半導(dǎo)體制造工藝-08擴(kuò)散(下)

1、上節(jié)課主要內(nèi)容1、摻雜工藝普通分為哪兩步？結(jié)深？薄層電阻？固溶度？2、兩種特殊條件下的費(fèi)克第二定律的解及其特點(diǎn)？特征分散長(zhǎng)度？預(yù)淀積退火。預(yù)淀積：氣固相預(yù)淀積分散或離子注入。Rs：外表為正方形的半導(dǎo)體薄層結(jié)深，在平行電流方向所呈現(xiàn)的電阻，單位為 /，反映分散入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量。固溶度：在平衡條件下，雜質(zhì)能溶解在硅中而不發(fā)生反響構(gòu)成分凝相的最大濃度。外表濃度恒定，余誤差函數(shù)分布(erfc)。隨時(shí)間變化：雜質(zhì)總量添加，分散深度添加雜質(zhì)總量恒定，高斯函數(shù)/正態(tài)分布(Gaussian)。隨時(shí)間變化：外表濃度下降，結(jié)深添加1如何判別對(duì)費(fèi)克定律運(yùn)用何種解析解？當(dāng)外表濃度為固溶度時(shí)，意味著該分布是余誤差分

2、布當(dāng)外表濃度較低時(shí)，意味著該分布是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的推進(jìn)過(guò)程，是高斯分布。費(fèi)克定律解析解的運(yùn)用本征分散時(shí)，理想邊境條件下的解。實(shí)踐情況需求修正，如：高濃度電場(chǎng)效應(yīng)雜質(zhì)分凝點(diǎn)缺陷2例題：CMOS中的p阱的構(gòu)成。要求外表濃度Cs=4x1017 cm-3，結(jié)深xj=3 mm。知襯底濃度為CB=11015 cm3。設(shè)計(jì)該工藝過(guò)程。離子注入退火3假定推進(jìn)退火獲得的結(jié)深，那么根據(jù)該數(shù)值為推進(jìn)分散的“熱預(yù)算。解：1假設(shè)離子注入+推進(jìn)退火42推進(jìn)退火的時(shí)間假定在1100 C進(jìn)展推進(jìn)退火，那么分散系數(shù)D=1.510-13 cm2/s3所需離子注入的雜質(zhì)劑量可以推算出該劑量可以很方便地用離子注入實(shí)如今非常薄的范圍內(nèi)的雜

3、質(zhì)預(yù)淀積54假設(shè)采用950 C熱分散預(yù)淀積而非離子注入預(yù)淀積時(shí)間為此時(shí)，B的固溶度為2.51020/cm3，分散系數(shù)D=4.210-15 cm2/s該預(yù)淀積為余誤差分布，那么但是預(yù)淀積時(shí)間過(guò)短，工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)。應(yīng)改為離子注入！即使6影響雜質(zhì)分布的其他要素Ficks Laws：Only valid for diffusion under special conditionsSimplification !71、電場(chǎng)效應(yīng)Field effect非本征分散電場(chǎng)的產(chǎn)生：由于載流子的遷移率高于雜質(zhì)離子，二者之間構(gòu)成內(nèi)建電場(chǎng)。載流子領(lǐng)先于雜質(zhì)離子，直到內(nèi)建電場(chǎng)的漂移流與分散流到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡。假設(shè)NA、NDni

4、分散溫度下時(shí)，非本征分散效應(yīng)8所以，雜質(zhì)流由兩部分組成：內(nèi)建電場(chǎng)以n型摻雜為例， 9由 并假定雜質(zhì)全部離化，有場(chǎng)助分散方程：其中h為分散系數(shù)的電場(chǎng)加強(qiáng)因子：當(dāng)摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征載流子濃度時(shí)，h 接近 2。10電場(chǎng)效應(yīng)對(duì)于低濃度本體雜質(zhì)分布影響更大112、分散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系在雜質(zhì)濃度很高時(shí)，分散系數(shù)不再是常數(shù)，而與摻雜濃度相關(guān)分散方程改寫(xiě)為：箱型12p型摻雜n型摻雜、族元素在硅中的分散運(yùn)動(dòng)是建立在雜質(zhì)與空位相互作用的根底上的，摻入的施主或受主雜質(zhì)誘導(dǎo)出了大量荷電態(tài)空位，從而加強(qiáng)了分散系數(shù)。13非本征摻雜分散系數(shù)比本征摻雜分散系數(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)！由于非本征摻雜的分散系數(shù)在摻雜邊緣迅速衰減，因此

