【正文】 集成電路工藝原理 復(fù)旦大學(xué)微電子研究院 於偉峰 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 2 第四章 擴(kuò)散 (Diffusion) 167。 引言 167。 擴(kuò)散機(jī)理 167。 擴(kuò)散方程及其解 167。 影響雜質(zhì)分布的其他因素 167。 擴(kuò)散工藝參量與擴(kuò)散工藝條件的選擇 167。 擴(kuò)散方法 167。 擴(kuò)散層質(zhì)量檢驗(yàn) 167。 擴(kuò)散工藝常見的質(zhì)量問題及分析 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 3 第四章 擴(kuò)散 (Diffusion) 167。 引言 一 半導(dǎo)體中的摻雜方法 —雜質(zhì)摻入到基片熔體中 。 —固 –固擴(kuò)散、氣 –固擴(kuò)散 。 。 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 4 二 擴(kuò)散法優(yōu)點(diǎn) 、時(shí)間等工藝條件的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)來控制 PN結(jié)的結(jié)深 ,并能獲得均勻、平坦的結(jié)面 。 的雜質(zhì)濃度及其分布 ,以滿足不同的要求 。 、光刻技術(shù)相結(jié)合形成硅平面工藝 。 ,均勻性好 ,適合大生產(chǎn) 。 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 5 167。 擴(kuò)散機(jī)理 一 擴(kuò)散的本質(zhì) ?微觀粒子的一種極為普遍的熱運(yùn)動(dòng)方式 ,是微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。 在集成電路工藝中，將一定數(shù)量和一定種類的雜質(zhì)摻入硅片中的工藝。 ? 擴(kuò)散粒子總是從濃度高的地方向濃度低的地方移動(dòng) 。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(kuò)散系數(shù)， 菲克第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式 J D N? ? ?則 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 6 慢擴(kuò)散雜質(zhì)在 (111)硅中的擴(kuò)散系數(shù) 快 擴(kuò)散雜質(zhì)在 (111)硅中的擴(kuò)散系數(shù) Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 7 二 雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù) D ? D是描述雜質(zhì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)快慢的物理量 , 它與雜質(zhì)種類、擴(kuò)散溫度、氣氛以及襯底晶向等多種因素有關(guān) 。 1) 雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)對(duì)溫度的關(guān)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(zhì)濃度以及擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度有關(guān)； 1 0 /D m h??2) 快慢擴(kuò)散雜質(zhì)元素以 劃分 。 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 8 三 雜質(zhì)固溶度 (dopant solid solubility) ? 固溶度 (solid solubility):在一定溫度下，雜質(zhì)能溶硅中而不發(fā)生反應(yīng)形成分凝相的最大濃度。雜質(zhì)的最大固溶度是表面雜質(zhì)濃度 Ns的上限。 幾種雜質(zhì)在硅中的固溶度 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 9 四 硅體內(nèi)雜質(zhì)原子的擴(kuò)散機(jī)構(gòu) ? 擴(kuò)散最基本的兩種機(jī)制 1 替位式擴(kuò)散 雜質(zhì)原子進(jìn)入硅晶體以后，雜質(zhì)原子沿著晶格空位跳躍前進(jìn)的一種擴(kuò)散； ? 替位式擴(kuò)散機(jī)構(gòu)的特征：雜質(zhì)原子占據(jù)晶體晶格格點(diǎn)的正常位置，不改變晶體結(jié)構(gòu)； 替代式雜質(zhì) P， B， As, Al, Ga, Sb, Ge ?int ~ 3 – 4 eV Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 10 2 間隙式擴(kuò)散 雜質(zhì)原子在進(jìn)入硅晶體之后，從一個(gè)原子的間隙到另一個(gè)原子間隙逐次跳躍前進(jìn)的一種擴(kuò)散； ? 間隙式擴(kuò)散機(jī)構(gòu)的特征：雜質(zhì)原子只存在于晶體原子的間隙之中，擴(kuò)散的速率一般較替位式要快； 3 有些雜質(zhì)同時(shí)具有替位式和間隙式兩種擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，它們的有效擴(kuò)散系數(shù)則由這兩個(gè)獨(dú)立的擴(kuò)散系數(shù)權(quán)重結(jié)合給出； 間隙式雜質(zhì)： O, Au, Fe, Cu, Ni, Zn,Mg ?int ~ – eV Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 11 167。 擴(kuò)散方程及其解 擴(kuò)散是微觀粒子作無規(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濃度 低的地方進(jìn)行，而使得粒子的分子逐漸趨于 均勻。 一 擴(kuò)散的宏觀機(jī)制 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 12 C:雜質(zhì)濃度， D:擴(kuò)散系數(shù) , 單位： cm2/s. 負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散由高濃度處 向低濃度處進(jìn)行的 ?J為單位時(shí)間內(nèi)垂直擴(kuò)散通過單位面積的粒子數(shù) 1，由費(fèi)克第一定律 (Fick’s first law) C1 C2 ?x J = –D?N (1) ?由于擴(kuò)散結(jié)平行于硅表面，且結(jié)淺， (1)式可簡(jiǎn)化為 xt)C( x,Dt)(x,???J （ 2） Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 13 如果 D是常數(shù)， Jout ?C Jin X 質(zhì)量守恒 2，根據(jù)物質(zhì)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(kuò)散方程，稱為費(fèi)克第二定律； 它把濃度分布和擴(kuò)散時(shí)間及空間位置聯(lián)系了起來；描述了擴(kuò)散過程中，硅片中各點(diǎn)的雜質(zhì)濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律； 22 ),(),(xtxCDttxC????? (5) 則 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 14 二 擴(kuò)散方程的解 ? 恒定表面源擴(kuò)散 (Constant Source) —預(yù)淀積 (Predeposition) ? 有限表面源擴(kuò)散 (Finite Source) —雜質(zhì)推進(jìn) (Drive in) Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 15 硅片表面的雜質(zhì)濃度始終不變 ,這種擴(kuò)散也叫預(yù)淀積擴(kuò)散 (Predeposition diffusion) 1 恒定表面源擴(kuò)散 XSiGas Phase Source (Fixed Concentration) Thick Solid Surface Source, . P2O5 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 16 ?雜質(zhì)總量固定 (Finite Source) SiQTotal : atom/cm2 2 有限表面源擴(kuò)散 ? 離子注入引入一定量的雜質(zhì)總量； ? 在整個(gè)擴(kuò)散過程中，已形成的擴(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 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 17 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 18 3 恒定表面源擴(kuò)散方程的解 ? 邊界條件 (Boundary Condition) C( 0,t ) = Cs (雜質(zhì)固溶度 ) t≧0 x = 0 時(shí) C(∞,t) = 0 t≧0 x →∝ 時(shí) ? 起始條件 C(x, 0) = 0 t= 0 x 0時(shí) Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)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(kuò)散長(zhǎng)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