第2章-擴(kuò)散教材

第2章擴(kuò)散

“擴(kuò)散”

是一種基本的摻雜技術(shù)。通過擴(kuò)散可將一定種類和數(shù)量的雜質(zhì)摻入硅片或其它晶體中，以改變其電學(xué)性質(zhì)。OxideOxidep+SiliconsubstrateDiffusedregionNDopantgas摻雜技術(shù)的種類離子注入擴(kuò)散摻雜可形成

PN

結(jié)、雙極晶體管的基區(qū)、發(fā)射區(qū)、隔離區(qū)和隱埋區(qū)、MOS

晶體管的源區(qū)、漏區(qū)和阱區(qū)，以及擴(kuò)散電阻、互連引線、多晶硅電極等。在硅中摻入少量

Ⅲ

族元素可獲得

P

型半導(dǎo)體，摻入少量Ⅴ族元素可獲得

N

型半導(dǎo)體。摻雜的濃度范圍為

1014

~

1021

cm-3，而硅的原子密度是5

×1022

cm-3，所以摻雜濃度為

1017

cm-3時(shí)，相當(dāng)于在硅中僅摻入了百萬分之幾的雜質(zhì)。1.擴(kuò)散工藝定義：在一定溫度下雜質(zhì)原子具有一定能量，能夠克服阻力進(jìn)入半導(dǎo)體并在其中做緩慢的遷移運(yùn)動(dòng)。形式：替代式擴(kuò)散和間隙式擴(kuò)散

恒定表面濃度擴(kuò)散和再分布擴(kuò)散硅器件生產(chǎn)中的兩步擴(kuò)散工藝

在硅器件平面工藝中，常采用“兩步擴(kuò)散”工藝。第一步采用恒定表面源擴(kuò)散的方式，在硅片表面淀積一定數(shù)量Q的雜質(zhì)原子。由于擴(kuò)散溫度較低，擴(kuò)散時(shí)間較短，雜質(zhì)原子在硅片表面的擴(kuò)散深度極淺，如同淀積在表面，通常稱為“預(yù)淀積”。第二步是把經(jīng)預(yù)淀積的硅片放入另一擴(kuò)散爐內(nèi)加熱，使雜質(zhì)向硅片內(nèi)部擴(kuò)散，重新分布，達(dá)到所要求的表面濃度和擴(kuò)散深度。所以，這一步是有限表面源擴(kuò)散，常稱為“再分布”。擴(kuò)散方式氣態(tài)源擴(kuò)散：氣態(tài)摻雜劑穿過支管，通過壓力罐被計(jì)量導(dǎo)入淀積爐管。液態(tài)源擴(kuò)散：利用保護(hù)氣體攜帶雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入反應(yīng)室，在高溫下分解并與硅表面發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生雜質(zhì)原子，雜質(zhì)原子向硅內(nèi)部擴(kuò)散。固態(tài)源擴(kuò)散：固態(tài)源在高溫下汽化、活化后與硅表面反應(yīng)，雜質(zhì)分子進(jìn)入硅表面并向內(nèi)部擴(kuò)散。擴(kuò)散工藝主要參數(shù)結(jié)深：當(dāng)用與襯底導(dǎo)電類型相反的雜質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)，在硅片內(nèi)擴(kuò)散雜質(zhì)濃度與襯底原有雜質(zhì)濃度相等的地方就形成了pn結(jié)，結(jié)距擴(kuò)散表面的距離叫結(jié)深。薄層電阻Rs（方塊電阻）表面濃度：擴(kuò)散層表面的雜質(zhì)濃度。方塊電阻方塊電阻是標(biāo)志擴(kuò)散層質(zhì)量的另一個(gè)重要參數(shù)，一般用R□或Rs表示，單位是Ω/□。

由于擴(kuò)散層存在雜質(zhì)濃度分布梯度，電阻率應(yīng)由平均電阻率來代替，則方塊電阻

擴(kuò)散層質(zhì)量參數(shù)

表面濃度

擴(kuò)散層質(zhì)量參數(shù)

（1）雜質(zhì)表面濃度

NS

由該種雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度下的固溶度所決定。當(dāng)擴(kuò)散溫度不變時(shí)，表面雜質(zhì)濃度維持不變；（2）擴(kuò)散的時(shí)間越長，擴(kuò)散溫度越高，則擴(kuò)散進(jìn)入硅片內(nèi)單位面積的雜質(zhì)總量（稱為

