【正文】 能獲得均勻、平坦的結(jié)面 。 —固 –固擴(kuò)散、氣 –固擴(kuò)散 。 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。 擴(kuò)散方法 167。 影響雜質(zhì)分布的其他因素 167。 擴(kuò)散機(jī)理 167。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)散方程及其解 167。 擴(kuò)散工藝參量與擴(kuò)散工藝條件的選擇 167。 擴(kuò)散層質(zhì)量檢驗(yàn) 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 。 。 的雜質(zhì)濃度及其分布 ,以滿足不同的要求 。 ,均勻性好 ,適合大生產(chǎn) 。 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。 ? 擴(kuò)散粒子總是從濃度高的地方向濃度低的地方移動(dòng) 。 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 。 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 。雜質(zhì)的最大固溶度是表面雜質(zhì)濃度 Ns的上限。 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。 2， 結(jié)論： 欲通過有限表面源擴(kuò)散獲得一定要求的表面雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)分布，就必須在預(yù)淀積時(shí)獲得適量的雜質(zhì)總量 Q，并控制好再分布擴(kuò)散的溫度時(shí)間。 影響雜質(zhì)分布的其他因素 ? 實(shí)際擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)通過窗口以垂直硅表面擴(kuò)散的同時(shí)，也將在窗口邊緣附近的硅中進(jìn)行平行表面的橫向擴(kuò)散，兩者是同時(shí)進(jìn)行的，但兩者的擴(kuò)散條件并不完全相同； ? 硅內(nèi)濃度比表面濃度低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上時(shí)，橫向擴(kuò)散的距離約為縱向擴(kuò)散距離的75－ 85%； 氧化物窗口邊緣的擴(kuò)散 等濃度線 一 橫向擴(kuò)散 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 29 ? 橫向擴(kuò)散的存在，實(shí)際擴(kuò)散區(qū)域要比窗口的尺寸大，造成擴(kuò)散區(qū)域之間的實(shí)際距離比由光刻版所確定的尺寸要小 橫向擴(kuò)散對(duì)溝道長(zhǎng)度的影響 ? 橫向擴(kuò)散直接影響 ULSI的集成度；并對(duì)結(jié)電容也將產(chǎn)生一定的影響； Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 30 二 場(chǎng)助效應(yīng) (Electric field enhanced ) 擴(kuò)散時(shí)，在擴(kuò)散粒子自建場(chǎng)作用下，加速了雜質(zhì)原子擴(kuò)散的速度，這一現(xiàn)象稱為場(chǎng)助效應(yīng) ? 電子由于具有很高的遷移率，因此移動(dòng)在前沿，這使帶正電荷的施主 As離子在后面，這樣就建立了一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng) ,阻止電子進(jìn)一步擴(kuò)散，最后電子擴(kuò)散流量和電子漂移流量平衡。 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 31 ?有效擴(kuò)散系數(shù)由離子流密度改變得到修正公式： 2111 4( / ) e ffiCCJ D DxxnC?? ????? ? ? ? ??????? ni：本征雜質(zhì)濃度 C：電離雜質(zhì)濃度 ?當(dāng)： C ni 時(shí)， Deff ? D 自建場(chǎng)沒影響； C ni 時(shí)， Deff = 2D 自建場(chǎng)使 D增加一倍。 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 34 擴(kuò)散系數(shù)的修正因子與硅基片濃度的關(guān)系 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 35 四，基區(qū)下陷效應(yīng) (Emitter Push effect ) ?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在 P發(fā)射區(qū)下的 B擴(kuò)散比旁邊的 B擴(kuò)散快，使得基區(qū)寬度改變。 ? 解決辦法： 尋求一種與基區(qū)雜質(zhì)原子半徑相接近的原子以減小晶格的應(yīng)變 。 ? 形成這一偏差的原因 ： ? 不同雜質(zhì)在 Si－ SiO2界面的分凝系數(shù) m不同 m = Csi/CSiO2 ? 