第二章擴散工藝(Diffusionprocess)■概述■擴散原理(模型與公式)■實際擴散分布的分析■擴散工藝和設備■擴散工藝質量檢測擴散工藝(Diffusionprocess)參考資料：《微電子制造科學原理與工程技術》第3章擴散(電子講稿中出現的圖號是該書中的圖號)■在lC制造中主要采用擴散法和離子注入法。■高濃度深結摻雜采用熱擴散法，淺結高精度摻雜用離子注入法。一、概述1、摻雜和擴散1）摻雜(Doping)用人為的方法將所需雜質按要求的濃度和分布摻入到半導體材料中，達到改變材料的電學性質、形成半導體器件結構的目的，稱之為“摻雜"。2）摻雜的方法合金法、擴散法、離子注入法。3）常用的摻雜雜質P(磷)、B(硼)、As(砷)、Sb(銻)3）形成MOSFET中的漏區和源區2、擴散工藝在IC制造中的主要用途：1）形成硅中的擴散層電阻2）形成雙極型晶體管的基區和發射區1）擴散運動：物質的隨機熱運動，趨向于降低其濃度梯度；即存在一個從高濃度區向低濃度區的凈移動。2）擴散工藝：利用雜質的擴散運動，將所需要的雜質摻入硅襯底中，并使其具有特定的濃度分布。3）研究雜質在硅中的擴散運動規律的目的：3、擴散運動與擴散工藝■

開發合適的擴散工藝，預測和控制雜質濃度分布。■

研究IC制造過程中其他工藝步驟引入的擴散過程對雜質分布和器件電特性的影響。二、擴散原理(模型與公式)（一）費克一維擴散方程描述擴散運動的基本方程一費克第一定律其中，C是雜質濃度，D是擴散率(擴散系數)，J是雜質凈流量根據物質守恒定律，雜質濃度隨時間的變化率與當地擴散流量的減小相等，即：上式被稱為費克簡單擴散方程代入式(2.1)，得到費克第二定律假設D與位置無關，式(2.2)可簡化為：位置變量用沿硅圓片深度方向(z)取代，上式可改寫為：(2)填隙型雜質（二）擴散率D與擴散的原子模型1、根據雜質在半導體材料晶格中所處的位置，可將雜質分為兩類：(1)替位型雜質■

填隙型雜質擴散很快■

對硅摻雜水平無直接貢獻2、雜質擴散機制(1)填隙擴散(InterstitialDiffusionMechanism)(2)直接交換式擴散(InterstitialDiffusionMechanism)替位型雜質原子必須打破與周圍本體原子間的鍵合，才能進行直接交換式擴散。雜質原子本體原子2、雜質擴散機制■

