第二章 擴(kuò)散工藝

第二章擴(kuò)散工藝(Diffusionprocess)■概述■擴(kuò)散原理(模型與公式)■實(shí)際擴(kuò)散分布的分析■擴(kuò)散工藝和設(shè)備■擴(kuò)散工藝質(zhì)量檢測(cè)擴(kuò)散工藝(Diffusionprocess)參考資料：《微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)》第3章擴(kuò)散(電子講稿中出現(xiàn)的圖號(hào)是該書中的圖號(hào))■在lC制造中主要采用擴(kuò)散法和離子注入法?！龈邼舛壬罱Y(jié)摻雜采用熱擴(kuò)散法，淺結(jié)高精度摻雜用離子注入法。一、概述1、摻雜和擴(kuò)散1）摻雜(Doping)用人為的方法將所需雜質(zhì)按要求的濃度和分布摻入到半導(dǎo)體材料中，達(dá)到改變材料的電學(xué)性質(zhì)、形成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的目的，稱之為“摻雜"。2）摻雜的方法合金法、擴(kuò)散法、離子注入法。3）常用的摻雜雜質(zhì)P(磷)、B(硼)、As(砷)、Sb(銻)3）形成MOSFET中的漏區(qū)和源區(qū)2、擴(kuò)散工藝在IC制造中的主要用途：1）形成硅中的擴(kuò)散層電阻2）形成雙極型晶體管的基區(qū)和發(fā)射區(qū)1）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：物質(zhì)的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)，趨向于降低其濃度梯度；即存在一個(gè)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的凈移動(dòng)。2）擴(kuò)散工藝：利用雜質(zhì)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，將所需要的雜質(zhì)摻入硅襯底中，并使其具有特定的濃度分布。3）研究雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)規(guī)律的目的：3、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散工藝■

開發(fā)合適的擴(kuò)散工藝，預(yù)測(cè)和控制雜質(zhì)濃度分布。■

研究IC制造過程中其他工藝步驟引入的擴(kuò)散過程對(duì)雜質(zhì)分布和器件電特性的影響。二、擴(kuò)散原理(模型與公式)（一）費(fèi)克一維擴(kuò)散方程描述擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的基本方程一費(fèi)克第一定律其中，C是雜質(zhì)濃度，D是擴(kuò)散率(擴(kuò)散系數(shù))，J是雜質(zhì)凈流量根據(jù)物質(zhì)守恒定律，雜質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化率與當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)散流量的減小相等，即：上式被稱為費(fèi)克簡(jiǎn)單擴(kuò)散方程代入式(2.1)，得到費(fèi)克第二定律假設(shè)D與位置無(wú)關(guān)，式(2.2)可簡(jiǎn)化為：位置變量用沿硅圓片深度方向(z)取代，上式可改寫為：(2)填隙型雜質(zhì)（二）擴(kuò)散率D與擴(kuò)散的原子模型1、根據(jù)雜質(zhì)在半導(dǎo)體材料晶格中所處的位置，可將雜質(zhì)分為兩類：(1)替位型雜質(zhì)■

填隙型雜質(zhì)擴(kuò)散很快■

對(duì)硅摻雜水平無(wú)直接貢獻(xiàn)2、雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)制(1)填隙擴(kuò)散(InterstitialDiffusionMechanism)(2)直接交換式擴(kuò)散(InterstitialDiffusionMechanism)替位型雜質(zhì)原子必須打破與周圍本體原子間的鍵合，才能進(jìn)行直接交換式擴(kuò)散。雜質(zhì)原子本體原子2、雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)制■

空位擴(kuò)散需要的激活能比直接交換式擴(kuò)散??；(3)空位擴(kuò)散(vacancy-assistedDiffusionMechanism)雜質(zhì)原子本體原子2、雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)制■