5、出現(xiàn)邊緣峻峭的“箱型分布。箱型1000 C下，非本征分散系數(shù)：14對(duì)于B，P來(lái)說(shuō)，在氧化過(guò)程中，其分散系數(shù)添加。對(duì)Sb來(lái)說(shuō)，分散系數(shù)減小。雙分散機(jī)制: 雜質(zhì)可以經(jīng)過(guò)空位和間隙兩種方式分散3、氧化加強(qiáng)/抑制分散oxidation enhanced / retarded diffusionOED/ORD151 OED：對(duì)于原子B或P來(lái)說(shuō)，其在硅中的分散可以經(jīng)過(guò)間隙硅原子進(jìn)展。氧化時(shí)由于體積膨脹，呵斥大量Si間隙原子注入，添加了B和P的分散系數(shù)12Si2OI2VSiO22IstressA+IAI162ORD：對(duì)于Sb來(lái)說(shuō)，其在硅中的分散主要是經(jīng)過(guò)空位進(jìn)展。氧化注入間隙間隙和空位在硅中復(fù)合硅中空位濃度

6、減小Sb的分散被抑制I+VSis表示晶格上的Si原子As受間隙和空位分散兩種機(jī)制控制，氧化時(shí)的分散受影響較小174、發(fā)射極推進(jìn)效應(yīng)Emitter Push effect實(shí)驗(yàn)景象：在P磷發(fā)射區(qū)下的B分散比旁邊的B分散快，使得基區(qū)寬度改動(dòng)。AIAI，由于發(fā)射區(qū)內(nèi)大量A(P)I的存在使得反響向左進(jìn)展，經(jīng)過(guò)摻雜原子A(P)向下分散并找到晶格位置的同時(shí)，釋放大量的間隙原子I，產(chǎn)生所謂“間隙原子泵效應(yīng)，加快了硼的分散。PhosphorusBoron18常用雜質(zhì)硼B(yǎng)，磷P，砷As在硅中的性質(zhì) 1硼B(yǎng): III族元素，受主雜質(zhì)，1150 時(shí)固溶度達(dá)2.41020 原子/cm3D0=1 cm2/s Ea=3.4

7、6 eV高濃度摻雜 如思索場(chǎng)助效應(yīng) h 電場(chǎng)加強(qiáng)因子192磷族元素，施主原子，有吸收銅、金等快分散雜質(zhì)的性質(zhì)這些雜質(zhì)在缺陷處淀積會(huì)產(chǎn)生漏電,固溶度達(dá)51021 原子/3。磷的本征分散系數(shù)主要由中性空位V0作用決議。高濃度磷分散時(shí)濃度分布有三個(gè)區(qū)域。主要是磷離子與V0，V-，V=三種空位的作用呵斥的。 溫度為1000 時(shí)，尾區(qū)的分散系數(shù)比本征情況下的分散系數(shù)大二個(gè)數(shù)量級(jí)。因此磷常作為深結(jié)分散的雜質(zhì)203砷族元素，施主雜質(zhì)，半徑與硅一樣，分散系數(shù)小，僅磷、硼的非常之一。在高摻雜情況下也不引起畸變。在硅晶體中，砷激活量低于摻雜量，電激活濃度達(dá) 21021 -3適宜于淺結(jié)，準(zhǔn)確控制21氣態(tài)相源分散ga