雜質(zhì)在氧化層一側(cè)的擴(kuò)散系數(shù)的影響； ? 隨 SiO2的增厚 Si－ SiO2的界面隨時(shí)間而移動(dòng)； ? 工藝中利用氧化速率大小來控制、調(diào)整再分布后硅片中的雜質(zhì)總量和基區(qū)表面雜質(zhì)濃度； Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 39 基區(qū)摻硼、發(fā)射區(qū)摻磷時(shí)晶體管中雜質(zhì)的分布狀況 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 40 167。 則 18 2165 1 0 3 . 3 1 01 . 5 1 0SbNN?? ? ??則 介：由電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系曲線查 ?cm對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)濃度 Nb＝ 1016/cm3 由 A值與 Ns/Nb的關(guān)系曲線查出對(duì)應(yīng)的 A, 則 A＝ 再由雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散系數(shù)曲線圖中查出 1180℃ 下硼的擴(kuò)散系數(shù) D = 1012 cm2/sec 124 .8 1 .2 1 0 4 0 6 0 2 .6jx A D t m??? ? ? ? ? ?Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 43 ? 計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)值偏大，其原因有： jx A D t??由 可見，結(jié)深 Xj主要由擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間決定； （ 1）硅片進(jìn)爐時(shí)爐溫有所下降； （ 2）實(shí)際擴(kuò)散分布與理想高斯分布有一定的偏離； （ 3）擴(kuò)散系數(shù) D的精確度有一定局限性； ? 理論計(jì)算對(duì)實(shí)際工作具有一定的指導(dǎo)意義，但當(dāng)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值發(fā)生偏差時(shí)，應(yīng)以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)； 3，影響結(jié)深的因素 ?Xj還與 A值，即 Ns/Nb的大小有關(guān)； Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 44 二 薄層電阻 (sheet resistance) Rs 1 定義 : 層厚為 Xj（即擴(kuò)散結(jié)深），長(zhǎng)寬相等的一個(gè)擴(kuò)散薄層在電流方向所呈現(xiàn)的電阻 。 sjjLRL X X?????? Rs與正方形邊長(zhǎng) L無關(guān)； Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 45 2，物理意義 0111 ()jxjq N x dxx?? ???? 01 ()jxjq N x d xx??? ? 式中 , ?為 載流子遷移率， n 為載流子濃度 ,并假定溫室下雜質(zhì)全部電離 ,則載流子濃度 = 雜質(zhì)濃度( n = N)； ? 對(duì)于擴(kuò)散層，層內(nèi)雜質(zhì)有一定的分布，當(dāng)采用平均值的概念時(shí)： 11nq? ?????在雜質(zhì)均勻分布的半導(dǎo)體中 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 46 ? 假設(shè)遷移率為常數(shù)， SjjL L L LRRS a x x a a???? ? ? ? ? ? ? ??則， R = n RS xj a L 式中， Q為從表面到結(jié)邊界這一方塊薄層中單位面積上雜質(zhì)總量； 可見 ，擴(kuò)散層中擴(kuò)進(jìn)的雜質(zhì)總量越多，Rs就越??； ?在集成電路中的應(yīng)用： 0 ()jxjq N x d xx?? ? ?011()jS xjR x q Qq N x dx???? ? ??則 Semiconductor VLSI Process Principle 半導(dǎo)體集成電路工藝原理 47 222SQNDt??三，表面雜質(zhì)濃度 NS ? 恒定表面源擴(kuò)散 ? 表面雜質(zhì)濃度 NS取決于擴(kuò)散溫度下雜質(zhì)在硅中的固溶度； ? 有限表面源擴(kuò)散 ? 擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)總量 Q保持不變，而表面濃度隨擴(kuò)散時(shí)間的增長(zhǎng)而下降 。 ? 使擴(kuò)散結(jié)果具有良好的均勻性和重復(fù)性； ? 以晶體管的硼擴(kuò)散為例： 硼擴(kuò)散采用預(yù)淀積和再分布兩部擴(kuò)散法 1 預(yù)淀積溫度 T和時(shí)間 t是如何確定的？ （ 1）預(yù)淀積的目的：