度分布，則雜質(zhì)將會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，雜質(zhì)的擴(kuò)散流密度 J 正比于雜質(zhì)濃度梯度C/ x ，比例系數(shù)D定義為雜質(zhì)在基體中的擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散流密度的一維表達(dá)式為： 第14頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四擴(kuò)散流密度 J 定義為單位時(shí)間通過單位面積的雜質(zhì)(粒子)數(shù)。D是擴(kuò)散系數(shù)，D的單位為cm2/s。雜質(zhì)的擴(kuò)散方向是使雜質(zhì)濃度梯度變小。如果擴(kuò)散時(shí)間足夠長(zhǎng)，則雜質(zhì)分布逐漸變得均勻。當(dāng)濃度梯度變小時(shí)，擴(kuò)散減緩。D依賴于擴(kuò)

8、散溫度、雜質(zhì)的類型以及雜質(zhì)濃度等。第15頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 首先在替位原子的勢(shì)能曲線和一維擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)上，來推導(dǎo)擴(kuò)散粒子流密度J(x, t)的表達(dá)式。 晶格常數(shù)為a，t時(shí)刻在(x-a/2)和(x+a/2)位置處，單位面積上替位原子數(shù)分別為C(x-a/2, t)*a和C(x+a/2, t) *a。單位時(shí)間內(nèi)，替位原子由(x-a/2)處跳到(x+a/2處)的粒子數(shù)目為由(x+a/2)處單位面積上跳到(x-a/2)處的粒子數(shù)目為3.2.2 擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)的推導(dǎo)：第16頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四則t時(shí)刻通過x處單位面積的凈粒子數(shù)（

9、粒子流密度）為：則有：D0為表觀擴(kuò)散系數(shù)，E為激活能。擴(kuò)散系數(shù)由D0、E及溫度T決定。第17頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四1.決定氧化速率常數(shù)的兩個(gè)因素：氧化劑分壓：B、B/A均與Pg成正比，那么在一定氧化條件下，通過改變氧化劑分壓可改變二氧化硅生長(zhǎng)速率。高壓氧化、低壓氧化氧化溫度： B(DSiO2)、B/A(ks)均與T呈指數(shù)關(guān)系，激活能不同2.影響氧化速率的其他因素硅表面晶向：表面原子密度，(111)比(100)氧化速率快些 僅對(duì)反應(yīng)控制過程有影響，對(duì)擴(kuò)散控制過程無影響雜質(zhì)：B，P，氧化速率變快 水汽、鈉、氯（改善）3.熱氧化過程中雜質(zhì)再分布（分凝系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)）

10、4.初始氧化階段（與D-G模型不符）和薄氧化層的生長(zhǎng)（表面處理）上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)第18頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四替位式擴(kuò)散：替位式雜質(zhì)間隙式擴(kuò)散：原子半徑小二者的擴(kuò)散激活能不同1.擴(kuò)散是向半導(dǎo)體摻雜的重要方法之一2. 菲克第一定律： 擴(kuò)散流密度的一維表達(dá)式為：D依賴于擴(kuò)散溫度、雜質(zhì)的類型以及雜質(zhì)濃度等上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)第19頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3.2.3 菲克第二定律（擴(kuò)散方程） 如圖，沿?cái)U(kuò)散方向，從x到x+x，面積為s的一個(gè)小體積元內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量隨時(shí)間的變化情況。 假設(shè)在小體積元v=xs內(nèi)的雜質(zhì)分布是均勻的。 在t時(shí)刻，體積元內(nèi)的雜質(zhì)

11、濃度為C(x, t)，在t+t時(shí)刻雜質(zhì)濃度為C(x, t+t) 。經(jīng)過t時(shí)間，該體積元內(nèi)雜質(zhì)變化量為擴(kuò)散方程的推導(dǎo)（一維擴(kuò)散）設(shè)雜質(zhì)在x和x+x處的擴(kuò)散流密度分別為J(x,t) 和J(x+x,t)，則在t時(shí)間內(nèi)，通過x處和x+x處的雜質(zhì)流量差為 第20頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 假設(shè)體積元內(nèi)的雜質(zhì)不產(chǎn)生也不消失，可得 把菲克第一定律代入上式則得一維擴(kuò)散方程 此方程就是菲克第二定律的最普遍表達(dá)式。 如果假設(shè)擴(kuò)散系數(shù)D為常數(shù)，這種假設(shè)在低雜質(zhì)濃度情況下是正確的，則得 第21頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3.3、擴(kuò)散雜質(zhì)的分布3.3.1 恒定表