空位擴(kuò)散是替位型雜質(zhì)的主要擴(kuò)散機(jī)制之一■雜質(zhì)原子占據(jù)另一個(gè)晶格位置，該晶格位置上的本體原子被移開并成為自填隙原子。(4)推填隙式擴(kuò)散(InterstitialcyDiffusionMechanism)雜質(zhì)原子本體原子注意：只有存在空位擴(kuò)散時(shí)，才能發(fā)生推填隙擴(kuò)散。擴(kuò)散過程：■替位式雜質(zhì)原子被自填隙本體原子推到填隙位置；2、雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)制不需要自填隙本體原子來(lái)推動(dòng)擴(kuò)散過程的進(jìn)行(5)擠出式擴(kuò)散(Kick-outDiffusionMechanism)與Frank-Turnbull式擴(kuò)散(Frank-TurnbullDiffusionMechanism)雜質(zhì)原子本體原子2、雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)制2）空位模型：總擴(kuò)散率是所有荷電狀態(tài)的空位的擴(kuò)散率的加權(quán)總和，加權(quán)系數(shù)是這些空位存在的概率。3、Fair空位模型：1）“空位電荷"：中性空位俘獲電子，使其帶負(fù)電；中性空位的鄰位原子失去電子，可使空位帶正電?？倲U(kuò)散率表達(dá)式：帶電空位的數(shù)量建立在空位擴(kuò)散機(jī)制的基礎(chǔ)上■硅中雜質(zhì)的擴(kuò)散率曲線(低濃度本征擴(kuò)散)：■如果必須考慮帶電空位的擴(kuò)散率，則擴(kuò)散率就是位置的函數(shù)，因而費(fèi)克第二定律方程必須采用數(shù)值方法來(lái)求解?！鲋行钥瘴坏臄U(kuò)散率：其中，E0a是中性空位的激活能(eV)；D00是一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的系數(shù)，取決于晶格結(jié)構(gòu)和振動(dòng)頻率。(cm2/s)“固溶度”：平衡態(tài)下雜質(zhì)可溶于半導(dǎo)體材料的最高濃度，與溫度有關(guān)。4、費(fèi)克第二定律的分析解費(fèi)克簡(jiǎn)單擴(kuò)散方程在任何大于零的時(shí)刻，表面的雜質(zhì)濃度固定此時(shí)擴(kuò)散方程的解為：Cs是固定的表面雜質(zhì)濃度(/cm3)預(yù)淀積擴(kuò)散又被稱為恒定表面源(濃度)擴(kuò)散；在實(shí)際工藝中，Cs的值一般都是雜質(zhì)在硅中的固溶度。被稱為特征擴(kuò)散長(zhǎng)度(pm)；1）第一種邊界條件：(預(yù)淀積擴(kuò)散)由(1)摻入硅中的雜質(zhì)總量(劑量，/cm2)隨擴(kuò)散時(shí)間變化：假設(shè)襯底雜質(zhì)濃度為CB，擴(kuò)散雜質(zhì)與襯底雜質(zhì)反型討論預(yù)淀積擴(kuò)散(2)計(jì)算擴(kuò)散形成的PN結(jié)結(jié)深：這是一個(gè)中心在z=0處的高斯分布2）第二種邊界條件：(推進(jìn)擴(kuò)散)假設(shè)擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始雜質(zhì)分布的深度，則初始分布可近似為一個(gè)函數(shù)，邊界條件可寫為：此時(shí)擴(kuò)散方程的解為：4、費(fèi)克第二定律的分析解費(fèi)克簡(jiǎn)單擴(kuò)散方程擴(kuò)散過程中初始的雜質(zhì)總量QJ是固定的由(1)硅表面的雜質(zhì)濃度(/cm3)隨擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)而降低：如果襯底雜質(zhì)濃度為CB，擴(kuò)散雜質(zhì)與襯底雜質(zhì)反型，討論推進(jìn)擴(kuò)散(2)計(jì)算擴(kuò)散形成的PN結(jié)結(jié)深：第二步：推進(jìn)擴(kuò)散3）實(shí)際擴(kuò)散工藝(1)先進(jìn)行恒定表面源的預(yù)淀積擴(kuò)散(溫度低，時(shí)間短)，擴(kuò)散很淺，目的是控制進(jìn)入硅片的雜質(zhì)總量；(2)以預(yù)擴(kuò)散雜質(zhì)分布作為摻雜源再進(jìn)行有限表面源的推進(jìn)擴(kuò)散，又稱主擴(kuò)散，通過控制擴(kuò)散溫度和時(shí)間以獲得預(yù)期的表面濃度和結(jié)深（分布）。為獲得足夠淺的預(yù)淀積分布，也可改用離子注入方法取代預(yù)擴(kuò)散步驟。第一步：預(yù)淀積擴(kuò)散“預(yù)淀積擴(kuò)散”+“推進(jìn)擴(kuò)散”的兩步擴(kuò)散法假設(shè)預(yù)淀積擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)為D1，時(shí)間為t1，則上式可改寫為：5、計(jì)算兩步擴(kuò)散法的雜質(zhì)分布1）預(yù)淀積擴(kuò)散(恒定表面濃度Cs)：擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布：邊界條件：擴(kuò)散后雜質(zhì)總量為：假設(shè)推進(jìn)擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)為D2，時(shí)間為t2，則上式可改寫為：2）推進(jìn)擴(kuò)散(有限表面源QT)：邊界條件：擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布：5、計(jì)算兩步擴(kuò)散法的雜質(zhì)分布兩步擴(kuò)散中推進(jìn)擴(kuò)散的邊界條件才能成立。只有當(dāng)成立時(shí)，注意■

