集成電路制造技術集成電路制造技術JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理與工藝哈爾濱工業(yè)大學/田麗擴散第四章擴散JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU4.1擴散機構4.2晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學方程4.3雜質(zhì)的擴散摻雜4.4熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.5擴散工藝條件與方法4.6擴散工藝質(zhì)量與檢測4.7擴散工藝的發(fā)展目錄CONTENTS4.1擴散機構晶體內(nèi)的擴散是通過微觀粒子-原子的一系列隨機跳躍來實現(xiàn)的，這些跳躍在三維方向進行；主要有替位式、間隙式、替位-間隙式三種方式只有當晶體中的雜質(zhì)存在濃度梯度時才會出現(xiàn)凈的雜質(zhì)移動。溫度的高低則是決定雜質(zhì)粒子跳躍移動快慢的主要因素。4.1擴散機構4.1.1替位式擴散Ws格點出現(xiàn)空位的概率為：由于有熱漲落，按照玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，雜質(zhì)跳過勢壘W(wǎng)s的概率為：跳躍率：空位濃度αε硅中的替位雜質(zhì)：替位式擴散只有在高溫下才可能實現(xiàn)4.1擴散機構4.1.2填隙式擴散Wi=0.6~1.2eVε按照玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，能量大于Wi的幾率正比于：exp(-Wi／kT)跳躍率：室溫下，Pi≈1次/min；隨著溫度升高跳躍率指數(shù)增加。kT=0.026eV填隙式擴散速率遠大于替位式擴散4.1擴散機構4.1.3填隙--替位式擴散多數(shù)雜質(zhì)即可以是替位式也可以是填隙式溶于晶體，并以填隙-替位方式擴散。其跳躍率隨空位、自填隙原子等缺陷濃度的增加而迅速增加。在單晶硅中，不同的雜質(zhì)以不同方式擴散：Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)以替位式擴散為主，稱慢擴散雜質(zhì)，如B、P、Sb、As等；Ⅰ族雜質(zhì)是填隙式擴散，稱快擴散雜質(zhì)，如Na、K、H等；大多數(shù)過渡元素是填隙-替位式擴散，如：Au、Fe、Cu、Pt、Ni等。4.2晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學方程4.2.1擴散基本特點晶體中原子（或離子）以一定的對稱性和周期性排列，其中的雜質(zhì)原子與晶體原子的相互作用強，每一步遷移必須從熱漲落中獲取足夠的能量以克服勢壘，這限制了雜質(zhì)原子遷移的方向和距離。溫度的高低，晶體的結構與缺陷濃度，雜質(zhì)原子的大小和運動方式是決定雜質(zhì)擴散運動的要主因素。4.2晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學方程4.2.2擴散方程1.Fick第一定律在單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向單位面積上的擴散物質(zhì)流量為擴散通量J，它與該截面處的濃度梯度成正比：SiSiO2xD--雜質(zhì)在襯底中的擴散系數(shù)J單位為：kg/m2.s或個/cm2.s4.2晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學方程4.2.2擴散方程2.Fick第二定律假設一段具有均勻橫截面的長方形材料，考慮其中的小體積元Adx流入、流出的流量差為：AJ1J2dxxx+dx非穩(wěn)態(tài)擴散過程，任一位置的雜質(zhì)濃度隨擴散時間而變化，有：--擴散方程

4.2晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學方程4.2.3擴散系數(shù)是描述擴散速度的重要物理量，它相當于單位濃度梯度時的擴散通量，D越大擴散越快。x,

wsEa–擴散激活能–表觀擴散系數(shù)(m2/s)4.2晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學方程4.2.3擴散系數(shù)低濃度下實測各種雜質(zhì)在硅和砷化鎵中擴散系數(shù)快擴散雜質(zhì)慢擴散雜質(zhì)4.2晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學方程4.2.3擴散系數(shù)硅中雜質(zhì)面的擴散系數(shù)擴散系數(shù)除與溫度有關外，還與硅片晶向、晶格完整性、本體雜質(zhì)濃度，以及擴散雜質(zhì)濃度等因素有關。D–本征擴散系數(shù)De–非本征擴散系數(shù)4.3雜質(zhì)的擴散摻雜擴散工藝是要在硅片的特定位置，摻入所需濃度及分布，有電活性的雜質(zhì)。由擴散方程可以計算出雜質(zhì)濃度及分布等關鍵工藝參數(shù)，包括：雜質(zhì)的分布函數(shù)C(x);表面濃度Cs

