集成电路工艺原理课件.ppt

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1、第四章扩散(Diffusion)§4.1引言§4.2扩散机理§4.3扩散方程及其解§4.4影响杂质分布的其他因素§4.5扩散工艺参量与扩散工艺条件的选择§4.6扩散方法§4.7扩散层质量检验§4.8扩散工艺常见的质量问题及分析1第四章扩散(Diffusion)§4.1引言一半导体中的掺杂方法合金法—杂质掺入到基片熔体中;扩散法—固–固扩散、气–固扩散;离子注入;2二扩散法优点1.通过对扩散温度、时间等工艺条件的准确调节来控制PN结的结深,并能获得均匀、平坦的结面;2.通过对扩散条件的调节和选择来控制扩散层表面的杂

2、质浓度及其分布,以满足不同的要求;3.与氧化、光刻技术相结合形成硅平面工艺;4.重复性好,均匀性好,适合大生产;3§4.2扩散机理一扩散的本质微观粒子的一种极为普遍的热运动方式,是微观粒子热运动的统计结果。在集成电路工艺中，将一定数量和一定种类的杂质掺入硅片中的工艺。扩散粒子总是从浓度高的地方向浓度低的地方移动;这种由粒子浓度梯度产生的粒子流密度(J)与粒子的浓度梯度(N)成正比,式中D为粒子的扩散系数，菲克第一定律的数学表达式则4慢扩散杂质在(111)硅中的扩散系数快扩散杂质在(111)硅中的扩散系数5二杂质

3、的扩散系数DD是描述杂质扩散运动快慢的物理量,它与杂质种类、扩散温度、气氛以及衬底晶向等多种因素有关;杂质扩散系数对温度的关系D随温度T变化迅速,T越高,D越大;一般温度每升高10℃,D将增加一倍左右;3)D还与基片材料的晶向、晶格的完整性、基片材料本体杂质浓度以及扩散杂质的表面浓度有关；2)快慢扩散杂质元素以划分;6三杂质固溶度(dopantsolidsolubility)固溶度(solidsolubility):在一定温度下，杂质能溶硅中而不发生反应形成分凝相的最大浓度。杂质的最大固溶度是表面杂质浓度Ns的上

4、限。几种杂质在硅中的固溶度7四硅体内杂质原子的扩散机构扩散最基本的两种机制1替位式扩散杂质原子进入硅晶体以后，杂质原子沿着晶格空位跳跃前进的一种扩散；替位式扩散机构的特征：杂质原子占据晶体晶格格点的正常位置，不改变晶体结构；替代式杂质P，B，As,Al,Ga,Sb,Geint~3–4eV82间隙式扩散杂质原子在进入硅晶体之后，从一个原子的间隙到另一个原子间隙逐次跳跃前进的一种扩散；间隙式扩散机构的特征：杂质原子只存在于晶体原子的间隙之中，扩散的速率一般较替位式要快；3有些杂质同时具有替位式和间隙式两种扩散结构，

5、它们的有效扩散系数则由这两个独立的扩散系数权重结合给出；间隙式杂质：O,Au,Fe,Cu,Ni,Zn,Mgint~0.6–1.2eV9§4.3扩散方程及其解扩散是微观粒子作无规则热运动的统计结果,这种运动总是由粒子浓度较高的地方向浓度低的地方进行，而使得粒子的分子逐渐趋于均匀。一扩散的宏观机制10C:杂质浓度，D:扩散系数,单位：cm2/s.负号表示扩散由高浓度处向低浓度处进行的J为单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子数1，由费克第一定律(Fick’sfirstlaw)C1C2xJ=–DN(1)由于扩散结平

6、行于硅表面，且结浅，(1)式可简化为（2）11如果D是常数，JoutCJinX质量守恒2，根据物质连续性的概念则,(3)(4)(5)式即为扩散方程，称为费克第二定律；它把浓度分布和扩散时间及空间位置联系了起来；描述了扩散过程中，硅片中各点的杂质浓度随时间变化的规律；(5)则12二扩散方程的解恒定表面源扩散(ConstantSource)—预淀积(Predeposition)有限表面源扩散(FiniteSource)—杂质推进(Drivein)13硅片表面的杂质浓度始终不变,这种扩散也叫预淀积扩散(Predepo

7、sitiondiffusion)1恒定表面源扩散GasPhaseSource(FixedConcentration)ThickSolidSurfaceSource,e.g.P2O514杂质总量固定(FiniteSource)QTotal:atom/cm22有限表面源扩散离子注入引入一定量的杂质总量；在整个扩散过程中，已形成的扩散杂质总量作为扩散的杂质源，不再有新源补充15163恒定表面源扩散方程的解边界条件(BoundaryCondition)C(0,t)=Cs(杂质固溶度)t≧0x=0时C(∞,t)=0t≧0x

8、→∝时起始条件C(x,0)=0t=0x>0时17式中，Cs是固定表面浓度,erf为误差函数，Erfc为余误差函数称为特征扩散长度介为:余误差函数分布(t>0)则18分布曲线的特点硅片表面杂质浓度Cs始终保持不变，它与时间无关，只与扩散的杂质和温度有关；Cs和D主要取决于掺杂元素和扩散温度；其中Cs由杂质在硅内的固溶度决定，杂质的固溶度给扩散的表面杂质浓度设置了上限；选定扩