半導(dǎo)體集成電路第3部分

半導(dǎo)體集成電路第3部分第一頁，共73頁。主要內(nèi)容：費克擴散定律。常見雜質(zhì)的擴散率。擴散分布的分析。擴散系統(tǒng)。第二頁，共73頁。擴散擴散是微電子工藝中最基本的工藝之一，是在約1000℃的高溫、p型或n型雜質(zhì)氣氛中，使雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴散，達到一定濃度，實現(xiàn)半導(dǎo)體定域、定量摻雜的一種工藝方法，也稱為熱擴散。

目的是通過定域、定量擴散摻雜改變半導(dǎo)體導(dǎo)電類型，電阻率，或形成PN結(jié)。第三頁，共73頁。擴散機制擴散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點運動的基本方式，當(dāng)溫度高于絕對零度時，任何物系內(nèi)的質(zhì)點都在作熱運動。雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的擴散是由雜質(zhì)濃度梯度或溫度梯度（物體中兩相的化學(xué)勢不相等）引起的一種使雜質(zhì)濃度趨于均勻的雜質(zhì)定向運動。擴散是一種傳質(zhì)過程，宏觀上表現(xiàn)出物質(zhì)的定向遷移。擴散是一種自然現(xiàn)象，是微觀粒子熱運動的形式，結(jié)果使其濃度趨于均勻。第四頁，共73頁。固相擴散工藝微電子工藝中的擴散，是雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴散，是固相擴散工藝。固相擴散是通過微觀粒子一系列隨機跳躍來實現(xiàn)的，這些跳躍在整個三維方向進行，主要有三種方式間隙式擴散替位式擴散間隙—替位式擴散第五頁，共73頁。擴散的微觀機制(a)間隙式擴散（interstitial）(b)替位式擴散（substitutional）間隙擴散雜質(zhì)：O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg替位擴散雜質(zhì)：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的運動一般是以近鄰處有空位為前題B，P，一般作為替代式擴散雜質(zhì)，實際情況更復(fù)雜，包含了硅自間隙原子的作用，稱填隙式或推填式擴散第六頁，共73頁。間隙式擴散間隙原子擴散勢場示意圖Wi=0.6-1.2eV第七頁，共73頁。按照玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，獲得大于能過Wi的幾率正比于exp(-Wi／kT)k：玻爾茲曼常數(shù)kT:平均振動能，0.026eV

υ0：振動頻率，1013-1014/s跳躍率室溫下，約每分鐘一次。第八頁，共73頁。替位式擴散產(chǎn)生替位式擴散必需存在空位。晶體中空位平衡濃度相當(dāng)?shù)停覝叵?，替位式擴散跳躍率約每1045年一次。Ws空位濃度α第九頁，共73頁。間隙-替位式擴散許多雜質(zhì)即可以是替位式也可以是間隙式溶于晶體的晶格中，并以間隙-替位式擴散。這類擴散雜質(zhì)的跳躍率隨空位和自間隙等缺陷的濃度增加而迅速增加。第十頁，共73頁。間隙-替位式擴散雜質(zhì)原子被從晶格位置“踢出”(Kick-out)AVA+IAi第十一頁，共73頁。雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的作用對晶圓局部摻雜在半導(dǎo)體制程中必不可少。向半導(dǎo)體中摻雜的方法有擴散和離子注入法。擴散法是將摻雜氣體導(dǎo)入放有硅片的高溫爐，將雜質(zhì)擴散到硅片內(nèi)一種方法。擴散的優(yōu)點是批量生產(chǎn)，獲得高濃度摻雜。雜質(zhì)擴散有兩道工序：預(yù)擴散(

又稱預(yù)淀積

Pre-deposition

)

主擴散(

drive

in

)。第十二頁，共73頁。擴散工序預(yù)擴散工序:在硅表面較淺的區(qū)域中形成雜質(zhì)的擴散分布，這種擴散分布,硅表面雜質(zhì)濃度的大小是由雜質(zhì)固溶度來決定的。主擴散工序:將預(yù)擴散時形成的擴散分布進一步向深層推進的熱處理工序。雜質(zhì)的擴散濃度取決于與溫度有關(guān)的擴散系數(shù)D的大小和擴散時間的長短。第十三頁，共73頁。擴散工序(續(xù))硅集成電路工藝中，常采用硼作為P型雜質(zhì)，磷作為N型雜質(zhì)。還使用砷和銻等系數(shù)小的雜質(zhì)，這對于不希望產(chǎn)生雜質(zhì)再分布的場合是有效的。雜質(zhì)擴散層的基本特性參數(shù)是方塊電阻RF和擴散結(jié)果Xj。第十四頁，共73頁。雜質(zhì)在晶圓中的分布常用雜質(zhì)濃度為1017/cm3硅的原子濃度1022/cm3。萬分之幾分布深度遠小于1%第十五頁，共73頁。擴散結(jié)果測量RF可用四探針測量法。對于Xj：傾斜研磨（Angle

lapping)

