第四章 半導(dǎo)體的高溫?fù)诫s

第四章半導(dǎo)體的高溫?fù)诫s1第1頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四摻雜（doping）：將一定數(shù)量和一定種類的雜質(zhì)摻入硅中，并獲得精確的雜質(zhì)分布形狀（dopingprofile）。MOSFET：阱、柵、源/漏、溝道等BJT：基極、發(fā)射極、集電極等摻雜應(yīng)用：BECppn+n-p+p+n+n+BJTpwellNMOS

摻雜工藝:熱擴(kuò)散法摻雜（diffusion）

離子注入法摻雜(ionimplant)2第2頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四摻雜過(guò)程氣/固相擴(kuò)散離子注入或退火預(yù)淀積＝優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)預(yù)淀積控制劑量恒定劑量推進(jìn)退火離子注入氣/固相擴(kuò)散室溫掩蔽無(wú)損傷摻雜精確劑量控制產(chǎn)率高1011～1016/cm2劑量精確的深度控制高濃度淺結(jié)形成靈活損傷位錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致結(jié)漏電需要長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)入退火，可能獲得低表面濃度溝道效應(yīng)會(huì)影響雜質(zhì)分布低劑量預(yù)淀積困難注入損傷增強(qiáng)擴(kuò)散受到固溶度限制3第3頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.1擴(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散模型擴(kuò)散是一種物理想象，是因?yàn)榉肿邮艿綗徇\(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)而使物質(zhì)由濃度高的地方移向濃度低的地方。擴(kuò)散可以發(fā)生在任何時(shí)間和任何地方。如香水在空氣中擴(kuò)散；糖，鹽在溶液中擴(kuò)散。擴(kuò)散的發(fā)生需要的條件：濃度差；4第4頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.熱擴(kuò)散法摻雜

熱擴(kuò)散是最早使用也是最簡(jiǎn)單的摻雜工藝，主要用于Si工藝。利用原子在高溫下的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使雜質(zhì)原子從濃度很高的雜質(zhì)源向硅中擴(kuò)散并形成一定的分布。5第5頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四氧化擴(kuò)散爐6第6頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四擴(kuò)散爐中的硅片用裝片機(jī)將硅片裝載到石英舟上7第7頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

熱擴(kuò)散步驟

熱擴(kuò)散通常分兩個(gè)步驟進(jìn)行：------預(yù)淀積（predeposition）

也稱預(yù)擴(kuò)散----推進(jìn)（drivein）/再分布

8第8頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）

預(yù)淀積:溫度低(爐溫通常設(shè)為800到1100℃),時(shí)間短,因而擴(kuò)散的很淺,可以認(rèn)為雜質(zhì)淀積在一薄層內(nèi)。目的是為了控制雜質(zhì)總量即形成一層較薄但具有較高濃度的雜質(zhì)層。預(yù)淀積為整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程建立了濃度梯度。表面的雜質(zhì)濃度最高,并隨著深度的增加而減小,從而形成梯度。在擴(kuò)散過(guò)程中，硅片表面雜質(zhì)濃度始終不變,因此這是一種恒定表面源的擴(kuò)散過(guò)程。9第9頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四推進(jìn)（主擴(kuò)散）

推進(jìn)是利用預(yù)淀積所形成的表面雜質(zhì)層做雜質(zhì)源，在高溫下（爐溫在1000到1250℃）將這層雜質(zhì)向硅體內(nèi)擴(kuò)散。目的為了控制表面濃度和擴(kuò)散深度。通常推進(jìn)的時(shí)間較長(zhǎng)，推進(jìn)是限定表面源擴(kuò)散過(guò)程。

10第10頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二維擴(kuò)散（橫向擴(kuò)散）一般橫向擴(kuò)散(0.75~0.85)*Xj(Xj縱向結(jié)深)11第11頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四Xj0.75~0.85Xj橫向擴(kuò)散12第12頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(a)間隙式擴(kuò)散(interstitial)(b)替位式擴(kuò)散(substitutional)間隙式雜質(zhì)：O,Au,Fe,Cu,Ni,Zn,MgEi

