第三章：扩散简析.ppt

立式炉系统 扩散炉的组成 1、工艺腔 2、硅片传输系统 3、气体分配系统 4、温控系统 5、尾气系统 本章作业 1. 请描述硅中的杂质扩散 2. 硅中杂质扩散的目的是什么？ 第三章 扩 散 掺杂技术之一 3.1 引 言 扩散的本质： 微观粒子（原子、分子等）一种普遍的热运动形式，运动的结果使浓度分布趋于均匀。 为什么研究扩散？ （形成PN结） 硅中的杂质扩散： 把一定种类和一定数量的杂质引入到硅或其它晶体中，以改变晶体的电学性质，并使引入的杂质数量和分布情况都满足要求的过程。 扩散分类：气态、液态和固态三种，硅中的杂质扩散属于固态扩散 杂质扩散机制：间隙式扩散，替位式扩散两种 扩散目的：主要形成P－N结 扩散是硅基集成电路的基础工艺之一 3.2 扩散原理 ■ 杂质扩散机制 ■ 扩散系数 非克（Fick）第一定律： J— 扩散粒子流密度—单位时间通过单位面积的粒子数 C — 扩散粒子的浓度（单位：粒子数/cm3） D — 扩散系数—表征杂质扩散快慢的系数 非克第一定律揭示了扩散的本质即浓度差越大，温度越高，扩散就越快。 常用扩散杂质 形成P型硅的杂质：B、Ga、Al（Ⅲ族元素） 形成N型硅的杂质：P、As、Sb（Ⅴ族元素） IC制造中常用的杂质： B、 P、As、Sb B：硼、Ga：镓、Al：铝 P：磷、As：砷、Sb：锑 ■ 杂质在硅和SiO2中的扩散特征 硅中慢扩散杂质（扩散系数小）： B、 As、Sb 硅中快扩散杂质（扩散系数大）： P、 Ga、Al 在SiO2中扩散系数非常小的杂质： B、 P、As、Sb 在SiO2中扩散系数大的杂质：Ga、Al 固溶度 固溶度就是在一定的温度下，掺入杂质在硅中的最大浓度。 表1 1100℃下硅中的固溶度 杂 质 固溶度（atoms/cm3） 硼（B） 2.2×1020 磷（P） 1.1×1021 砷（As） 1.7×1021 锑（Sb） 5.0×1019 铝（Al） 1.8×1019 硅的原子密度： 5.0×1022/cm3 扩散杂质的分布 1. 余误差函数分布（恒定表面源扩散属于此分布） 其扩散方程： 式中的erfc 代表余误差函数 余误差函数分布的特点： a、杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变 b、扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散进入硅片内的杂质总量就越多 c、扩散时间越长，扩散温度越高，杂质扩散得越深 2、高斯分布（有限源扩散属于此分布） 其扩散方程： 式中的QT为杂质总量 高斯分布的特点： a、在整个扩散过程中，杂质总量保持不变 b、扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深，表面浓度越低 c、表面杂质浓度可控 扩散的用途：形成P－N结二极管及三极管等 （a）简单的二极管结构 （b）简单的三极管结构 方块电阻 方块电阻的定义：长宽相等的扩散电阻，它与长宽大小无关。方块电阻通常用R□表示，单位为Ω/□。 扩散电阻与方块电阻的关系： R＝ρ.L/W.Xj , 当L=W时，R＝ R□ =ρ/Xj 因此扩散电阻R＝ R□.L/W 方块电阻可以通过四探针测试仪测量。 其中ρ为扩散层的平均电阻率 方块电阻 结深的定义 杂质扩散浓度分布曲线与衬底掺杂浓度曲线交点的位置称为结深。 结深公式的导出 结深可由扩散方程N（xj , t）= NB导出。余误差函数分布和高斯分布的结深公式相同，但A值有区别。 结深公式 余误差分布 高斯分布 结深的测量 结深可以通过磨角法、滚槽法测量 方块电阻和结深是扩散的重要工艺参数，两个参数已知则扩散分布曲线也可确定下来。 磨角染色法 Xj ＝ L×tgθ 横向扩散 Xj横＝（0.75～0.85）Xj纵 3.3 扩散工艺 扩散系统 下图是液态源扩散系统 两步扩散工艺 常规深结（Xj≥２μｍ）扩散采用两步扩散 第一步：预扩散或预沉积，温度一般较低（800℃ ~ 1100℃ ）、时间通常较短（10~40分）。 此步扩散为恒定表面源扩散余误差分布 第二步：再扩散或结推进，温度一般较高（ 1000℃~1250℃ ）、时间较长（大于60分），同时生长SiO2 （此步已完成了杂质的电激活） 此步扩散为有限表面源扩散高斯