IC工艺技术4扩散和热氧化

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1、集成电路工艺技术讲座第四讲扩散和热氧化扩散和氧化－目录扩散扩散基本规律扩散技术扩散层的检测热氧化热氧化机理和规律氧化膜性质及检测氧化扩散工艺模拟扩散扩散工艺－－半导体制造中最基本的掺杂手段，高温下将杂质导入点阵，或形成一定分布，改变半导体导电性质．双极IC的埋层，隔离，基区，发射区，MOSIC的阱，源漏都要用到扩散．杂质导入方式从气态或液态化学源中扩散　　气相掺杂从掺杂氧化物或乳胶源中扩散　　固－固扩散离子注入　　然后退火，扩散扩散基本理论扩散方程低浓度时扩散方程的解扩散层薄层电阻电场的影响扩散的微观理论扩散方程j=-DdN/dxFick第一定律jxx+dx在间隔dx的二平面间，通过的净物质流

2、Adj,应等于空间(Adx)产生粒子速率(dN/dt)(Adx)AdxdN/dt=-Adjj+djA扩散方程N/t=/x(DN/x)Fick第二定律D（扩散系数）　一般是温度和浓度的函数，低浓度扩散时仅为温度的函数，低浓度时的扩散系数D=Doexp(-Eo/KT)一定温度下为常数低浓度时的扩散方程N/t=D2N/x2低浓度扩散（本征扩散）0.010.11.010100n/ni(T)110100D/Di（T）－－－－－本征扩散非本征扩散ni＝9.65x109cm3(RT)ni=5x1018cm3(1000C)低浓度扩散方程的解常数扩散源N(x,t)=NSerfc(x/2(2D

3、t)1/2)低浓度扩散方程的解有限扩散源N(x,t)=Qo/(Dt)1/2exp[-(x/2(Dt)1/2)2]高斯分布Xj1Xj2NSNSNBx扩散层的薄层（方块）电阻NPLLxjRs=L/Lxj=/xj=1/xj扩散层的薄层（方块）电阻（续）对n型样品＝qnn杂质全部电离＝qnND对p型样品＝qPpqnNA一般ND，NA是位置函数Rs,Xj,N(x)有以下关系：Rs＝1/oxjq(x)[N(x)-NB]dx电场的影响杂质在晶体中电离成离子和电子，高浓度时，会产生一电场E=KT/qd/dx[ln(ND/ni)]存在电场时，杂质运动是扩散和漂移运动之和J=-DdN/dx

4、+nE=fDdN/dx=DeffdN/dxf={1+[1+(2ni/ND)2]}-1/2f=1-2扩散的微观理论间隙扩散和替代扩散Em约0.6-1.2V室温下约每分钟跳一次ES+En约3-4eV,室温下约1045年跳一次替代扩散和间隙扩散替代扩散第3,4族元素，Al,B,As,Sb,P间隙扩散第1,8族元素，Na,K,H,He间隙-替代扩散过渡元素，Au,Ag,Cu,Fe,Ni后二类杂质减少少子寿命，是重要沾污源空位能带图----------------------------------------------------------------------------++++++++++

5、++++++++++++EcE2—E—E+Ev0.11V0.44V0.11V扩散系数和浓度有关D=Dio[Vo]/[Vo]i+Di+[V+]/[V+]I+Di-[V-]/[V-]i+Di2-[V2-]/[V2-]I[Vr]/[Vr]I=(n/ni)rD=Dio+Di+(p/ni)+Di-(n/ni)+Di2-(n/ni)2扩散实用规律硅中杂质固溶度高浓度扩散高浓度砷，硼扩散高浓度磷扩散杂质在SiO2中的扩散氧化增强扩散硅中杂质固溶度高浓度砷和硼扩散高浓度砷扩散D=fe[Dio+Di-(n/nie)]高浓度硼扩散D=fe[Dio+Di+(p/nie)]低浓度和高浓度砷扩散系数比较例低浓度D=1.

6、6x10-15cm2/s浓度1019cm3D=(1.6+1.7)x10-15cm2=3.3x10-15cm2高浓度砷和硼扩散Hu表达式D=Di(1+Fv)/(1+)砷fv=n/ni=100硼fv=p/ni=3高浓度砷和硼扩散杂质分布C/CSx/xi10.10.010.0010.20.40.60.81.0ErfcBAs高浓度磷扩散10201019101810170.20.40.6depth(um)C(cm-3)尾区中间区表面区ns高浓度磷扩散表面区磷和中性及双电荷空位作用形P+V--对D=fe[Dio+Di2-(n/ni)2中间区离表面区后，杂质浓度降低，当靠近导带边下0.11ev，P+

7、V--对解体，产生特征电子浓度ne(T)尾巴区由于P+V--对解体，硅点阵中空位增加，扩散系数增加Dtail=fe{Do+D-ns3/ne2n[1+exp(0.3ev/KT)]}杂质在SiO2中的扩散元素DSiO2(900°C)(cm2/s)Cs(cm-3)DSi(900°C)(cm2/s)B3.4x10-194.4x10-166x10181019-2x10202x10-15P9.3x10-197