集成电路工艺基之扩散.pptVIP

电子科技大学中山学院第1页，共40页，星期日，2025年，2月5日杂质掺杂掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触磷(P)、砷(As)——N型硅硼(B)——P型硅掺杂工艺：扩散、离子注入第2页，共40页，星期日，2025年，2月5日扩散第3页，共40页，星期日，2025年，2月5日扩散70年代初期以前，杂质掺杂主要通过高温的扩散实现。杂质原子通过气相源或氧化物源扩散或淀积到硅晶片的表面。杂质浓度从表面到体内单调下降杂质分布主要是由温度和扩散时间决定可用于形成深结（deepjunction），如CMOS中的双阱（twinwell）第4页，共40页，星期日，2025年，2月5日离子注入第5页，共40页，星期日，2025年，2月5日离子注入从70年代初开始，掺杂的操作改由离子注入完成掺杂原子以离子束的形式注入半导体内杂质浓度在半导体内有峰值分布杂质分布主要由离子质量和离子能量决定用于形成浅结（shallowjunction），如MOSFET中的漏极和源极第6页，共40页，星期日，2025年，2月5日扩散机构间隙式扩散定义：杂质离子位于晶格间隙杂质：Na、K、Fe、Cu、Au等元素势能极大位置：相邻的两个间隙之间势垒高度Wi：0.6~1.2eV间隙杂质的振动能在室温时，只有0.026eV；1200℃时为0.13eV，因此间隙杂质靠热涨落越过势垒跳跃率：Pi依赖于温度第7页，共40页，星期日，2025年，2月5日扩散机构第8页，共40页，星期日，2025年，2月5日扩散机构替位式扩散定义：杂质离子占据硅原子的位杂质特点：III、Ⅴ族元素相邻晶格上出现空位才好进行替位式扩散势能极大位置：间隙处势垒高度：0.6~1.2eV跳跃率：近邻出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，Pv依赖于温度间隙式扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级第9页，共40页，星期日，2025年，2月5日扩散机构第10页，共40页，星期日，2025年，2月5日菲克第一定律扩散是微观粒子热运动的统计结果，当杂质存在浓度梯度时，出现宏观的扩散流。杂质由高浓度区向低浓度区移动，直至浓度趋于均匀，扩散流为零。实验表明：扩散流的大小，正比于杂质的浓度梯度。菲克第一定律:如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度，则杂质将会产生扩散运动，而且杂质的扩散方向使杂质浓度梯度变小。第11页，共40页，星期日，2025年，2月5日扩散系数扩散系数其中：V0代表振动频率Wv代表形成一个空位所需要的能量Ws代表替位杂质的势垒高度△E为扩散激活能，对替位式杂质来说，一般为3~4eV第12页，共40页，星期日，2025年，2月5日扩散方程扩散方程（菲克第二定律）第13页，共40页，星期日，2025年，2月5日扩散方程扩散方程（菲克第二定律）经过△t时间，体积元内的杂质变化量为体积元内杂质的变化，是由于在△t时间内，通过x处和x＋△x处的两个截面的流量差所造成第14页，共40页，星期日，2025年，2月5日扩散方程扩散方程（菲克第二定律）假定体积元内的杂质不产生也不消失，上面两式应该相等，得到假设扩散系数D为常数（低浓度正确），得到第15页，共40页，星期日，2025年，2月5日恒定表面源扩散定义：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终不变的扩散边界条件和初始条件C(0,t)=Cs；C(∞,t)=0；C(x,0)=0,x0恒定表面源扩散的杂质分布：第16页，共40页，星期日，2025年，2月5日恒定表面源扩散第17页，共40页，星期日，2025年，2月5日恒定表面源扩散杂质分布形式特点在表面浓度Cs一定的情况下，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。扩到硅内的杂质数量可用高为Cs，底为2的三角形近似；表面浓度Cs由杂质在扩散温度下的固溶度所决定。而在900~1200℃内，固溶度变化不大，可见很难通过改变温度来控制Cs第18页，共40页，星期日，2025年，2月5日恒定表面源扩散结深如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的导电类型不同，则在两种杂质浓度相等处形成p-n结。杂质浓度相等：结的位置：温度通过D对扩散深度和杂质分布情况的影响，同时间t相比更为重