第四章掺杂.ppt

第四章 掺杂 4.1.1 扩散 扩散是物质的一个基本性质，描述了一种物质在另一种物质中运动的情况。 扩散是浓度高的地方的原子、分子或离子向浓度低的地方运动造成的。扩散的粒子流密度（J）和扩散系数（D）及扩散粒子的浓度梯度有关。 J＝－D ? N（x,t) / ? x 在半导体制造中，利用高温扩散驱动杂质穿过硅晶格。扩散分为三种，即气态、液态和固态。 扩散现象 4.1.2杂质在晶体硅中的固溶度 溶质进入到溶剂晶体中，晶体结构保持不变，这样的晶体叫固溶体。 溶质元素在晶体中的最大浓度叫固溶度，最大固溶度给杂质在硅中的扩散设置了表面浓度的上限。 含施主或受主杂质的半导体（硅）是替位式固溶体 替位式固溶体必要条件： 溶质，溶剂原子大小接近； （硅原子半径1.17，硼0.89，磷1.10A0 ） 4.1.3杂质扩散的机制： 杂质扩散分为替位式扩散和间隙式扩散两种。 占据晶格位置的外来原子称为替位杂质原子。替位杂质要运动到近邻的晶格位置，必须通过互换位置才能实现。（见图） 间隙式杂质（半径较小的原子）在晶格中的扩散运动是以间隙方式进行的。 间隙式杂质原子只在势能极小值的位置附近作热振动，平均震动能量 ≈ KT(室温＝0.026 ev）.而要在两个原子间穿过，就要越过一个势垒（势垒高度Wｉ一般为0.6－1.2 ev）1200 ℃高温下KT＝0.13 ev，因此只有靠热涨落间隙式杂质原子才能跨过势垒，跳到临近的间隙位置。 替位杂质原子的运动 互换位置一般很难实现，如有空位存在就较易发生；但当掺杂浓度较高时，施主或受主杂质诱导出大量的荷电空位，从而增大了扩散系数。 具有高扩散率的杂质，如金（Au）、铜（Cu）和镍（Ni），容易利用间隙运动在硅的晶格空隙中移动。移动速度较慢的杂质，如半导体搀杂常用的砷（Ar）和磷（P），通常利用替代运动填充晶格中的空位。 4.1.4杂质分布 恒定表面源：在扩散过程中硅片表面的杂质浓度始终保持不变 Ns(x,t) = Ns erfc ( x / 2 ( D t )1/2) Ns表示表面 杂质恒定浓度（原子/cm3) , Erfc-余误差函数，D-扩散系数（ cm2 /s ）, x 表示距表面的垂直距离, t 表示扩散时间。 结深：Xj＝A ( D t )1/2 A和 NB/ＮＳ有关的常数，。 有限表面源： 在进行扩散工艺时，先在硅片表面淀积一层杂质，然后以这层杂质作为扩散的杂质源进行扩散。 Ns(x,t) = (Q/(πDt)1/2 ) e-x2/4Dt e-x2/4Dt 称为高斯函数 结深：Xj＝A ( D t )1/2 A是和 NB/ＮＳ有关的常数，但两种扩散类型的A值不同。 4.1.5 热扩散工艺 硅中固态杂质的热扩散需要三个步骤： 预淀积、推进、激活。 在预淀积过程中，硅片被送入高温扩散炉，杂质原子从源转移到扩散炉内。炉温通常设为800到1100℃，持续10到30分钟。杂质仅进入了硅片中很薄的一层，且其表面浓度是恒定的。在硅表面上应生长一薄层氧化物（cap oxide）以防止杂质原子从硅中扩散出去。 预淀积为整个扩散过程建立了浓度梯度。表面的杂质浓度最高，并随着深度的加大而减小 再分布---热扩散的第二步推进 高温过程（1000到1250℃），使淀积的杂质穿过硅晶体，在硅片中形成期望的结深。这个过程并不向硅片中增加杂质，但是高温环境下形成的氧化物会影响推进过程中杂质的扩散：一些杂质（如硼）趋向于进入生长的氧化物层；而另一些杂质（如磷）会被推离SiO2。这种由硅表面氧化引起的杂质在Si－ SiO2浓度的改变被称为杂质分凝。 热扩散的第三步是激活。这个过程杂质原子与晶格中的硅原子键合，激活了杂质原子，改变了硅的电导率。 ? 硼扩散 硼的杂质源虽有多种，但固体三氧化二硼和硅的反应是最基本的： 2B2O3+ 3Si→ 4B+ 3SiO2 三氧化二硼（B2O3 ）性质：无色透明固体粉末,能溶于水，过量会带来表面粘污，可通入少量氧气，避免B2O3堆积。 氮化硼：氮化硼源是稳定的片状硼源，扩散之前先要在高温氧环境下预处理，使表面形成一定厚度的B2O3。 4BN＋3O3＝2 B2O3＋2N2 氮化硼源有不同浓度的产品，使用方便。 硼的液态源扩散： 硼酸三甲酯（TMB）－B(OCH3)3 无色透明液体，室温挥发，沸点67.8 ℃，500 ℃以上可分解 B(OCH3)3——B2O3＋CO2＋H2O＋C＋－－ （注意碳具有很强的还原性，对二氧化硅和石英管有腐