和染色(staining)法，(如用HF:H3PO4

=

1:6使P層黑化)

傾斜研磨后，經(jīng)侵蝕的酸溶液蝕刻，將擴散后集積在晶片下半部的析出物凸顯出來，顯現(xiàn)出密度的軌跡，而在靠晶片的表面附近出現(xiàn)一段空泛區(qū)，經(jīng)過角度換算，約20um。擴展電阻(

spreading

resistance)法來進行評估。第十六頁，共73頁。一維費克擴散方程存在濃度梯度時，任何一種可自由運動的材料都會再分布。材料的移動趨向于將濃度梯度降低，起源是材料的隨機熱運動。擴散運動的基本方程就是費克第一定律：其中C是雜質(zhì)濃度。D是擴散率。J是材料的凈流量，單位是單位面積單位時間內(nèi)流過的原子個數(shù)。第十七頁，共73頁。費克第二定律實際應(yīng)用中擴散流密度很難測量，引入費克第二定律。以便于測量其中的變量。J1J2dxAJ2流出體積元的流量J1流入體積元的流量連續(xù)方程可以表示為：第十八頁，共73頁。費克第二定律（續(xù)）代入費克第一定律表達式有：如果是三維各向同性介質(zhì)，則有：第十九頁，共73頁。擴散的原子模型將一個雜質(zhì)原子插入到晶體，雜質(zhì)原子可能落到晶格位置之間的一個填隙位置上。不能和本體材料鍵合的就是填隙型雜質(zhì)。在晶格位置上取代了硅原子的雜質(zhì)就是替代型雜質(zhì)。替位型雜質(zhì)P，B，As，Al，Ga，Sb，Ge填隙型雜質(zhì)O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg第二十頁，共73頁。擴散的原子模型（續(xù)）