12、面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散：整個(gè)擴(kuò)散過程中，硅片表面的雜質(zhì)濃度始終不變。在恒定表面源擴(kuò)散過程中，表面濃度Cs始終保持恒定，邊界條件：假定雜質(zhì)在硅內(nèi)的擴(kuò)散深度遠(yuǎn)小于硅片的厚度，則另一個(gè)邊界條件為 根據(jù)實(shí)際情況下的邊界條件和初始條件，求解擴(kuò)散方程，就可以得到擴(kuò)散雜質(zhì)的分布C(x,t)。第22頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四在擴(kuò)散開始時(shí)，初始條件應(yīng)為 根據(jù)上述的邊界條件和初始條件，可求出恒定表面源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布情況：erfc為余誤差函數(shù)。第23頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四恒定表面源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布形式如圖所示。在表面濃度Cs一定的情況下，擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，雜

13、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。 如果擴(kuò)散時(shí)間為t，那么通過單位表面積擴(kuò)散到Si片內(nèi)部的雜質(zhì)數(shù)量Q(t)為：恒定源擴(kuò)散，其表面雜質(zhì)濃度Cs基本上由該雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度(900-1200)下的固溶度所決定，在900-1200范圍內(nèi)，固溶度隨溫度變化不大，很難通過改變溫度來達(dá)到控制表面濃度Cs的目的，這是該擴(kuò)散方法的不足之處。雜質(zhì)分布形式恒定表面源擴(kuò)散的主要特點(diǎn)第24頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四結(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，在兩種雜質(zhì)濃度相等處會(huì)形成p-n結(jié)。 若CB為硅襯底原有的背景雜質(zhì)濃度，根據(jù)C(xj, t)=CB，得到結(jié)的位置xj：

14、其中A是常數(shù)。xj與擴(kuò)散系數(shù)D和擴(kuò)散時(shí)間t的平方根成正比。D與溫度T是指數(shù)關(guān)系，所以在擴(kuò)散過程中，溫度對(duì)擴(kuò)散深度和雜質(zhì)分布的影響較大。第25頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 雜質(zhì)濃度梯度 如果雜質(zhì)按余誤差函數(shù)分布，可求得雜質(zhì)濃度梯度為 由上式可知，雜質(zhì)濃度梯度大小與Cs，t和D(即溫度T)有關(guān)，可以改變其中某個(gè)量來控制雜質(zhì)濃度分布的梯度。 在pn結(jié)處的梯度為 由上式可以看出，在Cs和CB一定的情況下，pn結(jié)越深，在結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度就越小。第26頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3.3.2 有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散：擴(kuò)散之前在硅片表面先沉積一層

15、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，這種擴(kuò)散方式稱為有限表面源擴(kuò)散。假設(shè)擴(kuò)散之前在硅片表面沉積的雜質(zhì)均勻地分布在薄層h內(nèi)，每單位面積上的雜質(zhì)數(shù)量為Q，雜質(zhì)濃度為Q/h。如果雜質(zhì)在硅內(nèi)要擴(kuò)散的深度遠(yuǎn)大于h，則預(yù)先淀積的雜質(zhì)分布可按函數(shù)考慮。初始條件為：第27頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四假設(shè)雜質(zhì)不蒸發(fā)，硅片厚度遠(yuǎn)大于雜質(zhì)要擴(kuò)散的深度。則邊界條件為：在上面的初始條件和邊界條件下，求解擴(kuò)散方程，得到有限表面源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布情況：式中，exp(-x2/4Dt)為高斯函數(shù)。第28頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四雜質(zhì)分布形式有限

