1、本章重点本章重点n掺杂的目的；掺杂的目的；n掺杂的方法；掺杂的方法；n恒定源扩散；恒定源扩散；n有限源扩散；有限源扩散；n掺杂：掺杂技术是在高温条件下，将杂质原子以一掺杂：掺杂技术是在高温条件下，将杂质原子以一定的可控量掺入到半导体中，以改变半导体硅片的定的可控量掺入到半导体中，以改变半导体硅片的导电类型或表面杂质浓度。导电类型或表面杂质浓度。n形成形成PN结、电阻结、电阻n磷磷(P)、砷、砷(As)N型硅型硅n硼硼(B)P型硅型硅什么是掺杂什么是掺杂扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。高温扩散高温扩散：杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散到硅
2、：杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散到硅片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由分布主要是由高温高温与与扩散时间扩散时间来决定。来决定。形成深结形成深结n扩散工艺的优越性：扩散工艺的优越性：（1）可以通过对温度、时间等工艺条件的准确调节，来控）可以通过对温度、时间等工艺条件的准确调节，来控 制制PN结面的深度和晶体管的基区宽度，并能获得均匀平坦结面的深度和晶体管的基区宽度，并能获得均匀平坦 的结面。的结面。（2）可以通过对扩散工艺条件的调节与选择，来控制扩散）可以通过对扩散工艺条件的调节与选择，来控制扩散 层表面的
3、杂质浓度及其杂质分布，以满足不同器件的要求。层表面的杂质浓度及其杂质分布，以满足不同器件的要求。（3）与氧化、光刻等技术相组合形成的硅平面工艺有利于改）与氧化、光刻等技术相组合形成的硅平面工艺有利于改 善晶体管和集成电路的性能。善晶体管和集成电路的性能。（4）重复性好，均匀性好，适合与大批量生产。）重复性好，均匀性好，适合与大批量生产。离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分内，杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注入能量决定。布主要由离子质量和注入能量决定。形成浅结形成浅结掺杂区掺杂区n
4、掺杂区的类型：相同或相反掺杂区的类型：相同或相反n结深：结深：硅片中硅片中p型杂质与型杂质与n型杂质相遇的深度，用型杂质相遇的深度，用Xj表示，深度等于结深的地方，电子与空穴的浓表示，深度等于结深的地方，电子与空穴的浓度相等。度相等。6.1 6.1 基本扩散工艺基本扩散工艺掺入方式有：气相源；固相源；液相源，其中液态掺入方式有：气相源；固相源；液相源，其中液态源最常用。源最常用。使用液相源的磷扩散的化学反应如下：使用液相源的磷扩散的化学反应如下：3225243 26POClOPOClP2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。25
5、225 45POSiPSiO影响扩散参量的因素：影响扩散参量的因素：POCl3的温度、扩散温度、时间、气的温度、扩散温度、时间、气体流量。体流量。电炉电炉O2N2液态杂质源石英管排气口硅晶片典型的开管扩散系统结构图典型的开管扩散系统结构图6.1.1 6.1.1 扩散方程式扩散方程式半导体中的扩散可以视为在晶格中通过半导体中的扩散可以视为在晶格中通过空位或填隙空位或填隙原子形式进行的原子移动。原子形式进行的原子移动。(1)替代式扩散替代式扩散替位原子的运动必须以其近邻处有空位存在为前提。替位原子的运动必须以其近邻处有空位存在为前提。移动速度较慢的杂质，如半导体掺杂常用的砷、磷，通常移动速度较慢的
6、杂质，如半导体掺杂常用的砷、磷，通常利用替代运动填充晶格中的空位。利用替代运动填充晶格中的空位。(2)填隙式扩散填隙式扩散 扩散流密度扩散流密度F-单位时间内通过单位面积的杂质原子数；单位时间内通过单位面积的杂质原子数；C-单位体积的杂质浓度；单位体积的杂质浓度；D-扩散系数或扩散率；扩散系数或扩散率；扩散驱动力是浓度梯度，杂质原子从高浓度区流向低浓度扩散驱动力是浓度梯度，杂质原子从高浓度区流向低浓度区。区。CFDx 具有高扩散率的杂质，如金、铜、容易利用间隙运动在硅具有高扩散率的杂质，如金、铜、容易利用间隙运动在硅的晶格空隙中移动。的晶格空隙中移动。在一定的温度范围内，在一定的温度范围内，D