雜質(zhì)劑量

QT）就越多；（3）擴(kuò)散時(shí)間越長，擴(kuò)散溫度越高，則雜質(zhì)擴(kuò)散得越深。

表面濃度的大小一般由擴(kuò)散形式、擴(kuò)散雜質(zhì)源、擴(kuò)散溫度和時(shí)間所決定。但恒定表面源擴(kuò)散，表面濃度的數(shù)值基本上是擴(kuò)散溫度下雜質(zhì)在硅中的固溶度。也就是說，對于給定雜質(zhì)源、表面濃度由擴(kuò)散溫度控制。對有限表面源擴(kuò)散，表面濃度則由預(yù)淀積的雜質(zhì)總量和擴(kuò)散時(shí)的溫度和時(shí)間所決定。但擴(kuò)散溫度和時(shí)間由結(jié)深的要求所決定，所以此時(shí)的表面濃度主要由預(yù)淀積的雜質(zhì)總量來控制。在結(jié)深相同的情況下，預(yù)淀積的雜質(zhì)總量越多，再分布后的表面濃度就越大。擴(kuò)散層質(zhì)量參數(shù)

次表面濃度和次表面層薄層電阻次表面薄層就是指擴(kuò)散表面之下，自某個(gè)深度x的平面到pn結(jié)位置之間的一個(gè)薄層。次表面層薄層電阻可表示為:

擴(kuò)散層質(zhì)量參數(shù)

二、結(jié)深的測量測量結(jié)深的方法主要有

磨角法、磨槽法（滾槽法）

和

光干涉法。

1、磨角染色法

將擴(kuò)散片磨成斜角（1

~5

），用染色液進(jìn)行染色以區(qū)分N區(qū)和P區(qū)的界面。常用的染色液是濃氫氟酸加0.1~0.5體積的濃硝酸的混合液。最后通過下面的公式可求出結(jié)深，

2、磨槽染色法適用于測量淺結(jié)。式中，R

是磨槽圓柱體的半徑，a和b由顯微鏡測出。若

R

遠(yuǎn)大于a和b，則上式可近似為

3、光干涉法斷面SEM法測結(jié)深1、四探針法測薄層電阻ＩVRs=kV/IsP擴(kuò)散分布分析無窮大樣品有限尺寸樣品測量薄層電阻的方法主要有

四探針法

和

范德堡法。四探針法2、范德堡法測薄層電阻R=1/4[V12/I34+V23/I41+V34/I12+V41/I23]質(zhì)量分析1．硅片表面不良：表面合金點(diǎn)；表面黑點(diǎn)或白霧；表面凸起物；表面氧化層顏色不一致；硅片表面滑移線或硅片彎曲；硅片表面劃傷，邊緣缺損，或硅片開裂等2．漏電電流大：表面沾污引起的表面漏電；氧化層的缺陷破壞了氧化層在雜質(zhì)擴(kuò)散時(shí)的掩蔽作用和氧化層在電路中的絕緣作用而導(dǎo)電；硅片的缺陷引起雜質(zhì)擴(kuò)散時(shí)產(chǎn)生管道擊穿。3．薄層電阻偏差。工藝控制污染控制：顆粒、有機(jī)物、薄膜、金屬離子污染來源：操作者,清洗過程,高溫處理,工具?參量控制：溫度，時(shí)間，氣體流量(影響最大?)1.溫度控制：源溫、硅片溫度、升溫降溫、測溫2.時(shí)間：進(jìn)舟出舟自動(dòng)化,試片3.氣體流量：流量穩(wěn)定，可重復(fù)性

3.1一維費(fèi)克擴(kuò)散方程本質(zhì)上，擴(kuò)散是微觀粒子作不規(guī)則熱運(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著濃度較低的地方進(jìn)行，從而使得粒子的分布逐漸趨于均勻。濃度差越大，溫度越高，擴(kuò)散就越快。在一維情況下，單位時(shí)間內(nèi)垂直擴(kuò)散通過單位面積的粒子數(shù)，即擴(kuò)散粒子的流密度

J

(

x

,

t

)

，與粒子的濃度梯度成正比，即

費(fèi)克第一定律，式中，負(fù)號表示擴(kuò)散由高濃度處向著低濃度處進(jìn)行。比例系數(shù)

D

稱為粒子的

擴(kuò)散系數(shù)，取決于粒子種類和擴(kuò)散溫度。典型的擴(kuò)散溫度為

900℃~1200℃。D

的大小直接表征著該種粒子擴(kuò)散的快慢。將費(fèi)克第一定律針對不同邊界條件和初始條件可求出方程的解，得出雜質(zhì)濃度

N

(

x

,t

)的分布，即

N

與x和

t

的關(guān)系。上式又稱為

費(fèi)克第二定律。假定雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)

D

是與雜質(zhì)濃度

N

無關(guān)的常數(shù)，則可得到雜質(zhì)的

擴(kuò)散方程代入

連續(xù)性方程1、恒定表面濃度擴(kuò)散式中，erfc

代表余誤差函數(shù)；稱為特征擴(kuò)散長度。由上述邊界條件與初始條件可求出擴(kuò)散方程的解，即恒定表面濃度擴(kuò)散的雜質(zhì)分布情況，為