結深xj摻入單位面積雜質(zhì)總量Q4.3雜質(zhì)的擴散摻雜4.3.1恒定表面源擴散簡稱恒定源擴散，指在整個擴散過程中雜質(zhì)濃度始終保持不變，是硅片一直處于雜質(zhì)氛圍中，表面雜質(zhì)濃度達到了該擴散溫度的固溶度Ns。初始條件為：C(x，0)=0，x>0邊界條件為：C(0，t)=Cs=NsC(∞，t)=0

erfc–余誤差函數(shù)恒定源擴散雜質(zhì)濃度服從余誤差分布4.3雜質(zhì)的擴散摻雜4.3.1恒定表面源擴散恒定源擴散的雜質(zhì)濃度分布

N-SiSiO2P-Six0xj結深：4.3雜質(zhì)的擴散摻雜4.3.1恒定表面源擴散恒定源擴散的雜質(zhì)濃度分布雜質(zhì)總量：

雜質(zhì)濃度梯度：4.3雜質(zhì)的擴散摻雜4.3.2限定表面源擴散簡稱限定源擴散，指雜質(zhì)在擴散前源積累于硅片表面薄層δ內(nèi)，單位面積雜質(zhì)總量Q為常量，在硅片外無雜質(zhì)的環(huán)境氛圍下進行的擴散。初始條件：邊界條件：C(x,0)=Q/δ,0<x<δ

C(x,0)=0,x>δC(∞,t)=0

限定源擴散雜質(zhì)濃度服從高斯分布4.3雜質(zhì)的擴散摻雜4.3.2限定表面源擴散限定源擴散的雜質(zhì)濃度分布表面雜質(zhì)濃度:結深:雜質(zhì)濃度梯度:4.3雜質(zhì)的擴散摻雜4.3.2限定表面源擴散限定源擴散的雜質(zhì)濃度分布4.3雜質(zhì)的擴散摻雜4.3.3兩步擴散工藝N-SiSiO2P-SixCsxjQ兩步擴散工藝就是將恒定源擴散和限定源擴散結合起來，通過調(diào)整擴散溫度和時間，實現(xiàn)控制摻入硅中雜質(zhì)的表面濃度、雜質(zhì)總量、結深等關鍵參數(shù)。第一步：稱預淀積（或預擴散），是恒定源擴散，目的是在擴散窗口的硅表層擴入總量Q一定的雜質(zhì)。第二步：稱再分布（或主擴散），是限定源擴散，將預淀積在硅表層的雜質(zhì)再進一步向片內(nèi)擴散，目的是控制擴散窗口硅的表面濃度Cs和結深xj。4.3雜質(zhì)的擴散摻雜4.3.3兩步擴散工藝兩步工藝雜質(zhì)濃度分布兩步擴散之后的雜質(zhì)最終分布形式，將由具體工藝條件決定，是兩個擴散過程結果的累加：當D1t1>>D2t2時預擴散起決定作用，雜質(zhì)接近余誤差函數(shù)形式分布。當D1t1<<D2t2時，主擴散起決定作用，雜質(zhì)接近高斯函數(shù)形式分布。實際的擴散情況比較復雜：恒定源擴散硅表面雜質(zhì)濃度難以控制限定源擴散硅表面的雜質(zhì)總量會有所減少對結深影響最大的是擴散溫度和時間，溫度的影響更大。4.4熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素雜質(zhì)的實際分布與理論分布存在偏差，主要原因為：擴散系數(shù)在某些場合不是常數(shù)；實際擴散過程中存在橫向效應；硅襯底的晶向、晶格完整性等也對擴散速率、雜質(zhì)分布有影響；還有Fick定律解釋不了的效應：氧化增強擴散、發(fā)射區(qū)推進、場助擴散等效應。4.4熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.1硅中點缺陷對雜質(zhì)擴散的影響1.空位的影響各種空位的擴散系數(shù)和激活能都與其荷電狀態(tài)有關，假設各自都是獨立的，則，本征擴散系數(shù)：Di=Di0+Di-1+Di+1+Di+2+…各種雜質(zhì)-空位復合體，也有不同的激活能和擴散常數(shù)，假設也都是獨立的，則，非本征擴散系數(shù)：