8、s source液態(tài)源分散liquid source固態(tài)源分散solid source旋涂源分散spin-on-glass留意：在引入分散源后作推進(jìn)分散時(shí)，經(jīng)常會(huì)在硅片上外表有一氧化層或其它覆蓋層維護(hù)硅片，使硅片中的雜質(zhì)不會(huì)揮發(fā)到大氣中去。分散摻雜工藝221、氣態(tài)源分散利用載氣如N2稀釋雜質(zhì)氣體，雜質(zhì)氣體在高溫下與硅外表硅原子發(fā)生反響，釋放出雜質(zhì)原子向硅中分散。氣態(tài)雜質(zhì)源(劇毒氣體) : 磷烷PH4、砷烷AsH3、氫化銻SbH3、乙硼烷H2B6等232、液態(tài)源分散利用載氣如N2經(jīng)過(guò)液態(tài)雜質(zhì)源，攜帶著雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入高溫分散反響管，雜質(zhì)蒸汽在高溫下分解，并與硅外表硅原子發(fā)生反響，釋放出雜質(zhì)原子向硅中

9、分散。舟241液態(tài)源硼分散 源 硼酸三甲脂 B(CH3)O3 在500 oC 以上分解反響 B(CH3)O3 B2O3 + CO2 + H2O . 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B 例： 預(yù)淀積: 950 oC 通源 1020 分鐘，N2 再分布: 1100 1200 o C干氧濕氧干氧252液態(tài)源磷分散 源 三氯氧磷 (POCl3) 600 C 5POCl3 P2O5 + 3PCl5 2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P (向硅中分散) PCl5難分解，會(huì)腐蝕硅，故還要通入少量O2 4PCl5 + 5O2 2P2O5 + 10Cl2 例 ： 預(yù)淀積 :1050 C N

10、2 和 O2 再分布: 950 C O2263、固態(tài)源分散B2O3，P2O5，BN等舟惰性氣體作為載氣把雜質(zhì)源蒸氣輸運(yùn)到硅片外表，在分散溫度下，雜質(zhì)化合物與硅反響生成單質(zhì)雜質(zhì)原子相硅內(nèi)分散。27銻的箱法分散 硅片與分散源同放一箱內(nèi)， 在N2氣維護(hù)下分散 源 ： Sb2O3 : SiO2 = 1:4 (粉末分量比) 2Sb2O3 + 3Si = 4Sb + 3SiO2 片狀固態(tài)氮化硼分散 活化處置 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 900 C 1 h. 通 O2 分散 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B BN片與硅片大小相當(dāng)，和硅片相間均勻放置在舟上。不需載氣，但以N2或Ar

11、2維護(hù)。284、 旋涂摻雜法spin-on-glass用旋涂法在Si外表構(gòu)成摻雜氧化層，然后在高溫下雜質(zhì)向硅中分散。 源：Asarsenosilica； Sbantimonysilica； B borosilica；Pphosphorosilica 烘焙 200 C 15分鐘去處溶劑根據(jù)Rs和xj要求決議分散溫度和時(shí)間特點(diǎn) ：摻雜元素多 濃度范圍廣29分散層質(zhì)量檢驗(yàn)薄層電阻丈量結(jié)深丈量摻雜分布丈量30四探針薄層電阻丈量 四根探針的四個(gè)針尖都堅(jiān)持在一條直線上linear，并以等壓力壓在半導(dǎo)體樣品外表。1和4稱為電流探針，由穩(wěn)壓電源恒電流供電；3和4稱為電位探針，丈量這兩個(gè)探針之間的電位差VItS

12、 S SS t時(shí)成立！143231結(jié)深丈量磨角染色法bevel and stainpn結(jié)顯示技術(shù)：不同導(dǎo)電類型的區(qū)域，由于電化學(xué)勢(shì)不同，經(jīng)染色后顯示出不同顏色。常用染色液：HF與01HNO3的混合液，使p區(qū)的顯示的顏色比n區(qū)深。32摻雜分布丈量CV丈量Capacitance-Voltage Measurement 丈量結(jié)的反偏電容和電壓的關(guān)系可以測(cè)得分散層的摻雜分布。VR1/C2對(duì)于均勻摻雜的單邊突變結(jié)，結(jié)電容由下式給出： s 硅的介電常數(shù); NB 襯底摻雜濃度 Vbi 結(jié)的內(nèi)建勢(shì); VR 反偏電壓33二次離子質(zhì)譜Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS用高能