橫向擴(kuò)散的存在影響IC集成度，也影響PN結(jié)電容。三、實(shí)際擴(kuò)散分布的分析(與理論的偏差)1、橫向擴(kuò)散：雜質(zhì)在縱向擴(kuò)散的同時(shí)，也進(jìn)行橫向的擴(kuò)散■一般橫向擴(kuò)散長(zhǎng)度是縱向擴(kuò)散深度的0.75-0.85；■當(dāng)雜質(zhì)濃度

<<ni，時(shí)，hE=1■當(dāng)雜質(zhì)濃度

>>ni，時(shí)，hE=22、內(nèi)建電場(chǎng)的影響高溫下雜質(zhì)處于離化狀態(tài)，雜質(zhì)離子與電子(空穴)同時(shí)向低濃度方向擴(kuò)散。電子(空穴)擴(kuò)散速度快，形成空間電荷層，建立一自建電場(chǎng)，使離子運(yùn)動(dòng)形式為擴(kuò)散+漂移。有效擴(kuò)散系數(shù)DeffD是本征擴(kuò)散系數(shù)；hE

是電場(chǎng)增強(qiáng)因子此時(shí)，對(duì)擴(kuò)散分布無(wú)嚴(yán)格的解析解，通常只能對(duì)特定雜質(zhì)種類以近似解來(lái)描述。3、雜質(zhì)濃度對(duì)擴(kuò)散率的影響根據(jù)Fair空位模型，雜質(zhì)總擴(kuò)散率為：當(dāng)考慮帶電空位的擴(kuò)散時(shí)，擴(kuò)散率是載流子濃度的函數(shù)，即是雜質(zhì)濃度的函數(shù)。以施主雜質(zhì)(N型)為例，氧化增強(qiáng)擴(kuò)散或氧化阻滯擴(kuò)散4、擴(kuò)散氣氛的影響■P、B在O2氣氛中擴(kuò)散比在N2中快，稱之為氧化增強(qiáng)擴(kuò)散。■As在O2氣氛中擴(kuò)散比在N2中慢，稱之為氧化阻滯擴(kuò)散。原因：■氧化時(shí)硅片表面存在大量過剩填隙原子，填隙原子數(shù)增加，導(dǎo)致空位數(shù)量減少(填隙原子一空位復(fù)合)。■P，B的擴(kuò)散機(jī)制主要是推填隙擴(kuò)散機(jī)制；As的擴(kuò)散機(jī)制主要是空位擴(kuò)散機(jī)制。雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的擴(kuò)散與空位濃度有關(guān)一般條件下A取值為4.65、SiO2中的擴(kuò)散對(duì)于常見的雜質(zhì)，如B，P，As等，其在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)比在Si中的擴(kuò)散系數(shù)小得多，因此，SiO2經(jīng)常用做雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽層SiO2用做擴(kuò)散掩蔽層的最小厚度估算公式：影響SiO2的掩蔽效果的主要因素：■擴(kuò)散系數(shù)比例■擴(kuò)散時(shí)間■雜質(zhì)在Si和SiO2中的濃度■雜質(zhì)分凝系數(shù)簡(jiǎn)化的SiO2掩蔽層最小厚度估算公式：■隨著IC器件尺寸的不斷縮小，要求雜質(zhì)的再分布效應(yīng)減到最小，因此，低溫工藝是VLSI技術(shù)的急迫需要。6、IC工藝的熱預(yù)算(ThermalBudget)■IC制造過程中經(jīng)過的每一步高溫工藝，都會(huì)對(duì)最終的雜質(zhì)分布產(chǎn)生影響?！s質(zhì)再分布■假設(shè)硅片經(jīng)過的高溫過程有：溫度T1下時(shí)間t1，溫度