替位型雜質(zhì)的移動直接交換式耗能多?？瘴唤粨Q式耗能較低，是擴散的主要機理之一。A：直接交換B：空位交換第二十一頁，共73頁。總擴散率在高摻雜濃度的擴散，電子或者空穴的濃度就等于雜質(zhì)的濃度。對于低摻雜濃度的擴散，襯底中存在過量的載流子（電子、空穴）時，相對的一種可以忽略。第二十二頁，共73頁。本證載流子濃度和溫度的關(guān)系對于硅,Ni0，Eg0，α，β分別為7.3E15cm-3,1.17eV,0.000463eV*K,636K對于GaAs,Ni0，Eg0，α，β分別為4.2E14cm-3,1.52eV,0.000541eV*K,204K第二十三頁，共73頁。激活能和常數(shù)值D是施主雜質(zhì)A是受主雜質(zhì)I是替位雜質(zhì)中性空位的雜質(zhì)的擴散率可以用表示。其中是激活能，是與晶格振動頻率和晶格結(jié)構(gòu)相關(guān)的常量。中性空位的擴散率第二十四頁，共73頁。填隙擴散機制填隙型硅原子取代了一個替位型雜質(zhì)原子的位置，將替位型雜質(zhì)原子推到填隙位置上。在雜質(zhì)原子回到替位位置之前，它從該填隙位置擴散一段距離。只有空位擴散時，才會發(fā)生填隙擴散，硼、磷雜質(zhì)依靠此兩種擴散機制擴散。第二十五頁，共73頁。擠出機制和Frank-Turnbull機制雜質(zhì)通過填隙快速擴散。雜質(zhì)回到晶格位置有兩種方式：擠出機制，雜質(zhì)原子取代了硅原子的位置。Frank-Turnbull機制，填隙雜質(zhì)被空位俘獲。第二十六頁，共73頁。費克定律的分析解實際應(yīng)用中不能把擴散系數(shù)認(rèn)為是常數(shù)，需用數(shù)值方式對費克定律求解。表面雜質(zhì)源固定----預(yù)淀積擴散進入晶圓中雜質(zhì)數(shù)量一定----推進擴散可以先預(yù)淀積再進行推進擴散。第二十七頁，共73頁。擴散后濃度和深度的關(guān)系A(chǔ)預(yù)淀積擴散B推進擴散第二十八頁，共73頁。常見雜質(zhì)的擴散率硼雜質(zhì)：濃度在1020cm-3以下的測量數(shù)據(jù)與本征擴散率一致。直到濃度達到1020cm-3，擴散表達式中第一項起作用。當(dāng)濃度超過，不是所有硼原子都占據(jù)晶格位置，其中一些必須處于填隙位置，或者凝聚成團，導(dǎo)致擴散率急劇下降。第二十九頁，共73頁。常見雜質(zhì)的擴散率（續(xù)）高濃度硼擴散分布第三十頁，共73頁。常見雜質(zhì)的擴散率（續(xù)）砷雜質(zhì)：砷在硅中通過中性空位和帶單個負電荷的空位進行擴散。擴散率較低，被選為N型雜質(zhì)滿足最小的雜質(zhì)分布。例：NMOS的源漏區(qū)擴散；多極晶體管的發(fā)射區(qū)擴散低濃度的和中等濃度的砷擴散，利用本征擴散來描述當(dāng)濃度超過1020/cm3，砷易成團，導(dǎo)致高濃度擴散分布頂部平緩。高溫退火使聚團濃度和替位型砷濃度達到平衡。第三十一頁，共73頁。常見雜質(zhì)的擴散率（續(xù)）高濃度砷擴散分布第三十二頁，共73頁。常見雜質(zhì)的擴散率（續(xù)）磷雜質(zhì)：主要限于阱和隔離。擴散分布曲線分為三個區(qū)域：高濃度區(qū)、低濃度區(qū)、轉(zhuǎn)折區(qū)。高濃度區(qū)，濃度不變，有兩部分組成：中性的磷原子----中性空位交換擴散；磷離子和帶兩個負電荷的空位組成的離子空位對----空位對擴散。轉(zhuǎn)折區(qū)，電子濃度急劇下降，大部分離子空位對發(fā)生分解，未配對離子繼續(xù)擴散，分解增強過?？瘴粷舛?，提高了尾區(qū)擴散率。第三十三頁，共73頁。常見雜質(zhì)的擴散率（續(xù)）高濃度磷擴散分布第三十四頁，共73頁。常見雜質(zhì)的擴散率（續(xù)）鋅雜質(zhì)對GaAs，雜質(zhì)擴散取決于空位和填隙原子的帶電狀態(tài)，空位是鎵空位還是砷空位。對GaAs晶圓P型雜質(zhì)用鋅，N型雜質(zhì)用硅。

鋅的擴散有一個寬的平臺區(qū)和陡降的尾區(qū)。平臺區(qū)的濃度受限于鋅的固溶度。鋅擴散包含兩部分：空位擴散、替位-填隙擴散。第三十五頁，共73頁。鋅雜質(zhì)（續(xù)）替位-填隙擴散速度快于空位擴散。其中鋅以兩種形式存在：帶正電的填隙式離子Zn+，替位型離子Zn-。Zn+，濃度低、擴散快。Zn-，通過中性空位交換，速度慢。Zn+，遇到鎵空位，被俘獲，失去兩個空穴，變成Zn-，擴散速度降低。第三十六頁，共73頁。鋅雜質(zhì)（續(xù)）鋅預(yù)沉積擴散第三十七頁，共73頁。鋅雜質(zhì)（續(xù)）直到雜質(zhì)濃度降低之前，擴散率很大，濃度降低，擴散率也降低，雜質(zhì)分布邊緣變陡。由于鎵空位多重帶電，以及替位型離子和填隙型離子形成離子對，擴散曲線尾區(qū)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。第三十八頁，共73頁。鋅雜質(zhì)（續(xù)）鋅擴散模型與實驗比較第三十九頁，共73頁。常見雜質(zhì)的擴散率（續(xù)）硅雜質(zhì)硅是IV族元素，在GaAs中既可以是P型雜質(zhì)，也可能是N型雜質(zhì)。兩種晶格位置上硅原子濃度之差就是載流子濃度。當(dāng)原子濃度的差值比每一個分量小的時候，為高度補償半導(dǎo)體。通過相鄰晶格位置上一對雜質(zhì)原子與一對相鄰的空位進行交換進行擴散。第四十頁，共73頁。硅雜質(zhì)（續(xù)）在退火處理觀察擴散結(jié)果。SiGa+原子通過與不帶電的或者帶三個負電荷的鎵空位交換位置進行擴散。SiAs-

