【正文】 集成電路工藝原理 復旦大學微電子研究院 於偉峰 Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 2 第四章 擴散 (Diffusion) 167。 引言 167。 擴散機理 167。 擴散方程及其解 167。 影響雜質分布的其他因素 167。 擴散工藝參量與擴散工藝條件的選擇 167。 擴散方法 167。 擴散層質量檢驗 167。 擴散工藝常見的質量問題及分析 Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 3 第四章 擴散 (Diffusion) 167。 引言 一 半導體中的摻雜方法 —雜質摻入到基片熔體中 。 —固 –固擴散、氣 –固擴散 。 。 Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 4 二 擴散法優(yōu)點 、時間等工藝條件的準確調節(jié)來控制 PN結的結深 ,并能獲得均勻、平坦的結面 。 的雜質濃度及其分布 ,以滿足不同的要求 。 、光刻技術相結合形成硅平面工藝 。 ,均勻性好 ,適合大生產(chǎn) 。 Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 5 167。 擴散機理 一 擴散的本質 ?微觀粒子的一種極為普遍的熱運動方式 ,是微觀粒子熱運動的統(tǒng)計結果。 在集成電路工藝中，將一定數(shù)量和一定種類的雜質摻入硅片中的工藝。 ? 擴散粒子總是從濃度高的地方向濃度低的地方移動 。這種由粒子濃度梯度產(chǎn)生的粒子流密度 (J)與粒子的濃度梯度 (?N)成正比 ,式中 D為粒子的擴散系數(shù)， 菲克第一定律的數(shù)學表達式 J D N? ? ?則 Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 6 慢擴散雜質在 (111)硅中的擴散系數(shù) 快 擴散雜質在 (111)硅中的擴散系數(shù) Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 7 二 雜質的擴散系數(shù) D ? D是描述雜質擴散運動快慢的物理量 , 它與雜質種類、擴散溫度、氣氛以及襯底晶向等多種因素有關 。 1) 雜質擴散系數(shù)對溫度的關系 D隨溫度 T變化迅速 , T越高 , D越大 。 一般溫度每升高 10℃,D 將增加一倍左右 。 3) D還與基片材料的晶向、晶格的完整性、基片材料本體雜質濃度以及擴散雜質的表面濃度有關； 1 0 /D m h??2) 快慢擴散雜質元素以 劃分 。 Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 8 三 雜質固溶度 (dopant solid solubility) ? 固溶度 (solid solubility):在一定溫度下，雜質能溶硅中而不發(fā)生反應形成分凝相的最大濃度。雜質的最大固溶度是表面雜質濃度 Ns的上限。 幾種雜質在硅中的固溶度 Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 9 四 硅體內雜質原子的擴散機構 ? 擴散最基本的兩種機制 1 替位式擴散 雜質原子進入硅晶體以后，雜質原子沿著晶格空位跳躍前進的一種擴散； ? 替位式擴散機構的特征：雜質原子占據(jù)晶體晶格格點的正常位置，不改變晶體結構； 替代式雜質 P， B， As, Al, Ga, Sb, Ge ?int ~ 3 – 4 eV Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 10 2 間隙式擴散 雜質原子在進入硅晶體之后，從一個原子的間隙到另一個原子間隙逐次跳躍前進的一種擴散； ? 間隙式擴散機構的特征：雜質原子只存在于晶體原子的間隙之中，擴散的速率一般較替位式要快； 3 有些雜質同時具有替位式和間隙式兩種擴散結構，它們的有效擴散系數(shù)則由這兩個獨立的擴散系數(shù)權重結合給出； 間隙式雜質： O, Au, Fe, Cu, Ni, Zn,Mg ?int ~ – eV Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 11 167。 擴散方程及其解 擴散是微觀粒子作無規(guī)則熱運動的統(tǒng)計結果 , 這種運動總是由粒子濃度較高的地方向濃度 低的地方進行，而使得粒子的分子逐漸趨于 均勻。 一 擴散的宏觀機制 Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 12 C:雜質濃度， D:擴散系數(shù) , 單位： cm2/s. 負號表示擴散由高濃度處 向低濃度處進行的 ?J為單位時間內垂直擴散通過單位面積的粒子數(shù) 1，由費克第一定律 (Fick’s first law) C1 C2 ?x J = –D?N (1) ?由于擴散結平行于硅表面，且結淺， (1)式可簡化為 xt)C( x,Dt)(x,???J （ 2） Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 13 如果 D是常數(shù)， Jout ?C Jin X 質量守恒 2，根據(jù)物質連續(xù)性的概念 () ()C d x s JJ J d x stx? ? ???? ? ? ? ???????X)t,X(Jt)t,X(C??????則 , (3) )XCD(XX )t,X(Jt )t,X(C ???????????? (4) (5)式即為擴散方程，稱為費克第二定律； 它把濃度分布和擴散時間及空間位置聯(lián)系了起來；描述了擴散過程中，硅片中各點的雜質濃度隨時間變化的規(guī)律； 22 ),(),(xtxCDttxC????? (5) 則 Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 14 二 擴散方程的解 ? 恒定表面源擴散 (Constant Source) —預淀積 (Predeposition) ? 有限表面源擴散 (Finite Source) —雜質推進 (Drive in) Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 15 硅片表面的雜質濃度始終不變 ,這種擴散也叫預淀積擴散 (Predeposition diffusion) 1 恒定表面源擴散 XSiGas Phase Source (Fixed Concentration) Thick Solid Surface Source, . P2O5 Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 16 ?雜質總量固定 (Finite Source) SiQTotal : atom/cm2 2 有限表面源擴散 ? 離子注入引入一定量的雜質總量； ? 在整個擴散過程中，已形成的擴散雜質總量作為擴散的雜質源，不再有新源補充 Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 17 Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 18 3 恒定表面源擴散方程的解 ? 邊界條件 (Boundary Condition) C( 0,t ) = Cs (雜質固溶度 ) t≧0 x = 0 時 C(∞,t) = 0 t≧0 x →∝ 時 ? 起始條件 C(x, 0) = 0 t= 0 x 0時 Semiconductor VLSI Process Principle 半導體集成電路工藝原理 19 式中， Cs是固定表面濃度 , erf為誤差函數(shù)， Erfc為余 誤差函數(shù) 稱為特征擴散長度 Dt2202( , ) [ 1 ]x yDtsC x t C e d y???? ?介為 : 余 誤差函數(shù)分布 ( , ) ( 1 )22SS xxC x t C e r f C e r