T2下時(shí)間t2，……，其相對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散率為D1，D2，……，則總的有效擴(kuò)散特征長(zhǎng)度為：(1)氣態(tài)源：

AsH3，PH3，B2H6(2)固態(tài)源：四、擴(kuò)散工藝和設(shè)備1、目前的擴(kuò)散工藝已基本被離子注入取代，只有在進(jìn)行重?fù)诫s時(shí)還用擴(kuò)散工藝進(jìn)行。2、擴(kuò)散工藝的分類主要取決于雜質(zhì)源的形態(tài)，常見的雜質(zhì)源形態(tài)包括：?jiǎn)瘟姿徜@(NH4H2PO4)砷酸鋁(AlAsO4)硼源：BBr3(沸點(diǎn)90℃)磷源：POCl3(沸點(diǎn)107℃)(3)液態(tài)源■

防止引入污染■

工藝參數(shù)控制：溫度分布、氣流量和排片方式、片間距等■

工藝控制手段：前饋方式(試片)、使用假片3、擴(kuò)散設(shè)備類似于氧化爐管。4、擴(kuò)散工藝的控制要點(diǎn)：■不能精確控制摻雜濃度和分布，橫向效應(yīng)大■不適于低劑量、淺分布的摻雜工藝■擴(kuò)散設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線質(zhì)量監(jiān)控5、擴(kuò)散工藝的局限性1）在CMOSIC工藝中，只有多晶硅淀積后重?fù)诫sP還采用

POCl3進(jìn)行擴(kuò)散摻雜。2）擴(kuò)散工藝存在的主要問題：3）隨著器件尺寸的縮小，雜質(zhì)分布要求越來(lái)越淺，摻雜精確度要求越來(lái)越高，因此，擴(kuò)散工藝在1980年代后逐步被離子注入摻雜技術(shù)所取代。2、主要的檢測(cè)項(xiàng)目：五、擴(kuò)散工藝質(zhì)量檢測(cè)獲取作為深度和橫向位置函數(shù)的雜質(zhì)濃度(雜質(zhì)分布)1、目的：四探針法測(cè)量樣品薄層電阻1）薄層電阻的測(cè)量：■四探針法當(dāng)探針間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)深時(shí)，有用于檢測(cè)擴(kuò)散分布時(shí)，必須保證襯底絕緣或擴(kuò)散層一襯底問形成反偏PN結(jié)。其中，F(xiàn)(Q)是形狀因子，對(duì)于正方形結(jié)構(gòu)，范德堡法測(cè)量樣品薄層電阻1）薄層電阻的測(cè)量：■

范德堡法圖3.16利用霍爾效應(yīng)測(cè)量載流子類型、遷移率和濃度?！隼没魻栃?yīng)，可直接測(cè)量總的載流子濃度，以及載流子類型、遷移率等信息。■總的載流子濃度：2）霍爾效應(yīng)■平均遷移率：3）雜質(zhì)濃度—深度分布關(guān)系的測(cè)量■MOS電容的C—V法耗盡層寬度二極管電容雜質(zhì)濃度■擴(kuò)展電阻法(1)將樣品磨出一個(gè)小角度斜面(2)將樣品放在載片臺(tái)上，用一對(duì)探針以預(yù)定壓力與樣品表面接觸，測(cè)量該電阻值。(3)將該電阻值與一個(gè)已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從電阻率反推出載流子的分布。主要問題

測(cè)量結(jié)果取決于點(diǎn)接觸的重復(fù)性。

進(jìn)表面測(cè)量比較困難。

測(cè)量樣品與校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)片比較接近?！龆坞x子質(zhì)譜法(SIMS)圖3.18SIMS裝置圖

樣品放入儀器，抽真空。

1~5keV的離子束