原子擴散與鎵原子無關(guān)。SiGa-SiAs原子耦合對不移動。試驗發(fā)現(xiàn)LEC法制備的鎵空位濃度低的富鎵GaAs中，硅的擴散率明顯降低。第四十一頁，共73頁。退火處理后的硅擴散940℃，980℃，1000℃，10分鐘退火1050℃，3分鐘退火第四十二頁，共73頁。擴散分布的分析分析的目的是獲得深度、橫向位置的雜質(zhì)濃度。通過測量擴散區(qū)的薄膜電阻可以獲得雜質(zhì)的分布信息測量薄膜電阻有兩種方法：四探針法，范德堡法。第四十三頁，共73頁。四探針法四探針可以排列成不同形式，常見的是排成直線。V圓片I第四十四頁，共73頁。四探針法（續(xù)）外面的兩根探針之間施加電流，在里邊的兩根探針之間測量電壓。安培定律計算獲得薄層電阻，乘以幾何修正因子。幾何修正因子與探針排列形狀，探針距離與擴散區(qū)深度的比值相關(guān)。對于直線排列，探針間距遠大于結(jié)深時，修正因子為4.5325。第四十五頁，共73頁。四探針法注意事項擴散區(qū)下邊的襯底必須絕緣，或者襯底電阻率遠大于被測擴散層的電阻率?；蛘弑粶y擴散層和襯底之間必須形成一個反偏的二極管?？刂铺结槈毫?，避免穿透PN結(jié)。需要考慮PN結(jié)附近耗盡區(qū)的影響。第四十六頁，共73頁。范德堡測量法VI通過接觸樣品邊緣的四個位置進行。在一對相鄰的接觸點之間施加電流。在另一對接觸點之間測量電壓。第四十七頁，共73頁。范德堡測量法（續(xù)）為提高精度，將探針接法旋轉(zhuǎn)90°，重復(fù)四次，求平均結(jié)果：F（Q）是一個與探針排列有關(guān)的修正因子。正方形的排列F（Q）=1第四十八頁，共73頁。范德堡測量法注意事項必須準(zhǔn)確測量樣品的幾何尺寸。對于正方形樣品，接觸點必須做到樣品的四個側(cè)壁上工藝中將晶圓切割成四方形，在邊緣上作歐姆接觸。通過光刻確定一個范德堡結(jié)構(gòu)圖形，并用氧化層隔離或者PN結(jié)隔離限制擴散區(qū)形狀。第四十九頁，共73頁。結(jié)深的測量為擴散分布更完整的描述,需要對結(jié)深進行測量。用機械方法在晶圓上磨出一個已知直徑的凹槽，將其浸入染色液中。溶液的腐蝕速率取決于載流子的濃度和類型。第五十頁，共73頁。結(jié)深的測量（續(xù)）P型硅采用1:3:10的HF:HNO3:C2H4O2混合液，腐蝕時樣品變黑。GaAs采用1:1:10的HF:H2O2:H2O混合液，腐蝕過程中需要光照。用帶刻度的光學(xué)顯微鏡測量染色區(qū)域的寬度。再計算出結(jié)深。只能用于結(jié)深小于1μm的測量。第五十一頁，共73頁。結(jié)染色法結(jié)深測量開槽后的圓片選擇性腐蝕后的圓片摻雜層襯底摻雜層襯底砂輪第五十二頁，共73頁。霍爾效應(yīng)測量載流子濃度電流在擴散層中流過，與電流方向垂直的方向施加磁場。載流子會受到洛侖茲力。與電流方向和磁場方向都垂直的電場分量與洛侖茲力向等時不在發(fā)生偏轉(zhuǎn)。此電場的建立就是霍爾效應(yīng)，電壓稱為霍爾電壓。平均霍爾遷移率：第五十三頁，共73頁?；魻栃?yīng)測量結(jié)構(gòu)VBe-I第五十四頁，共73頁。二維分布測量----SCMSCM是掃描電容顯微技術(shù)。采用原子力顯微鏡在樣品上掃描一個導(dǎo)電尖端。樣品被劈開后把被測的邊緣部分朝上放。導(dǎo)電尖端用來測量反型層電容。電容值轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電尖端下的雜質(zhì)濃度。典型的電容值小于1pF。