余誤差函數(shù)分布，3.2費(fèi)克定律的分析解邊界條件

1N（0,t）=NS

邊界條件

2N（∞,t）=0初始條件N（x,0）=0

在整個(gè)擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)不斷進(jìn)入硅中，而表面雜質(zhì)濃度NS

始終保持不變。

恒定表面濃度擴(kuò)散的主要特點(diǎn)

（1）雜質(zhì)表面濃度

NS

由該種雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度下的固溶度所決定。當(dāng)擴(kuò)散溫度不變時(shí)，表面雜質(zhì)濃度維持不變；（2）擴(kuò)散的時(shí)間越長，擴(kuò)散溫度越高，則擴(kuò)散進(jìn)入硅片內(nèi)單位面積的雜質(zhì)總量（稱為

雜質(zhì)劑量

QT）就越多；（3）擴(kuò)散時(shí)間越長，擴(kuò)散溫度越高，則雜質(zhì)擴(kuò)散得越深。

擴(kuò)散開始時(shí)，表面放入一定量的雜質(zhì)源，而在以后的擴(kuò)散過程中不再有雜質(zhì)加入。假定擴(kuò)散開始時(shí)硅片表面極薄一層內(nèi)單位面積的雜質(zhì)總量為

QT

，雜質(zhì)的擴(kuò)散長度遠(yuǎn)大于該層厚度，則雜質(zhì)的初始分布可取為

函數(shù)，擴(kuò)散方程的初始條件和邊界條件為這時(shí)擴(kuò)散方程的解為中心在x=0處的

高斯分布

2、恒定雜質(zhì)總量擴(kuò)散

恒定雜質(zhì)總量擴(kuò)散的主要特點(diǎn)

（1）在整個(gè)擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)總量

QT

保持不變；（2）擴(kuò)散時(shí)間越長，擴(kuò)散溫度越高，則雜質(zhì)擴(kuò)散得越深；（3）擴(kuò)散時(shí)間越長，擴(kuò)散溫度越高，表面濃度

NS

越低，即表面雜質(zhì)濃度可控。第一步恒定表面濃度擴(kuò)散，淀積到硅片上的雜質(zhì)總量為

D2

代表再分布溫度下的雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，t2

代表再分布時(shí)間。再分布后的表面雜質(zhì)濃度為

D1

代表預(yù)淀積溫度下的雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，t1

代表預(yù)淀積時(shí)間，NS1

代表預(yù)淀積溫度下的雜質(zhì)固溶度。若預(yù)淀積后的分布可近似為δ函數(shù)，則可求出再分布后的雜質(zhì)濃度分布為還可求出再分布后的結(jié)深。設(shè)襯底雜質(zhì)濃度為

NB，即可解得令摻雜分布控制：前面得出的擴(kuò)散后的雜質(zhì)分布是采用理想化假設(shè)的結(jié)果，而實(shí)際分布與理論分布之間存在著一定的差異，主要有：

1、二維擴(kuò)散（橫向擴(kuò)散）

3.3簡單理論的修正實(shí)際擴(kuò)散中，雜質(zhì)在通過窗口垂直向硅中擴(kuò)散的同時(shí)，也將在窗口邊緣沿表面進(jìn)行橫向擴(kuò)散?？紤]到橫向擴(kuò)散后，要得到實(shí)際的雜質(zhì)分布，必須求解二維或三維擴(kuò)散方程。橫向擴(kuò)散的距離約為縱向擴(kuò)散距離的

75%

~

80%

。由于橫向擴(kuò)散的存在，實(shí)際擴(kuò)散區(qū)域大于由掩模版決定的尺寸，此效應(yīng)將直接影響到

VLSI

的集成度。

2、雜質(zhì)濃度對擴(kuò)散系數(shù)的影響前面的討論假定擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度無關(guān)。實(shí)際上只有當(dāng)雜質(zhì)濃度比擴(kuò)散溫度下的本征載流子濃度

ni(T)

低時(shí)，才可認(rèn)為擴(kuò)散系數(shù)與摻雜濃度無關(guān)。在高摻雜濃度下各種空位增多，擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)為各種電荷態(tài)空位的擴(kuò)散系數(shù)的總和。

3

、電場效應(yīng)高溫?cái)U(kuò)散時(shí)，摻入到硅中的雜質(zhì)一般處于電離狀態(tài)，電離的施主和電子，或電離的受主與空穴將同時(shí)向低濃度區(qū)擴(kuò)散。因電子空穴的運(yùn)動(dòng)速度比電離雜質(zhì)快得多，因而在硅中將產(chǎn)生空間電荷區(qū)，建立一個(gè)