7、可表示为可表示为D0-温度无穷大时的扩散系数；温度无穷大时的扩散系数；Ea-激活能激活能;对填隙模型，对填隙模型，Ea是掺杂原子从一个间隙移动到至另一个间隙是掺杂原子从一个间隙移动到至另一个间隙所需的能量；所需的能量；对替代模型，对替代模型，Ea是杂质原子移动所需能量和形成空位所需的是杂质原子移动所需能量和形成空位所需的能量总和。能量总和。替代的替代的Ea较扩散大较扩散大)exp(0kTEDDa6.1.2 6.1.2 扩散分布扩散分布掺杂原子的扩散分布与起始条件和边界条件有关。掺杂原子的扩散分布与起始条件和边界条件有关。两种方式：两种方式：恒定表面浓度扩散：杂质原子由气相源传送到半导恒定表面浓
8、度扩散：杂质原子由气相源传送到半导体表面，然后扩散进入半导体硅晶片，在扩散期间，体表面，然后扩散进入半导体硅晶片，在扩散期间，气相源维持恒定的表面浓度；气相源维持恒定的表面浓度；有限源扩散：指一定量的杂质淀积在半导体表面，有限源扩散：指一定量的杂质淀积在半导体表面，接着扩散进入硅晶片内。这层杂质作为扩散源，不接着扩散进入硅晶片内。这层杂质作为扩散源，不再有新源补充。再有新源补充。恒定表面浓度扩散恒定表面浓度扩散 不能全写公式不能全写公式 t t为时间为时间t=0 t=0 掺杂浓度为掺杂浓度为0 0t0时初始条件是时初始条件是(,0)0C x边界条件是边界条件是 X=0浓度恒定，与时间无关浓度恒
9、定，与时间无关(0,)sCtC(,)0Ct起始条件：起始条件：Cs是是x0处的表面浓度，与时间无关。处的表面浓度，与时间无关。边界条件：边界条件：X，距离表面很远处无杂质原子。，距离表面很远处无杂质原子。符合起始与边界条件的扩散方程式的解是：符合起始与边界条件的扩散方程式的解是：erfc-余误差函数余误差函数 -扩散长度扩散长度2),(DtxerfcCtxCsDt图为余误差函数分布图为余误差函数分布扩散的时间越长杂质扩散的扩散的时间越长杂质扩散的越深越深有限源扩散有限源扩散t0时的初始条件时的初始条件C（x，0）0，边界条件是：说明表面浓度恒定，不，边界条件是：说明表面浓度恒定，不再有新元补充
10、再有新元补充0(,)C x t dxS(,)0CtS为单位面积掺杂总量。符合上述扩散方程的解为：为单位面积掺杂总量。符合上述扩散方程的解为：此为高斯分布此为高斯分布在在x0处表面浓度为：处表面浓度为：()sSCtDt)4exp(),(2DtxDtstxC扩散原理扩散原理n在集成电路工艺中，通常热扩散采用三个步骤：在集成电路工艺中，通常热扩散采用三个步骤：预淀积、推进和激活预淀积、推进和激活 （顺序不能乱）（顺序不能乱）1、预淀积预淀积：在恒定表面浓度扩散条件下形成预淀积：在恒定表面浓度扩散条件下形成预淀积层，温度低、时间短，扩散的浅，可以认为杂质淀层，温度低、时间短，扩散的浅，可以认为杂质淀积
11、在一薄层（掩蔽氧化层）内；以防止杂质原子从积在一薄层（掩蔽氧化层）内；以防止杂质原子从硅中扩散出去。硅中扩散出去。预淀积阶段表面杂质浓度最高，并随着深度的加大预淀积阶段表面杂质浓度最高，并随着深度的加大而减小。而减小。目的是为了控制杂质总量；目的是为了控制杂质总量；预淀积现在普遍被离预淀积现在普遍被离子注入代替。子注入代替。n推进：推进：高温过程，使淀积的杂质穿过晶体，在高温过程，使淀积的杂质穿过晶体，在硅片中形成期望的结深。硅片中形成期望的结深。此阶段并不向硅片中增加杂质，但是高温下形成的此阶段并不向硅片中增加杂质，但是高温下形成的氧化层会影响推进过程中杂质的扩散，这种由硅表氧化层会影响推进
12、过程中杂质的扩散，这种由硅表面氧化引起的杂质浓度改变成为再分布。面氧化引起的杂质浓度改变成为再分布。激活：激活：使温度稍微升高，此过程激活了杂质使温度稍微升高，此过程激活了杂质 原子。原子。目的是为了控制表面浓度和扩散深度。目的是为了控制表面浓度和扩散深度。杂质移动杂质移动n杂质只有在成为硅晶格结构的一部分（即被杂质只有在成为硅晶格结构的一部分（即被激活激活）后，才可以作为施主和受主。如果杂）后，才可以作为施主和受主。如果杂质占据间隙位置，它就没有被激活，不会起质占据间隙位置，它就没有被激活，不会起到杂质的作用。到杂质的作用。n加热能使杂质移动到正常的晶格上，被称为加热能使杂质移动到正常的晶格