16、表面源擴(kuò)散的主要特點(diǎn)擴(kuò)散溫度相同時(shí)，擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，雜質(zhì)擴(kuò)散的越深，表面濃度越低。擴(kuò)散時(shí)間相同時(shí)，擴(kuò)散溫度越高，雜質(zhì)擴(kuò)散的越深，表面濃度下降越多。 溫度相同時(shí)，雜質(zhì)的分布情況隨擴(kuò)散時(shí)間的變化如圖所示，有限表面源擴(kuò)散在整個(gè)擴(kuò)散過程中雜質(zhì)數(shù)量保持不變，各條分析曲線下面所包圍的面積相等。 有限源擴(kuò)散的表面雜質(zhì)濃度是可以控制的，任意時(shí)刻t的表面濃度：雜質(zhì)分布為： 第29頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四結(jié)深 如果襯底中原有雜質(zhì)與擴(kuò)散的雜質(zhì)具有不同的導(dǎo)電類型，則在兩種雜質(zhì)濃度相等處形成p-n結(jié)，結(jié)深可由下式求出： 則結(jié)深為 A與比值Cs/CB有關(guān)，但因?yàn)殡s質(zhì)濃度Cs (t)隨時(shí)間變化

17、，所以A也隨時(shí)間變化，這與恒定源擴(kuò)散情況（A是常數(shù)）不同。 對(duì)于有限源擴(kuò)散來說，擴(kuò)散時(shí)間較短時(shí)，結(jié)深xj將隨(Dt)1/2的增加而增加。 在雜質(zhì)分布形式相同的情況下，CB越大，結(jié)深越淺。第30頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 雜質(zhì)濃度梯度任意位置x處的雜質(zhì)濃度梯度在p-n結(jié)處的雜質(zhì)梯度為雜質(zhì)濃度梯度將隨擴(kuò)散結(jié)深的增加而減小。第31頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3.3.3 兩步擴(kuò)散 實(shí)際的擴(kuò)散溫度一般為900-1200，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)在硅中的固溶度隨溫度變化不大，采用恒定表面源擴(kuò)散很難通過改變溫度來控制表面濃度，而且很難得到低表面濃度的雜

18、質(zhì)分布形式。兩步擴(kuò)散：采用兩種擴(kuò)散結(jié)合的方式。第一步稱為預(yù)擴(kuò)散或者預(yù)淀積：在較低溫度下，采用恒定表面源擴(kuò)散方式。在硅片表面擴(kuò)散一層數(shù)量一定，按余誤差函數(shù)形式分布的雜質(zhì)。由于溫度較低，且時(shí)間較短，雜質(zhì)擴(kuò)散的很淺，可認(rèn)為雜質(zhì)是均勻分布在一薄層內(nèi)，目的是為了控制擴(kuò)散雜質(zhì)的數(shù)量。第二步稱為主擴(kuò)散或者再分布：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。主擴(kuò)散的目的是為了控制表面濃度和擴(kuò)散深度。兩步擴(kuò)散后的雜質(zhì)最終分布形式：D預(yù)t預(yù)D主t主，主擴(kuò)散起決定作用，雜質(zhì)基本按高斯函數(shù)分布。第32頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3.4、影響雜質(zhì)分布的其他因素 前面求解擴(kuò)散方程時(shí)，

19、作了一些理想化的假設(shè)，且影響雜質(zhì)擴(kuò)散的某些因素沒有考慮，實(shí)際擴(kuò)散雜質(zhì)的分布與理論計(jì)算的結(jié)果有一定的差異，隨著集成度的提高，器件尺寸越來越小，雜質(zhì)擴(kuò)散深度越來越淺，需要考慮影響雜質(zhì)分布的其它因素。硅中的點(diǎn)缺陷雜質(zhì)濃度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響氧化增強(qiáng)擴(kuò)散發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)第33頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3.4.1 硅中的點(diǎn)缺陷 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硅中雜質(zhì)原子的擴(kuò)散，除了與空位有關(guān)外，還與硅中其他類型的點(diǎn)缺陷有著密切的關(guān)系。硅中的點(diǎn)缺陷分為三類：替位缺陷：是指位于晶格位置上的雜質(zhì)原子，用A表示?？瘴蝗毕荩菏侵妇Ц裎恢蒙先笔б粋€(gè)硅原子，用V表示。間隙類缺陷：包括自間隙缺陷和間隙原子團(tuán)。自間隙缺

20、陷：硅晶格間隙位置上的硅原子，用I表示。間隙原子團(tuán)：是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的間隙原子形成。組成間隙原子團(tuán)的兩個(gè)原子可以都是硅原子(I缺陷)；或者是一個(gè)硅原子和一個(gè)摻雜原子(AI缺陷)。第34頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四雜質(zhì)與空位的反應(yīng)： 替位型雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)制：雜質(zhì)原子運(yùn)動(dòng)到近鄰的空位上 Ai：間隙位置上的一個(gè)雜質(zhì)原子 AV：空位附近的一個(gè)雜質(zhì)原子AI：間隙原子團(tuán)中的一個(gè)雜質(zhì)原子 在擴(kuò)散的過程中，晶格上的雜質(zhì)原子（A）與缺陷之間的結(jié)合方式為：AV，AI，Ai，可用以下反應(yīng)來描述。第35頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 一個(gè)間隙硅原子把一個(gè)處在晶格位置