自建場，使電離雜質(zhì)產(chǎn)生一個(gè)與擴(kuò)散方向相同的漂移運(yùn)動(dòng)，從而

加速了雜質(zhì)的擴(kuò)散

。值在0到

1

之間，與雜質(zhì)濃度有關(guān)。4、發(fā)射區(qū)陷落效應(yīng)在基區(qū)寬度極薄的

NPN

晶體管中，若發(fā)射區(qū)擴(kuò)散磷，則發(fā)射區(qū)正下方的內(nèi)基區(qū)要比外基區(qū)深，這種現(xiàn)象稱為發(fā)射區(qū)陷落效應(yīng)。為避免此效應(yīng)的發(fā)生，發(fā)射區(qū)可采用砷擴(kuò)散，或采用多晶硅發(fā)射極。3.4常見雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)

硼：濃度在

1020cm-3

以下時(shí)，硼的擴(kuò)散系數(shù)中以

D+

為主，與雜質(zhì)濃度的關(guān)系不大

。濃度超過

1020cm-3

后，有些原子將處于填隙位置

，或凝結(jié)成團(tuán)，使硼的擴(kuò)散系數(shù)在這個(gè)濃度范圍內(nèi)降低。砷：濃度在

1020cm-3

以下時(shí)，砷的擴(kuò)散系數(shù)中以

D0

和

D-

為主。濃度超過

1020cm-3

后，有些原子也將處于填隙位置。砷在硅中的擴(kuò)散系數(shù)較低，因此常用于淺結(jié)擴(kuò)散中，例如亞微米

NMOS

的源漏區(qū)擴(kuò)散和微波雙極晶體管的發(fā)射區(qū)擴(kuò)散

。此外，高濃度下填隙原子的增多使擴(kuò)散分布的頂部變得平坦，高濃度下砷擴(kuò)散的電場增強(qiáng)效應(yīng)很明顯，這又使得擴(kuò)散分布的前沿非常陡。結(jié)果使砷擴(kuò)散的分布呈矩形的所謂

箱形分布，這也有利于淺結(jié)擴(kuò)散。磷：磷的擴(kuò)散系數(shù)比砷高得多，而且擴(kuò)散分布比較平緩，因此不利于形成淺結(jié)。磷擴(kuò)散可用于較大尺寸

NMOS

的源漏區(qū)擴(kuò)散和低頻雙極晶體管的發(fā)射區(qū)擴(kuò)散；在大功率

MOS

器件中對漏區(qū)進(jìn)行磷擴(kuò)散可降低漏附近的電場強(qiáng)度；在大規(guī)模集成電路中，磷擴(kuò)散主要用于阱區(qū)和隔離區(qū)。二、結(jié)深的測量測量結(jié)深的方法主要有

磨角法、磨槽法（滾槽法）

和

光干涉法。

1、磨角染色法

將擴(kuò)散片磨成斜角（1

~5

），用染色液進(jìn)行染色以區(qū)分N區(qū)和P區(qū)的界面。常用的染色液是濃氫氟酸加0.1~0.5體積的濃硝酸的混合液。最后通過下面的公式可求出結(jié)深，

3、光干涉法

2、磨槽染色法適用于測量淺結(jié)。式中，R

是磨槽圓柱體的半徑，a和b由顯微鏡測出。若

R

遠(yuǎn)大于a和b，則上式可近似為

三、雜質(zhì)濃度分布的測量測量雜質(zhì)濃度分布的方法主要有

電容法、擴(kuò)展電阻法、剝層法

和

掃描電容顯微法

等。電容法單邊突變結(jié)的勢壘電容為將上式對電壓求導(dǎo)，可解出雜質(zhì)濃度分布為擴(kuò)展電阻法探針3.6

SiO2中的擴(kuò)散雜質(zhì)在

SiO2

中的擴(kuò)散系數(shù)也可表為B、P、As、Sb

等雜質(zhì)在

SiO2

中的擴(kuò)散系數(shù)很小，因此可將

SiO2

層用作雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽膜。

SiO2

掩蔽層厚度的確定雜質(zhì)在

SiO2

層中的分布大部分按余誤差函數(shù)分布如果定義

N(x)/NS的比值為

10–3

時(shí)對應(yīng)的

SiO2

厚度為能夠有效掩蔽雜質(zhì)的最小厚度

tmin，則

大規(guī)模集成電路中的

MOSFET

一般采用

硅柵自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。SiO2

掩蔽層厚度的確定在對源、漏區(qū)和多晶硅柵進(jìn)行摻雜時(shí)，柵氧化層應(yīng)確保溝道區(qū)不被摻雜。

由于深亞微米

MOSFET

的柵氧化層厚度在

10nm

以下，且溝道區(qū)的雜質(zhì)濃度僅為源、漏區(qū)和多晶硅柵的雜質(zhì)濃度的

10-4以下，所以這是一個(gè)嚴(yán)重問題。擴(kuò)散技術(shù)的