--C>Ci

≈1019原子/cm34.4熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.1硅中點缺陷對雜質(zhì)擴散的影響2.填隙原子的影響填隙機制同空位機制一樣能促成替位雜質(zhì)的擴散運動，如：硅原子踢出晶格位置上的雜質(zhì)原子促成擴散，或反之踢出與填隙擴散共同作用促成擴散多數(shù)是雜質(zhì)如硼和磷，是靠兩種機制進行擴散的，哪一種機制占主要地位取決于具體雜質(zhì)和工藝。4.4熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.2氧化增強擴散在熱氧化過程中原存在硅內(nèi)的某些摻雜原子顯現(xiàn)出更高的擴散性，稱為氧化增強擴散(OED)。N-Si，CB<1019P-Si氮化硅氧化層BOED硼、磷在氧化氣氛中的擴散存在明顯增強現(xiàn)象，砷也有此現(xiàn)象。原因是氧化誘生堆垛層錯產(chǎn)生了大量自填隙Si，而填隙-替位式擴散中的“踢出”機制提高了擴散系數(shù)。4.4熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.2氧化增強擴散氧化阻滯擴散現(xiàn)象P-Si，CB<1019N-Si氮化硅氧化層Sb氧化阻滯擴散銻有氧化阻滯擴散現(xiàn)象。因為銻擴散是以替位方式進行，氧化層錯帶來的自填隙硅不斷填充空位，降低了窗口下空位的濃度，銻在氧化氣氛中的擴散被阻滯，使得氧化窗口下方的擴散結變淺。4.4熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.2氧化增強擴散氧化增強擴散系數(shù)在氧化過程中，填隙硅原子的濃度是由氧化速率和復合速率決定，所以在氧化過程中的擴散系數(shù)是氧化速率的函數(shù)。氧化引起的增強擴散系數(shù)：氧化增強與硅表面的取向有關，在干氧氧化時，氧化增強的效果按(111)、(110)、(100)的順序遞減。

n=0.2-0.34.4熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.3發(fā)射區(qū)推進效應又稱發(fā)射區(qū)陷落，在npn窄基區(qū)晶體管制造中，如果基區(qū)和發(fā)射區(qū)分別擴硼和磷，發(fā)現(xiàn)發(fā)射區(qū)正下方的基區(qū)(稱內(nèi)基區(qū))要比不在發(fā)射區(qū)正下方的基區(qū)(稱外基區(qū))深，即在發(fā)射區(qū)正下方硼的擴散有了明顯的增強。N-SiP-Siδ擴PN-Si基區(qū)集電區(qū)發(fā)射區(qū)是由于磷擴時，磷與空位相互作用形成的PV對會發(fā)生分解，增加了空位的濃度，而加快了陷落區(qū)域(δ)硼的擴散速度。4.4熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.4橫向擴散效應N-SiSiO2P-Si硅內(nèi)濃度比表面濃度低兩個數(shù)量級以上時，橫向擴散的距離是縱向擴散的0.74-0.85倍，濃度高時是縱向的0.65-0.7倍。恒定源擴散限源

擴散4.4熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.4橫向擴散效應對于經(jīng)過擴散摻雜的襯底，雜質(zhì)濃度在橫向是均勻的，但在縱向則遞減，若在這種襯底上擴散，窗口邊緣處的橫向擴散結深將明顯小于縱向擴散結深。橫向擴散的存在，直接影響ULSI的集成度。45.4熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.5場助擴散效應是指施主雜質(zhì)或受主雜質(zhì)在硅中的擴散，是以電離后的離子和電子或空穴各自進行的擴散運動。電子或空穴的擴散速度比離子快，在硅內(nèi)形成內(nèi)建電場E，電場方向正好起著幫助運動較慢的離子加速擴散作用。C>1019原子/cm3時，D不再是常數(shù)。PP+P+P+___EBB-B-B-+++E4.5擴散工藝條件與方法4.5.1擴散方法的選擇開管擴散：擴散的重復性和穩(wěn)定性都好，而且擴散方便，價廉，但是污染大，對于毒性大的雜質(zhì)源不能采用。閉管擴散：擴散的均勻性、重復性較好，擴散時受外界影響少，但是效率低，每次破碎石英管。在大面積深結擴散時常采用這種方法。4.5擴散工藝條件與方法4.5.1擴散方法的選擇箱法擴散工藝簡單、成熟，既有閉管擴散的特點，又有開管擴散的優(yōu)點，但是擴散時間長、效率較低，雙極型集成電路的埋層擴散，通常采用箱式銻擴散。氧化物源擴散在硅片表面上淀積摻有某種雜質(zhì)的氧化層，再分布擴散。工藝不夠成熟，重復性較差。涂源法擴散把溶于溶劑中的雜質(zhì)源直接涂在硅片表面，進行再分布擴散。表面濃度難以控制，均勻較差。箱法擴散設備4.5擴散工藝條件與方法4.5.2雜質(zhì)源選擇固態(tài)源用法便利，對設備要求不高，是應用較多的擴散源，主要有BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等陶瓷片或粉體源。液態(tài)源操作方便，生產(chǎn)效率高，重復性和均勻性都較好，在大量生產(chǎn)中應用較多，主要有POCl3、BBr3等。氣態(tài)源主要有PH3、AsH3、BCl3等，這些氣體的毒性大，且易燃易爆，實際生產(chǎn)中很少采用。液態(tài)源擴散4.5擴散工藝條件與方法4.5.2雜質(zhì)源選擇還應考慮下面幾點：對所選擇的雜質(zhì)，SiO2掩膜應能起著有效的掩蔽作用；在硅中的固溶度要大于所需要的表面濃度；相繼擴散雜質(zhì)的擴散系數(shù)應搭配適當，先擴的應小，后擴的大；純度高，雜質(zhì)電離能小，使用方便、安全等。4.5擴散工藝條件與方法4.5.3常用雜質(zhì)的擴散工藝1.硼擴散（以NPN晶體管基區(qū)擴散為例）硼是使用最多的P型雜質(zhì)，在硅中的最大固溶度為4×1020原子/cm3；與硅原子半徑相差較大，有伴生應力缺陷，能造成晶格損傷。硼擴原理2B2O3+3Si→4B+3SiO2