21、上的替位雜質(zhì)“踢出”，使這個(gè)雜質(zhì)處在晶體間隙位置上，而這個(gè)硅原子卻占據(jù)了晶格位置。硅原子“踢出” 處在晶格位置上雜質(zhì)的示意圖替位雜質(zhì)與間隙的反應(yīng)：第36頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四被“踢出”的雜質(zhì)以間隙方式進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)它遇到空位時(shí)可被俘獲，成為替位雜質(zhì)；也可能在運(yùn)動(dòng)過程中“踢出”晶格位置上的硅原子進(jìn)入晶格位置，成為替位雜質(zhì)，被“踢出”硅原子變?yōu)殚g隙原子。原來認(rèn)為B和P是只能靠空位機(jī)制才能運(yùn)動(dòng)的雜質(zhì)，實(shí)際上，考慮到點(diǎn)缺陷，B和P是靠空位擴(kuò)散和間隙擴(kuò)散兩種機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的?！疤叱觥?與間隙機(jī)制擴(kuò)散示意圖第37頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四

22、3.4.2 擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 前面的求解擴(kuò)散方程時(shí)，都假定擴(kuò)散系數(shù)是與雜質(zhì)濃度無關(guān)的常數(shù)，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度是有關(guān)的。 只有當(dāng)雜質(zhì)濃度比擴(kuò)散溫度下的本征載流子濃度低時(shí)，才可認(rèn)為擴(kuò)散系數(shù)與摻雜濃度無關(guān)，這種情況的擴(kuò)散系數(shù)叫做本征擴(kuò)散系數(shù)，用Di表示。 把依賴于摻雜(包括襯底雜質(zhì)和擴(kuò)散雜質(zhì))濃度的擴(kuò)散系數(shù)稱為非本征擴(kuò)散系數(shù)，用De表示。第38頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 、族元素在硅中擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的理論是建立在雜質(zhì)與空位相互作用的基礎(chǔ)上，即雜質(zhì)原子通過跳入鄰近的空位實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散，因此，擴(kuò)散系數(shù)和空位濃度成正比。 擴(kuò)散系數(shù)依賴于雜質(zhì)濃度的一種可能的解釋是：摻入的

23、施主或受主雜質(zhì)誘導(dǎo)出大量荷電態(tài)空位，空位濃度增加，因而擴(kuò)散系數(shù)增大。 硅中的荷電態(tài)空位主要有四種：V0，V+，V-，V2-。其中V0濃度不依賴于雜質(zhì)濃度，而 V+、 V-和 V2-與摻雜濃度有關(guān)。 空位的能帶圖如圖。擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度有關(guān)的原因第39頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四在低摻雜情況下，硅中各種空位的實(shí)際濃度是非常低的，可認(rèn)為各種荷電空位之間不發(fā)生相互作用，總的擴(kuò)散系數(shù)就是各跳躍過程單獨(dú)貢獻(xiàn)的擴(kuò)散系數(shù)之和。 其中 分別表示雜質(zhì)通過與V0，V+，V-，V2-空位作用的擴(kuò)散系數(shù)。在高摻雜情況下，非本征擴(kuò)散系數(shù)可以看成是雜質(zhì)與各種荷電空位相互作用所貢獻(xiàn)的擴(kuò)散系數(shù)的總

24、和，差別僅在于各種荷電空位對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)發(fā)生了變化。在高摻雜情況下的擴(kuò)散系數(shù)為：第40頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3.4.3 氧化增強(qiáng)擴(kuò)散雜質(zhì)在氧化氣氛中的擴(kuò)散，與中性氣氛相比，存在明顯的增強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱為氧化增強(qiáng)擴(kuò)散(OED)。雜質(zhì)硼和磷的增強(qiáng)現(xiàn)象最為明顯，雜質(zhì)砷也有一定程度的增強(qiáng)，而銻在氧化氣氛中的擴(kuò)散卻被阻滯。對(duì)于硼擴(kuò)散，從圖可以看到，在氧化區(qū)下方，硼的擴(kuò)散結(jié)深大于保護(hù)區(qū)下方的結(jié)深，這說明在氧化過程中，硼的擴(kuò)散被增強(qiáng)。第41頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 硅氧化時(shí)，在Si-SiO2界面附近產(chǎn)生了大量的間隙Si原子，這些過剩的間隙