空位擴散需要的激活能比直接交換式擴散小；(3)空位擴散(vacancy-assistedDiffusionMechanism)雜質原子本體原子2、雜質擴散機制■

空位擴散是替位型雜質的主要擴散機制之一■雜質原子占據另一個晶格位置，該晶格位置上的本體原子被移開并成為自填隙原子。(4)推填隙式擴散(InterstitialcyDiffusionMechanism)雜質原子本體原子注意：只有存在空位擴散時，才能發生推填隙擴散。擴散過程：■替位式雜質原子被自填隙本體原子推到填隙位置；2、雜質擴散機制不需要自填隙本體原子來推動擴散過程的進行(5)擠出式擴散(Kick-outDiffusionMechanism)與Frank-Turnbull式擴散(Frank-TurnbullDiffusionMechanism)雜質原子本體原子2、雜質擴散機制2）空位模型：總擴散率是所有荷電狀態的空位的擴散率的加權總和，加權系數是這些空位存在的概率。3、Fair空位模型：1）“空位電荷"：中性空位俘獲電子，使其帶負電；中性空位的鄰位原子失去電子，可使空位帶正電。總擴散率表達式：帶電空位的數量建立在空位擴散機制的基礎上■硅中雜質的擴散率曲線(低濃度本征擴散)：■如果必須考慮帶電空位的擴散率，則擴散率就是位置的函數，因而費克第二定律方程必須采用數值方法來求解。■中性空位的擴散率：其中，E0a是中性空位的激活能(eV)；D00是一個與溫度無關的系數，取決于晶格結構和振動頻率。(cm2/s)“固溶度”：平衡態下雜質可溶于半導體材料的最高濃度，與溫度有關。4、費克第二定律的分析解費克簡單擴散方程在任何大于零的時刻，表面的雜質濃度固定此時擴散方程的解為：Cs是固定的表面雜質濃度(/cm3)預淀積擴散又被稱為恒定表面源(濃度)擴散；在實際工藝中，Cs的值一般都是雜質在硅中的固溶度。被稱為特征擴散長度(pm)；1）第一種邊界條件：(預淀積擴散)由(1)摻入硅中的雜質總量(劑量，/cm2)隨擴散時間變化：假設襯底雜質濃度為CB，擴散雜質與襯底雜質反型討論預淀積擴散(2)計算擴散形成的PN結結深：這是一個中心在z=0處的高斯分布2）第二種邊界條件：(推進擴散)假設擴散長度遠遠大于初始雜質分布的深度，則初始分布可近似為一個函數，邊界條件可寫為：此時擴散方程的解為：4、費克第二定律的分析解費克簡單擴散方程擴散過程中初始的雜質總量QJ是固定的由(1)硅表面的雜質濃度(/cm3)隨擴散時間延長而降低：如果襯底雜質濃度為CB，擴散雜質與襯底雜質反型，討論推進擴散(2)計算擴散形成的PN結結深：第二步：推進擴散3）實際擴散工藝(1)先進行恒定表面源的預淀積擴散(溫度低，時間短)，擴散很淺，目的是控制進入硅片的雜質總量；(2)以預擴散雜質分布作為摻雜源再進行有限表面源的推進擴散，又稱主擴散，通過控制擴散溫度和時間以獲得預期的表面濃度和結深（分布）。為獲得足夠淺的預淀積分布，也可改用離子注入方法取代預擴散步驟。第一步：預淀積擴散“預淀積擴散”+“推進擴散”的兩步擴散法假設預淀積擴散的擴散系數為D1，時間為t1，則上式可改寫為：5、計算兩步擴散法的雜質分布1）預淀積擴散(恒定表面濃度Cs)：擴散后雜質濃度分布：邊界條件：擴散后雜質總量為：假設推進擴散的擴散系數為D2，時間為t2，則上式可改寫為：2）推進擴散(有限表面源QT)：邊界條件：擴散后雜質濃度分布：5、計算兩步擴散法的雜質分布兩步擴散中推進擴散的邊界條件才能成立。只有當成立時，注意■

橫向擴散的存在影響IC集成度，也影響PN結電容。三、實際擴散分布的分析(與理論的偏差)1、橫向擴散：雜質在縱向擴散的同時，也進行橫向的擴散■一般橫向擴散長度是縱向擴散深度的0.75-0.85；■當雜質濃度

<<ni，時，hE=1■當雜質濃度

>>ni，時，hE=22、內建電場的影響高溫下雜質處于離化狀態，雜質離子與電子(空穴)同時向低濃度方向擴散。電子(空穴)擴散速度快，形成空間電荷層，建立一自建電場，使離子運動形式為擴散+漂移。有效擴散系數DeffD是本征擴散系數；hE