~0.6–1.2eV替代式雜質(zhì)P，B，As,Al,Ga,Sb,GeEi

~3–4eV2擴(kuò)散原理及模型

2.1擴(kuò)散分類間隙原子必須越過(guò)的勢(shì)壘高度Ei13第13頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四替位式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位置Ⅲ、Ⅴ族元素一般要在很高的溫度(950～1280℃)下進(jìn)行磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴(kuò)散系數(shù)均遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散系數(shù)，可以利用氧化層作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽層慢擴(kuò)散雜質(zhì)間隙式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子位于晶格間隙Na、K、Fe、Cu、Au等元素?cái)U(kuò)散系數(shù)要比替位式擴(kuò)散大6～7個(gè)數(shù)量級(jí)間隙式擴(kuò)散原子的激活能量要比替位擴(kuò)散小快擴(kuò)散雜質(zhì)14第14頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四半導(dǎo)體中的擴(kuò)散工藝是利用固體中的擴(kuò)散現(xiàn)象，將一定種類和一定數(shù)量的雜質(zhì)摻入到半導(dǎo)體中去，以改變半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)2.2擴(kuò)散模型15第15頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.恒定表面源擴(kuò)散：恒定源擴(kuò)散過(guò)程實(shí)際是預(yù)淀積過(guò)程2.有限源擴(kuò)散：有限表面源擴(kuò)散實(shí)際上是雜質(zhì)的再分布（驅(qū)入）

16第16頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四17第17頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四擴(kuò)散過(guò)程中，硅片表面雜質(zhì)濃度始終不變這種類型的擴(kuò)散稱為恒定表面源擴(kuò)散。1.恒定表面源擴(kuò)散其擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布為余誤差函數(shù)分布特點(diǎn)：表面濃度始終保持不變18第18頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、恒定表面源擴(kuò)散：表面雜質(zhì)濃度恒定為Cs邊界條件：C(x,0)=0,x0C(0,t)=Cs

C(,t)=0實(shí)際工藝中，這種工藝稱作“預(yù)淀積擴(kuò)散”。即氣相中有無(wú)限量的雜質(zhì)存在，可以保證在擴(kuò)散表面的雜質(zhì)濃度恒定。解方程，得恒定擴(kuò)散方程的表達(dá)式

C(x,t)為某處t時(shí)的雜質(zhì)濃度Cs為表面雜質(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)”19第19頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四erfc(x)=ComplementaryErrorFunction=1-erf(x)余誤差函數(shù)性質(zhì)：對(duì)于x<<1對(duì)于x>>120第20頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四：稱為特征擴(kuò)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）擴(kuò)散結(jié)深為xj，則21第21頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3）雜質(zhì)濃度梯度梯度受到Cs、t和D（即T）的影響。改變其中的某個(gè)量，可以改變梯度，如增加Cs（As）。在p-n結(jié)處CB和Cs一定時(shí)，xj越深，結(jié)處的梯度越小。22第22頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四表面雜質(zhì)濃度不變擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，雜質(zhì)擴(kuò)散距離越深，進(jìn)入襯底的雜質(zhì)總量越多。雜質(zhì)分布滿足余誤差函數(shù)分布t1t2t3t1<t2<t3CB恒定表面源擴(kuò)散的主要特點(diǎn)23第23頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四固溶度（solidsolubility）：在平衡條件下，雜質(zhì)能溶解在硅中而不發(fā)生反應(yīng)形成分凝相的最大濃度。固溶度－熱力學(xué)

最大濃度超過(guò)電固溶度的

雜質(zhì)可能形成電中性

的聚合物，對(duì)摻雜區(qū)

的自由載流子不貢獻(xiàn)恒定表面源的擴(kuò)散，其表面雜質(zhì)濃度Cs基本由雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度（900－1200C）下的固溶度決定，而固溶度隨溫度變化不大。24第24頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四擴(kuò)散前在硅片表面先淀積一層雜質(zhì)，在整個(gè)過(guò)程中，這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散源，不再有新源補(bǔ)充，雜質(zhì)總量不再變化,雜質(zhì)來(lái)自擴(kuò)散前表面淀積的一薄層中的雜質(zhì)原子。這種類型的擴(kuò)散稱為有限表面源擴(kuò)散其擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布為高斯函數(shù)分布2.有限表面源擴(kuò)散25第25頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、有限表面源擴(kuò)散：表面雜質(zhì)總量恒定為QT在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中，預(yù)淀積的擴(kuò)散雜質(zhì)總量作為擴(kuò)散的雜質(zhì)源，不再有新源補(bǔ)充。如先期的預(yù)淀積擴(kuò)散或者離子注入一定量的雜質(zhì)，隨后進(jìn)行推進(jìn)退火時(shí)發(fā)生的高溫下擴(kuò)散。初始條件：邊界條件：得到高斯分布Cs26第26頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2）擴(kuò)散結(jié)深1）表面濃度Cs隨時(shí)間而減少3）濃度梯度在p－n結(jié)處濃度梯度隨著擴(kuò)散深度（結(jié)深）增加而下降A(chǔ)隨時(shí)間變化27第27頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四雜質(zhì)總量保持不變擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)散越深，表面濃度越低。擴(kuò)散時(shí)間相同時(shí)，擴(kuò)散溫度越高，表面濃度下降越多雜質(zhì)分布滿足高斯函數(shù)分布有限表面源擴(kuò)散的主要特點(diǎn)t1t2t3t1<t2<t3CB28第28頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四余誤差函數(shù)分布（erfc）表面濃度恒定雜質(zhì)總量增加擴(kuò)散深度增加高斯函數(shù)分布（Gaussian）表面濃度下降(1/t)雜質(zhì)總量恒定結(jié)深增加關(guān)鍵參數(shù)