25、Si原子在向硅內(nèi)擴(kuò)散的同時(shí)，不斷與空位復(fù)合，使這些過剩的間隙Si原子的濃度隨深度而降低。 在表面附近，過剩的間隙Si原子可以和替位B相互作用，從而使原來處于替位的B變?yōu)殚g隙B。當(dāng)間隙B的近鄰晶格沒有空位時(shí)，間隙B就以間隙方式運(yùn)動(dòng)；如果間隙B的近鄰晶格出現(xiàn)空位時(shí)，間隙B又可以進(jìn)入空位變?yōu)樘嫖籅。這樣，雜質(zhì)B就以替位-間隙交替的方式運(yùn)動(dòng)，其擴(kuò)散速度比單純的替位式擴(kuò)散要快。 而在氮化硅保護(hù)下的硅不發(fā)生氧化，這個(gè)區(qū)域中的雜質(zhì)擴(kuò)散只能通過空位機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)散，所以氧化區(qū)正下方B的擴(kuò)散結(jié)深大于氮化硅保護(hù)區(qū)正下方的擴(kuò)散結(jié)深。 磷在氧化氣氛中的擴(kuò)散也被增強(qiáng)，其機(jī)制與硼相同。氧化增強(qiáng)擴(kuò)散(OED)機(jī)理第42頁，共6

26、3頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 用銻代替硼的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)表明，氧化區(qū)正下方銻的擴(kuò)散結(jié)深小于保護(hù)區(qū)下方的擴(kuò)散結(jié)深，說明在氧化過程中銻的擴(kuò)散被阻滯。 這是因?yàn)榭刂其R擴(kuò)散的主要機(jī)制是空位。在氧化過程中，所產(chǎn)生的過剩間隙硅原子在向硅內(nèi)擴(kuò)散的同時(shí)，不斷地與空位復(fù)合，使空位濃度減小，從而降低了銻的擴(kuò)散速度。銻的氧化擴(kuò)散阻滯第43頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3.4.4 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)硼和擴(kuò)磷，則發(fā)現(xiàn)在發(fā)射區(qū)正下方(內(nèi)基區(qū))硼的擴(kuò)散深度，大于不在發(fā)射區(qū)正下方(外基區(qū))硼的擴(kuò)散深度。稱為發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)，或發(fā)射區(qū)下陷效應(yīng)

27、。 發(fā)射區(qū)正下方硼擴(kuò)散的增強(qiáng)是由于磷與空位相互作用形成的PV對(duì)發(fā)生分解所帶來的復(fù)合效應(yīng)。 硼附近PV對(duì)的分解會(huì)增加空位的濃度，因而加快了硼的擴(kuò)散速度。 另一方面，在磷的擴(kuò)散區(qū)的正下方，由于PV的分解，存在過剩的間隙Si原子，這些間隙Si原子與B相互作用增強(qiáng)了B的擴(kuò)散。第44頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3.4.5 二維擴(kuò)散 實(shí)際擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)通過窗口以垂直硅表面擴(kuò)散的同時(shí)，也將在窗口邊緣附近的硅內(nèi)進(jìn)行平行表面的橫向擴(kuò)散。 如果考慮二維擴(kuò)散，并假定擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度無關(guān)（低濃度），橫向擴(kuò)散與縱向擴(kuò)散都近似以同樣方式進(jìn)行，如果襯底中雜質(zhì)濃度是均勻的，對(duì)于恒定源擴(kuò)散和有限

28、源擴(kuò)散兩種情況下，硅內(nèi)雜質(zhì)濃度與表面濃度的比值曲線如圖。 由圖中曲線可以看到，硅內(nèi)濃度比表面濃度低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上時(shí)，橫向擴(kuò)散的距離約為縱向擴(kuò)散距離的75-85，這說明橫向結(jié)的距離要比垂直結(jié)的距離小。 如果是高濃度擴(kuò)散情況，橫向擴(kuò)散的距離約為縱向擴(kuò)散距離的65-70%。第45頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 由于橫向擴(kuò)散的存在，實(shí)際擴(kuò)散區(qū)域要比二氧化硅窗口的尺寸大，其結(jié)果是硅內(nèi)擴(kuò)散區(qū)域之間的實(shí)際距離比由光刻版所確定的尺寸要小。 圖中L表示由光刻工藝所決定的兩個(gè)區(qū)域之間的距離，L表示實(shí)際距離，這種效應(yīng)直接影響ULSI的集成度。第46頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)