第五十五頁，共73頁。擴展電阻分布測量擴展電阻分布測量（spreadingresistanceprofilometry）利用探針接觸點附近電流聚集程度與局部載流子濃度之間關(guān)系進行測量。用磨削和拋光的方法將樣品磨出一個小角度斜面。將樣品放好，一對探針以預(yù)先設(shè)定好的壓力與樣品表面接觸。探針針尖可達半導(dǎo)體表面幾十埃。第五十六頁，共73頁。擴展電阻分布測量（續(xù)）電流匯集流入針尖，在兩根探針之間造成一個有限的電阻。將這一電阻值與一個已知濃度的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，反推出載流子濃度分布。測量范圍載流子濃度1013～1021cm-3。第五十七頁，共73頁。擴展電阻分布測量（續(xù)）被測載流子濃度和深度的關(guān)系第五十八頁，共73頁。擴展電阻分布測量的缺陷測量結(jié)果嚴(yán)格取決于點接觸的重復(fù)性。探針針尖必須小心調(diào)整。經(jīng)常需要對標(biāo)準(zhǔn)片進行校準(zhǔn)測量。近表面測量。制作非常平坦的小角度很困難，判斷表面從哪里開始也不容易，除非表面上方有絕緣層。被測材質(zhì)。樣品假定與標(biāo)準(zhǔn)片的性質(zhì)接近，實際使用中該假定未必成立。GaAs在近表面有明顯的能帶彎曲，不能測量.第五十九頁，共73頁。電化學(xué)分布測量法電化學(xué)法腐蝕晶圓后測量電容、電阻率。多次重復(fù)腐蝕、測量的步驟。通過測量電容、電阻率隨腐蝕時間的變化而獲得載流子濃度的分布。常用于III-V族半導(dǎo)體。第六十頁，共73頁。二次離子質(zhì)譜法（SiMS）SiMS裝置探測器質(zhì)譜儀離子源質(zhì)量過濾器二次離子圓片加速柵極放大器高真空腔第六十一頁，共73頁。二次離子質(zhì)譜法（續(xù)）待測樣品放入儀器，抽真空，真空度達到1×10-9Torr一束能量在1～5keV的離子束照射到樣品，高能離子撞擊樣品表面。破壞樣品的晶格結(jié)構(gòu)濺射出樣品。濺出的材料被離化、收集，向質(zhì)譜儀加速運動。被質(zhì)譜儀收集。靜態(tài)模式下，用慢濺射速率來測量薄層中的不同元素。高濺射率工作測量各種雜質(zhì)隨深度變化的濃度分布。第六十二頁，共73頁。二次離子質(zhì)譜法（續(xù)）商業(yè)裝置可達的最大檢測濃度雜質(zhì)離子束導(dǎo)電類型測量極限Si中的BO2+1×1014～1.5×1015cm-3Si中的AsCs-5×1014cm-3Si中的PCs-1×1015cm-3Si中的OCs-1×1017cm-3Si中的CCs-1×1016cm-3GaAs中的SiCs-1×1015cm-3GaAs中的MgO2+1×1014cm-3GaAs中的BeO2+5×1014cm-3GaAs中的OCs-1×1017cm-3GaAs中的CCs-5×1015cm-3第六十三頁，共73頁。二次離子質(zhì)譜法的缺點測量系統(tǒng)需要抽到真空，樣品必須被濺射出來，數(shù)據(jù)采集受限于濺射腐蝕速率，測量厚度超過1μm的樣品需要4～8小時。突變的界面、埋層都難以測量。同一時間被濺射的并非樣品的同一原子層，在濺射過程中樣品會越來越不平坦。以及撞擊效應(yīng)，使雜質(zhì)再分布。第六十四頁，共73頁。盧瑟福背散射法試驗裝置能量分析儀He離子源質(zhì)量過濾器圓片加速柵極放大器高真空腔θ第六十五頁，共73頁。盧瑟福背散射法（續(xù)）能量超過1MeV的氦離子以接近法線方向入射到樣品上，這些高能離子