Cs（表面濃度）

xj

（結(jié)深）

Rs（薄層電阻）29第29頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二步擴(kuò)散第一步為恒定表面源擴(kuò)散

(稱為預(yù)沉積或預(yù)擴(kuò)散)控制摻入的雜質(zhì)總量第二步為有限表面源擴(kuò)散

(稱為主擴(kuò)散或再分布)控制擴(kuò)散深度和表面濃度30第30頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、液態(tài)源擴(kuò)散二、固態(tài)源擴(kuò)散4.3擴(kuò)散方法31第31頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、液態(tài)源擴(kuò)散液態(tài)源擴(kuò)散是指雜質(zhì)源為液態(tài)，保護(hù)性氣體把雜質(zhì)源蒸汽攜帶入石英管內(nèi)，雜質(zhì)在高溫下分解，并與襯底表面的硅原子發(fā)生反應(yīng)釋放出雜質(zhì)原子，然后以原子的形式進(jìn)入硅片內(nèi)部，從而形成PN結(jié)。32第32頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四33第33頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四雜質(zhì)源為硼酸三甲酯，硼酸三丙酯，三溴化硼硼酸三甲酯在500℃以上分解B(OCH3)3B2O3+CO2+H2O+…三氧化二硼在900℃左右與硅反應(yīng)生成硼原子，淀積在硅片表面2B2O3＋3Si3SiO2+4B1.液態(tài)源硼擴(kuò)散34第34頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四液態(tài)源擴(kuò)散－－常用POCl3，在氮?dú)鈹y帶下（加入少量氧氣），把雜質(zhì)源通入石英管內(nèi)4POCl3＋3O2==2P2O5＋6Cl22P2O5＋5Si=5SiO2＋4P

2.液態(tài)源磷擴(kuò)散35第35頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、固態(tài)源擴(kuò)散36第36頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.3擴(kuò)散層參數(shù)測(cè)量擴(kuò)散參數(shù)測(cè)量主要指擴(kuò)散薄層電阻、擴(kuò)散結(jié)深的測(cè)量1.方塊電阻定義：如果擴(kuò)散薄層為一正方形，其長(zhǎng)度（邊長(zhǎng)）都等于L,厚度就是擴(kuò)散薄層的深度（結(jié)深），在單位方塊中，電流從一側(cè)面流向另一側(cè)面所呈現(xiàn)的電阻值，就稱為薄層電阻，又稱方塊電阻，單位是/□

4.3.1擴(kuò)散薄層電阻又稱方塊電阻，數(shù)值反應(yīng)出硅中所摻雜質(zhì)總量。故擴(kuò)散結(jié)束后要測(cè)量此參數(shù)37第37頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四指一個(gè)正方形的薄膜導(dǎo)電材料邊到邊“之”間的電阻，如圖所示根據(jù)R＝ρL/S，得RS=ρL/Lxj=ρ/xj方塊電阻與方塊的尺寸無(wú)關(guān),僅與擴(kuò)散結(jié)深(擴(kuò)散薄層的深度:擴(kuò)散形成的pn結(jié)的深度)xj及雜質(zhì)濃度有關(guān)38第38頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.物理意義

薄層電阻的大小直接反映了擴(kuò)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=雜質(zhì)濃度n=N則：

Q：從表面到結(jié)邊界這一方塊薄層中單位面積上雜質(zhì)總量方塊電阻越小,摻雜的雜質(zhì)總量越大;方塊電阻越大,摻雜的雜質(zhì)總量越小39第39頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.方塊電阻測(cè)量四探針?lè)y(cè)量原理圖

當(dāng)１、２、３、４四根金屬探針排成一直線時(shí)，并以一定壓力壓在半導(dǎo)體材料上，在１、４兩處探針間通過(guò)電流I，稱為電流探針，由穩(wěn)壓電源供電。2和3稱為電位探針，測(cè)量這兩個(gè)探針之間的電位差一般用四探針?lè)y(cè)出方塊電阻Rs(sheetResistance),通過(guò)它可判斷擴(kuò)散濃度的大小。40第40頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四材料電阻式中：S1、S2、S3分別為探針１與２，２與３，３與４之間距，用cm為單位時(shí)的值若電流取I=C時(shí)，則R＝V，可由數(shù)字電壓表直接讀出探針