29、30分，星期四3.5、擴(kuò)散工藝 擴(kuò)散的目的：向晶體中摻入一定數(shù)量的某種雜質(zhì)，并且希望雜質(zhì)按要求分布。擴(kuò)散工藝分類：按原始雜質(zhì)源在室溫下的相態(tài)分類，可分為固態(tài)源擴(kuò)散，液態(tài)源擴(kuò)散和氣態(tài)源擴(kuò)散。本節(jié)討論不同相態(tài)源的擴(kuò)散系統(tǒng)和特點(diǎn)。第47頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四固態(tài)源擴(kuò)散雜質(zhì)源放在坩堝內(nèi)，硅片插在石英舟中。坩堝與石英舟相距一定距離放在擴(kuò)散爐管內(nèi)，通過惰性氣體把雜質(zhì)源蒸氣輸運(yùn)到硅片表面。在擴(kuò)散溫度雜質(zhì)化合物與硅反應(yīng)，生成單質(zhì)雜質(zhì)原子并向硅內(nèi)擴(kuò)散。溫度對(duì)雜質(zhì)濃度有著直接影響。1開管擴(kuò)散第48頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四優(yōu)點(diǎn)：開管擴(kuò)散的重復(fù)性和穩(wěn)定

30、性都很好。兩段爐溫法：如果雜質(zhì)源的蒸氣壓很高，一般采用兩段爐溫法，雜質(zhì)源放在低溫區(qū)，而雜質(zhì)向硅內(nèi)擴(kuò)散是在高溫區(qū)完成。片狀雜質(zhì)源：如果把固態(tài)源做成片狀，其尺寸可與硅片相等或略大于硅片，源片和硅片相間并均勻的放在石英舟上，在擴(kuò)散溫度下，雜質(zhì)源蒸氣包圍硅片并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出雜質(zhì)并向硅內(nèi)擴(kuò)散，這種方法本身并不需要攜帶氣體，但為了防止逆擴(kuò)散相污染，擴(kuò)散過程中以一定流速通入氮?dú)饣驓鍤庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。第49頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四2 箱法擴(kuò)散把雜質(zhì)源和硅片裝在由石英或者硅做成的箱內(nèi)，在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下進(jìn)行擴(kuò)散。雜質(zhì)源可以焙燒在箱蓋的內(nèi)壁，或者放在箱內(nèi)，其源多為雜質(zhì)的氧化物。為

31、了保持箱內(nèi)雜質(zhì)源蒸氣壓的恒定和防止雜質(zhì)源大量外泄，要求箱子具有一定密封性。在高溫下，雜質(zhì)源的蒸氣充滿整個(gè)箱內(nèi)空間，與硅表面反應(yīng)，形成一層含有雜質(zhì)的薄氧化層，雜質(zhì)由氧化層直接向硅內(nèi)擴(kuò)散。箱法擴(kuò)散的硅表面濃度基本由擴(kuò)散溫度下雜質(zhì)在硅中的固溶度決定，均勻性較好。 第50頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3 涂源法擴(kuò)散涂源法擴(kuò)散：是把溶于溶劑中的雜質(zhì)源直接涂在待擴(kuò)散的硅片表面，在高溫下由情性氣體保護(hù)進(jìn)行擴(kuò)散。溶劑一般是聚乙烯醇，雜質(zhì)源一般是雜質(zhì)的氧化物或者是雜質(zhì)的氧化物與惰性氧化物的混合物。當(dāng)溶劑揮發(fā)之后就在硅表面形成一層雜質(zhì)源。缺點(diǎn)：這種擴(kuò)散方法的表面濃度很難控制，而且又不均勻