13、上，被称为晶格激活。激活发生在高温下，是扩散的一晶格激活。激活发生在高温下，是扩散的一部分。部分。对于离子注入来说，晶格激活在退火对于离子注入来说，晶格激活在退火阶段完成。阶段完成。横向扩散横向扩散n光刻胶无法承受高温，扩散的掩膜是光刻胶无法承受高温，扩散的掩膜是二氧化硅二氧化硅或或氮化硅氮化硅。n热扩散中的横向扩散通常是纵向结深的热扩散中的横向扩散通常是纵向结深的75%-85%。6.1.3 6.1.3 扩散层测量扩散层测量扩散工艺的结构可由三种测量方式来评价：扩散工艺的结构可由三种测量方式来评价：扩散层的结深、扩散层的结深、薄层电阻与杂质分布。薄层电阻与杂质分布。下图是在半导体内磨以凹槽并用
14、溶液下图是在半导体内磨以凹槽并用溶液腐蚀去除表面，溶液会使腐蚀去除表面，溶液会使P区颜色暗，因而描绘出结深。区颜色暗，因而描绘出结深。用磨槽和染色法测量结深用磨槽和染色法测量结深若若R0是磨槽所用工具的半径，则可得结深：是磨槽所用工具的半径，则可得结深：222200jxRbRa如果如果R0远大于远大于a和和b，则，则2202jabxR结深结深xj是杂质浓度等于衬底浓度是杂质浓度等于衬底浓度CB时所在的位置。时所在的位置。()jBC xC如果结深和如果结深和CB已知，则只要扩散分布遵从已知，则只要扩散分布遵从“两种分布两种分布”所推导的公式，所推导的公式，表面浓度表面浓度Cs和杂质分布就能计算出
15、来。和杂质分布就能计算出来。方块电阻方块电阻（薄膜电阻薄膜电阻）在扩散薄层上取一任意边长的正方在扩散薄层上取一任意边长的正方形，该正方形沿电流方向所呈现的形，该正方形沿电流方向所呈现的电阻，叫方块电阻。电阻，叫方块电阻。方块电阻的检测方块电阻的检测利用图中所示电路，将电流表所示电流控制在利用图中所示电路，将电流表所示电流控制在3毫安以内，毫安以内，读出电压表所示电压，利用下式计算：读出电压表所示电压，利用下式计算：IVCRS式中常数式中常数C是由被测样品的长度是由被测样品的长度L、宽度、宽度a、厚度、厚度d，以及，以及探针间距探针间距S来确定，常数来确定，常数C可由表查出。可由表查出。扩散工艺
16、扩散工艺扩散常见的质量问题扩散常见的质量问题(1)合金点和破坏点：在扩散后有时可观察到扩散窗口的硅片表面上有一层白雾合金点和破坏点：在扩散后有时可观察到扩散窗口的硅片表面上有一层白雾状的东西或有些小的突起。状的东西或有些小的突起。n用显微镜观察时前者是一些黑色的小圆点，小圆点称为合金点用显微镜观察时前者是一些黑色的小圆点，小圆点称为合金点;n后者是一些黄亮点、透明的突起，透明突起称为破坏点。杂质在这些缺陷处后者是一些黄亮点、透明的突起，透明突起称为破坏点。杂质在这些缺陷处 的扩散速度特别快，造成结平面不平坦，的扩散速度特别快，造成结平面不平坦，PN结击穿。结击穿。(2)表面玻璃层。硼和磷扩散之
17、后，往往在硅片表面形成一层硼硅玻璃或磷硅玻表面玻璃层。硼和磷扩散之后，往往在硅片表面形成一层硼硅玻璃或磷硅玻 璃，此玻璃层与光刻胶的粘附性极差，光刻腐蚀时容易脱胶或产生钻蚀，而璃，此玻璃层与光刻胶的粘附性极差，光刻腐蚀时容易脱胶或产生钻蚀，而 且该玻璃层不易腐蚀。且该玻璃层不易腐蚀。(3)白雾。这种现象在固一固扩散及液态源磷扩散经常发生。主要原因是淀积二白雾。这种现象在固一固扩散及液态源磷扩散经常发生。主要原因是淀积二 氧化硅层（含杂质源）时就产生了或在磷扩散时磷杂质浓度过高以及石英管氧化硅层（含杂质源）时就产生了或在磷扩散时磷杂质浓度过高以及石英管 中偏磷酸产生大量的烟雾喷射在硅片表面，在快速冷却过程中产生。光刻时中偏磷酸产生大量的烟雾喷射在硅片表面，在快速冷却过程中产生。光刻时 容易造成脱胶或钻蚀。容易造成脱胶或钻蚀。(4)方块电阻偏大或偏小。方块电阻的变化反映了扩散到硅中的杂质总量的多少。方块电阻偏大或偏小。方块电阻的变化反映了扩散到硅中的杂质总量的多少。作作 业业n说明恒定表面源扩散和有限源扩散的异同。说明恒定表面源扩散和有限源扩散的异同。
