半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)-施敏-第6章擴(kuò)散課件

第6章擴(kuò)散精選課件■概述■擴(kuò)散工藝■擴(kuò)散方程■擴(kuò)散分布■擴(kuò)散工藝質(zhì)量檢測精選課件■

在lC制造中主要采用擴(kuò)散法和離子注入法?！龈邼舛壬罱Y(jié)摻雜采用熱擴(kuò)散法，淺結(jié)高精度摻雜用離子注入法。

一、概述1、摻雜和擴(kuò)散1）摻雜(Doping)用人為的方法將所需雜質(zhì)按要求的濃度和分布摻入到半導(dǎo)體材料中，達(dá)到改變材料的電學(xué)性質(zhì)、形成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的目的，稱之為“摻雜"。2）摻雜的方法合金法、擴(kuò)散法、離子注入法。3）常用的摻雜雜質(zhì)P(磷)、B(硼)、As(砷)、Sb(銻)精選課件3）形成場效應(yīng)晶體管中的漏區(qū)和源區(qū)擴(kuò)散工藝在IC制造中的主要用途：1）形成硅中的擴(kuò)散層電阻2）形成雙極型晶體管的基區(qū)和發(fā)射區(qū)精選課件1）擴(kuò)散運(yùn)動：物質(zhì)的隨機(jī)熱運(yùn)動，趨向于降低其濃度梯度；即存在一個從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的凈移動。2）擴(kuò)散工藝：利用雜質(zhì)的擴(kuò)散運(yùn)動，將所需要的雜質(zhì)摻入硅襯底中，并使其具有特定的濃度分布。3）研究雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散運(yùn)動規(guī)律的目的：二、擴(kuò)散工藝■

開發(fā)合適的擴(kuò)散工藝，預(yù)測和控制雜質(zhì)濃度分布。■

研究IC制造過程中其他工藝步驟引入的擴(kuò)散過程對雜質(zhì)分布和器件電特性的影響。精選課件(1)氣態(tài)源：

AsH3，PH3，B2H6(2)固態(tài)源：1、目前的擴(kuò)散工藝已基本被離子注入取代，只有在進(jìn)行重?fù)诫s時還用擴(kuò)散工藝進(jìn)行。2、擴(kuò)散工藝的分類主要取決于雜質(zhì)源的形態(tài)，常見的雜質(zhì)源形態(tài)包括：單磷酸銨(NH4H2PO4)砷酸鋁(AlAsO4)精選課件硼源：BBr3(沸點(diǎn)90℃)磷源：POCl3(沸點(diǎn)107℃)(3)液態(tài)源精選課件■

防止引入污染■

工藝參數(shù)控制：溫度分布、氣流量和排片方式、片間距等■

工藝控制手段：前饋方式(試片)、使用假片3、擴(kuò)散設(shè)備類似于氧化爐管。4、擴(kuò)散工藝的控制要點(diǎn)：精選課件精選課件(2)填隙式擴(kuò)散兩種基本擴(kuò)散機(jī)制：(1)替代式擴(kuò)散三、擴(kuò)散方程精選課件（一）費(fèi)克一維擴(kuò)散方程描述擴(kuò)散運(yùn)動的基本方程——費(fèi)克第一定律其中，C是雜質(zhì)濃度，D是擴(kuò)散率(擴(kuò)散系數(shù))，F(xiàn)是雜質(zhì)凈流量根據(jù)物質(zhì)守恒定律，雜質(zhì)濃度隨時間的變化率與擴(kuò)散流量的減小相等，即：精選課件上式被稱為費(fèi)克擴(kuò)散方程代入式3，得到費(fèi)克第二定律假設(shè)D與位置無關(guān)，可簡化為：精選課件■硅中雜質(zhì)的擴(kuò)散率曲線(低濃度本征擴(kuò)散)：精選課件■替代式擴(kuò)散需要的激活能比填隙式的大■擴(kuò)散系數(shù)：其中，Ea為激活能；D0是一個與溫度無關(guān)的系數(shù)，取決于晶格結(jié)構(gòu)和振動頻率。(cm2/s)精選課件“固溶度”：平衡態(tài)下雜質(zhì)可溶于半導(dǎo)體材料的最高濃度，與溫度有關(guān)。四、擴(kuò)散分布在任何大于零的時刻，表面的雜質(zhì)濃度固定此時擴(kuò)散方程的解為：Cs是固定的表面雜質(zhì)濃度(/cm3)恒定表面源(濃度)擴(kuò)散又被稱為預(yù)淀積擴(kuò)散；在實(shí)際工藝中，Cs的值一般都是雜質(zhì)在硅中的固溶度。被稱為特征擴(kuò)散長度；1）第一種邊界條件：(恒定源擴(kuò)散)精選課件由(1)摻入硅中的雜質(zhì)總量(劑量，/cm2)隨擴(kuò)散時間變化：假設(shè)襯底雜質(zhì)濃度為CB，擴(kuò)散雜質(zhì)與襯底雜質(zhì)反型討論恒定源擴(kuò)散(2)計算擴(kuò)散形成的PN結(jié)結(jié)深：精選課件精選課件這是一個中心在x=0處的高斯分布2）第二種邊界條件：(有限源擴(kuò)散)此時擴(kuò)散方程的解為：擴(kuò)散過程中初始的雜質(zhì)總量S是固定的精選課件由(1)硅表面的雜質(zhì)濃度(/cm3)隨擴(kuò)散時間延長而降低：如果襯底雜質(zhì)濃度為CB，擴(kuò)散雜質(zhì)與襯底雜質(zhì)反型，討論有限源擴(kuò)散(2)計算擴(kuò)散形成的PN結(jié)結(jié)深：精選課件第二步：主擴(kuò)散3）實(shí)際擴(kuò)散工藝(1)先進(jìn)行恒定表面源的預(yù)淀積擴(kuò)散(溫度低，時間短)，擴(kuò)散很淺，目的是控制進(jìn)入硅片的雜質(zhì)總量；(2)以預(yù)擴(kuò)散雜質(zhì)分布作為摻雜源再進(jìn)行有限表面源的再分布擴(kuò)散，又稱主擴(kuò)散，通過控制擴(kuò)散溫度和時間以獲得預(yù)期的表面濃度和結(jié)深（分布）。為獲得足夠淺的預(yù)淀積分布，也可改用離子注入方法取代預(yù)擴(kuò)散步驟。第一步：預(yù)淀積擴(kuò)散“恒定源”+“有限源”的兩步擴(kuò)散法精選課件2、主要的檢測項目：五、擴(kuò)散工藝質(zhì)量檢測獲取作為深度和橫向位置函數(shù)的雜質(zhì)濃度(雜質(zhì)分布)1、目的：精選課件■

擴(kuò)散工藝是重要的摻雜技術(shù)之一，擴(kuò)散過程決定了雜質(zhì)在硅中的濃度和分布■一維擴(kuò)散的費(fèi)