32、。旋轉(zhuǎn)涂源工藝：把硅片放在旋轉(zhuǎn)盤上，再把溶于溶劑中的雜質(zhì)源涂在待擴(kuò)散的硅片表面上，旋轉(zhuǎn)盤以每分2500-5000轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，雜質(zhì)源在硅表面形成幾千埃厚的薄層，可得到比較均勻的摻雜層。這種方法只適合于對(duì)雜質(zhì)濃度控制要求不高的器件制造。硅片表面上的雜質(zhì)源也可以采用化學(xué)氣相淀積法淀積，這種方法的均勻性、重復(fù)性都很好，還可以把片子排列很密，從而提高生產(chǎn)效率，其缺點(diǎn)是多了一道工序。第51頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 液態(tài)源擴(kuò)散攜帶氣體(通常是氮?dú)?通過源瓶，把雜質(zhì)源蒸氣帶入擴(kuò)散爐管內(nèi)。載氣除了通過攜帶雜質(zhì)氣體進(jìn)入擴(kuò)散爐內(nèi)之外，還有一部分直接進(jìn)入爐內(nèi)，起稀釋

33、和控制濃度的作用。在液態(tài)源擴(kuò)散中，為了保證穩(wěn)定性和重復(fù)性，擴(kuò)散時(shí)源溫通?？刂圃?。液態(tài)源擴(kuò)散優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低，效率高，重復(fù)性和均勻性都很好。擴(kuò)散過程中應(yīng)準(zhǔn)確控制爐溫、擴(kuò)散時(shí)間、氣體流量和源溫等。源瓶的密封性要好，擴(kuò)散系統(tǒng)不能漏氣。第52頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 氣態(tài)源擴(kuò)散進(jìn)入擴(kuò)散爐管內(nèi)的氣體，除氣態(tài)雜質(zhì)源外，有時(shí)還需通入稀釋氣體，或者是氣態(tài)雜質(zhì)源進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所需要的氣體。 氣態(tài)雜質(zhì)源多為雜質(zhì)的氫化物或者鹵化物，這些氣體的毒性很大，且易燃易爆，操作上要十分小心。氣態(tài)雜質(zhì)源一般先在硅表面進(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。第53頁，

34、共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3.6、擴(kuò)散工藝的發(fā)展一種摻雜劑從氣相直接向硅中擴(kuò)散、并能形成超淺結(jié)的快速摻雜工藝。利用快速熱處理過程(RTP)將處在摻雜氣氛中的硅片快速均勻地加熱至所需要的溫度，同時(shí)摻雜劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生雜質(zhì)原子，雜質(zhì)原子直接從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸还璞砻嫖降墓虘B(tài)，然后進(jìn)行固相擴(kuò)散，完成摻雜目的。同普通擴(kuò)散爐中的摻雜不同，快速氣相摻雜在硅片表面上并未形成含有雜質(zhì)的玻璃層?？焖贇庀鄵诫s(RVD, Rapid Vapor-phase Doping)第54頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四同離子注入相比(特別是在淺結(jié)的應(yīng)用上)，RVD技術(shù)的潛在優(yōu)勢(shì)是：

35、它并不受注入所帶來的一些效應(yīng)的影響，如：溝道效應(yīng)、晶格損傷或使硅片帶電?？焖贇庀鄵诫s在ULSI工藝中得到廣泛地應(yīng)用，例如對(duì)DRAM中電容的摻雜，深溝側(cè)墻的摻雜，甚至在CMOS淺源漏結(jié)的制造中也采用快速氣相摻雜技術(shù)。對(duì)于選擇擴(kuò)散來說，采用快速氣相摻雜工藝仍需要掩膜。另外，快速氣相摻雜仍然要在較高的溫度下完成。雜質(zhì)分布是非理想的指數(shù)形式，類似固態(tài)擴(kuò)散，其峰值處于表面處。第55頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3.6.2 氣體浸沒激光摻雜(GILD: Gas Immersion Laser Doping)氣體浸沒激光摻雜：用準(zhǔn)分子激光器(308nm) 產(chǎn)生高能量密度(0.52.0J/cm2)的短脈沖(20-100ns)激光，照射處于氣態(tài)源中的硅表面硅表面因吸收能量而變?yōu)橐后w層同時(shí)氣態(tài)摻雜源由于熱解或光解作用產(chǎn)生雜質(zhì)原子通過液相擴(kuò)散，雜質(zhì)原子進(jìn)入這個(gè)很薄的液體層，溶解在液體層中的雜質(zhì)擴(kuò)散速度比在固體中高八個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因而雜質(zhì)快速并均勻地?cái)U(kuò)散到整個(gè)熔化層中。當(dāng)