選源通常使用BN陶瓷片源，必須活化

活化反應：4BN+3O2→2B2O3+2N2工藝兩步工藝，第一步預淀積為恒定源擴散；第二步再分布為限定源擴散，同時生長氧化層。與Si表面化學反應：4.5擴散工藝條件與方法4.5.3常用雜質(zhì)的擴散工藝B擴工藝流程清洗→預淀積→漂硼硅玻璃→再分布→測方塊電阻預淀積工藝條件：T≈985℃，t≈20min，N2保護0.5L/min。漂硼硅玻璃，是用10%的HF漂掉擴散窗口表面的BSG。再分布工藝條件：T≈1170℃，干氧10min-濕氧（水溫95℃）40min-干氧10min。測方塊電阻，通過測方塊電阻來了解摻雜情況。n-SiSiO2p-siBSGP-Si4.5擴散工藝條件與方法4.5.3常用雜質(zhì)的擴散工藝2.磷擴散（以NPN晶體管發(fā)射區(qū)擴散為例）磷是使用最多的n型雜質(zhì)，在硅中的最大固溶度可達1021原子/cm3，與硅原子半徑相當，伴生應力缺陷小。硼擴原理2P2O5+5Si→4P+5SiO2選源通常使用含P2O5陶瓷片源。工藝與硼擴相近的兩步工藝，只是中間不漂磷硅玻璃。n-SiSiO2P-Sin-Sin-Si預淀積工藝條件：T≈1170℃，t≈12mim，N2保護0.5L/min。再分布工藝條件：T≈970℃，干氧5min-濕氧（水溫95℃）25min-干氧7min。4.5擴散工藝條件與方法4.5.3常用雜質(zhì)的擴散工藝NPN晶體管雜質(zhì)分布Nx5×102010183×1016N+PNN型erfc分布P型高斯分布N型襯底0XebjXbcjNx發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)B擴：D1t1<<D2t2雜質(zhì)近似為高斯分布P擴：D1t1>>D2t2雜質(zhì)近似為服從余誤差分布4.5擴散工藝條件與方法4.5.3常用雜質(zhì)的擴散工藝3.砷與銻擴散

DAs、DSb

是DP、DB

的十分之一，因此適于作為前擴散雜質(zhì)，如埋層擴散或淺結擴散的雜質(zhì)。As的擴散方式一般是采用閉管式，源為3%砷粉末，固溶度最高Cs=2×1021原子/cm3。Sb的一般是采用箱式，源為Sb2O5固態(tài)粉末源，固溶度最高Cs=2-5×1019原子/cm3。4.6擴散工藝質(zhì)量與檢測評價擴散質(zhì)量的工藝參數(shù)主要有：結深xj，雜質(zhì)表面濃度Cs，方塊電阻R□。工藝參數(shù)的獲取方法：解擴散方程可以得到計算值對擴散后芯片檢測：xj、Cs、R□另外，通過測量擴散后芯片的電學特性：pn結的I-V曲線等，也能了解擴散工藝情況。4.6擴散工藝質(zhì)量與檢測4.6.1結深的測量1.結深的計算n-SiSiO2P-SixjC(x,t)為余誤差分布時：C(x,t)高斯分布時：4.6擴散工藝質(zhì)量與檢測4.6.1結深的測量2.結深的測量測量方法主要有：磨角染色法，擴展電阻法，陽極氧化剝層法等磨角染色法磨角：放大pn結尺寸染色：Si能從CuSO4染色液中置換出Cu，且在Si表面上形成紅色Cu鍍層，而N-Si的電位低于P-Si的電位，因此會先在N型Si上有Cu析出，停止染色，這樣就把P-N結明顯的顯露出來。測量：在顯微鏡下測量結深4.6擴散工藝質(zhì)量與檢測4.6.2表面濃度的確定1.估算表面濃度恒定源擴散：Cs=Ns(T)限