13、離子束轟擊樣品，使其產(chǎn)生正負(fù)二次離子，將這些二次離子引入質(zhì)譜儀進(jìn)展分析，再由檢測(cè)系統(tǒng)搜集，據(jù)此識(shí)別樣品的組分。3435非本征分散前面討論對(duì)于恒定分散系數(shù)而言，只發(fā)生在摻雜濃度低于分散溫度下的本征載流子濃度ni時(shí)。當(dāng)雜質(zhì)濃度大于ni時(shí)，分散系數(shù)變得與濃度有關(guān)，稱為非本征分散。非本征分散區(qū)內(nèi)，同時(shí)分散或相繼分散的雜質(zhì)之間存在著相互作用和協(xié)同效應(yīng)，使分散更為復(fù)雜。36與濃度有關(guān)的分散當(dāng)基質(zhì)原子分開(kāi)晶格位置而產(chǎn)生空位，按照空位的電荷數(shù)，可有中性空位V0、受主空位V、雙電荷受主V2、施主空位V+等?？梢灶A(yù)期，某種帶電形狀下的空位密度，有類似與載流子濃度的溫度相關(guān)性。假設(shè)雜質(zhì)分散以空位分散為主，那么D正比

14、于空位密度。低摻雜濃度時(shí)，EFEi，空位密度等于Ci而與雜質(zhì)濃度無(wú)關(guān)。正比與Ci的D也將和雜質(zhì)濃度無(wú)關(guān)。高摻雜濃度時(shí)，EF導(dǎo)游帶底挪動(dòng)，指數(shù)項(xiàng)大于1，這是CV增大，進(jìn)而是D變大。如上圖的右側(cè)所示。37思索分散系數(shù)時(shí)，D可以寫(xiě)成：Cs為外表濃度，Ds為外表分散系數(shù)，是用來(lái)描畫(huà)與濃度有關(guān)的參數(shù)。分散方程式為：可將分散方程式寫(xiě)成一常微分方程式并以數(shù)值法求解。38結(jié)深可以用下式表示39分散分布硅中的分散硅內(nèi)所丈量到的D與雜質(zhì)濃度的關(guān)系B和As ，其1，曲線c所示，非常峻峭。 Au和Pt，-2，曲線d所示，呈一凹陷的外形。P，與V2有關(guān)，D隨C2而變化，分布處理曲線b所示。但由于離解效應(yīng)，分散分布將呈現(xiàn)

15、出不規(guī)那么的外形。40磷在不同外表濃度下，在1000下分散1h后的分布41在砷化鎵中的鋅分散在砷化鎵中的分散會(huì)比在硅中要來(lái)得復(fù)雜，由于雜質(zhì)的分散包含砷和鎵兩種晶格原子挪動(dòng)?？瘴辉谏榛壏稚⑦^(guò)程中扮演了一個(gè)主要角色，由于p型和n型雜質(zhì)最終必需進(jìn)駐晶格位置上，然而空位的荷電形狀迄今尚未確定。鋅是砷化鎵中最廣為運(yùn)用的分散劑，它的D會(huì)隨C2而變化，所以分散分布如以下圖所示，是峻峭的。并留意即使是最低外表濃度的情況，分散型態(tài)也屬于非本征分散。4243分散相關(guān)工藝橫向分散一維分散方程根天性描畫(huà)分散工藝，但在掩蔽層的邊緣例外，由于在邊緣處雜質(zhì)會(huì)向下、向橫向分散。這時(shí)必需思索二維的分散方程式，并運(yùn)用數(shù)值分析技術(shù)求得在不同初始與邊境條件下的分散分布。顯示一恒定外表初始濃度條件下的輪廓線，并假設(shè)D與濃度無(wú)關(guān)。垂直浸透約為2.8um橫向浸透約為2.3um44由于橫向分散作用，結(jié)包含了一個(gè)中央平面區(qū)及一