是電場增強因子此時，對擴散分布無嚴格的解析解，通常只能對特定雜質種類以近似解來描述。3、雜質濃度對擴散率的影響根據Fair空位模型，雜質總擴散率為：當考慮帶電空位的擴散時，擴散率是載流子濃度的函數，即是雜質濃度的函數。以施主雜質(N型)為例，氧化增強擴散或氧化阻滯擴散4、擴散氣氛的影響■P、B在O2氣氛中擴散比在N2中快，稱之為氧化增強擴散。■As在O2氣氛中擴散比在N2中慢，稱之為氧化阻滯擴散。原因：■氧化時硅片表面存在大量過剩填隙原子，填隙原子數增加，導致空位數量減少(填隙原子一空位復合)。■P，B的擴散機制主要是推填隙擴散機制；As的擴散機制主要是空位擴散機制。雜質在半導體中的擴散與空位濃度有關一般條件下A取值為4.65、SiO2中的擴散對于常見的雜質，如B，P，As等，其在SiO2中的擴散系數比在Si中的擴散系數小得多，因此，SiO2經常用做雜質擴散的掩蔽層SiO2用做擴散掩蔽層的最小厚度估算公式：影響SiO2的掩蔽效果的主要因素：■擴散系數比例■擴散時間■雜質在Si和SiO2中的濃度■雜質分凝系數簡化的SiO2掩蔽層最小厚度估算公式：■隨著IC器件尺寸的不斷縮小，要求雜質的再分布效應減到最小，因此，低溫工藝是VLSI技術的急迫需要。6、IC工藝的熱預算(ThermalBudget)■IC制造過程中經過的每一步高溫工藝，都會對最終的雜質分布產生影響。——雜質再分布■假設硅片經過的高溫過程有：溫度T1下時間t1，溫度

T2下時間t2，……，其相對應的擴散率為D1，D2，……，則總的有效擴散特征長度為：(1)氣態源：

AsH3，PH3，B2H6(2)固態源：四、擴散工藝和設備1、目前的擴散工藝已基本被離子注入取代，只有在進行重摻雜時還用擴散工藝進行。2、擴散工藝的分類主要取決于雜質源的形態，常見的雜質源形態包括：單磷酸銨(NH4H2PO4)砷酸鋁(AlAsO4)硼源：BBr3(沸點90℃)磷源：POCl3(沸點107℃)(3)液態源■

防止引入污染■

工藝參數控制：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、擴散設備類似于氧化爐管。4、擴散工藝的控制要點：■不能精確控制摻雜濃度和分布，橫向效應大■不適于低劑量、淺分布的摻雜工藝■擴散設備無法實現在線質量監控5、擴散工藝的局限性1）在CMOSIC工藝中，只有多晶硅淀積后重摻雜P還采用

POCl3進行擴散摻雜。2）擴散工藝存在的主要問題：3）隨著器件尺寸的縮小，雜質分布要求越來越淺，摻雜精確度要求越來越高，因此，擴散工藝在1980年代后逐步被離子注入摻雜技術所取代。2、主要的檢測項目：五、擴散工藝質量檢測獲取作為深度和橫向位置函數的雜質濃度(雜質分布)1、目的：四探針法測量樣品薄層電阻1）薄層電阻的測量：■四探針法當探針間距遠遠大于結深時，有用于檢測擴散分布時，必須保證襯底絕緣或擴散層一襯底問形成反偏PN結。其中，F(Q)是形狀因子，對于正方形結構，范德堡法測量樣品薄層電阻1）薄層電阻的測量：■

范德堡法圖3.16利用霍爾效應測量載流子類型、遷移率和濃度。■利用霍爾效應，可直接測量總的載流子濃度，以及載流子類型、遷移率等信息。■總的載流子濃度：2）霍爾效應■平均遷移率：3）雜質濃度—深度分布關系的測量■MOS電容的C—V法耗盡層寬度二極管電容雜質濃度■擴展電阻法(1)將樣品磨出一個小角度斜面(2)將樣品放在載片臺上，用一對探針以預定壓力與樣品表面接觸，測量該電阻值。(3)將該電阻值與一個已知濃度的標準值進行比較，從電阻率反推出載流子的分布。主要問題

測量結果取決于點接觸的重復性。

進表面測量比較困難。

測量樣品與校準標準片比較接近。■二次離子質譜法(SIMS)圖3.18SIMS裝置圖

樣品放入儀器，抽真空。

1~5keV的離子束