集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理與工藝緒論緒論JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU緒論1.1集成電路制造技術(shù)主要內(nèi)容1.2IC制造技術(shù)的發(fā)展歷程1.3IC制造技術(shù)特點(diǎn)1.4半導(dǎo)體單晶硅的特性目錄CONTENTS一、集成電路制造技術(shù)就是介紹硅集成電路制造的工作、方法和技術(shù)。一、集成電路制造技術(shù)硅基集成電路芯片的生產(chǎn)過程一、集成電路制造技術(shù)n+npn+ebcnpn晶體管芯片的工藝流程由5個(gè)單項(xiàng)工藝：按照一定的順序排列而成。一、集成電路制造技術(shù)必須有隔離工藝有金屬布線互聯(lián)系統(tǒng)工藝是在分立器件工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的同一單項(xiàng)工藝基本相同，但是要求會(huì)更高與分立器件工藝最大不同：此外，集成電路工藝更復(fù)雜。集成電路芯片工藝與分立器件工藝的異同二、集成電路制造技術(shù)的發(fā)展歷程飛樂729老晶體管收音機(jī)晶體管計(jì)算機(jī)微電子產(chǎn)品的高速發(fā)展是以集成電路的進(jìn)步為基礎(chǔ)的二、集成電路制造技術(shù)的發(fā)展歷程2.1晶體管的誕生1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了半導(dǎo)體點(diǎn)接觸式晶體管二、集成電路制造技術(shù)的發(fā)展歷程合金法制作pn結(jié)N-GeN-Ge加熱后再降溫InP-GeIn二、集成電路制造技術(shù)的發(fā)展歷程2.2集成電路的誕生1958年德州儀器公司的J.kilby研制出第一個(gè)集成電路二、集成電路制造技術(shù)的發(fā)展歷程2.2集成電路的誕生仙童半導(dǎo)體公司的R.Noyce提出：用蒸發(fā)淀積金屬的代替焊接導(dǎo)線的方法，解決了集成電路元件相互連接的難題。1959年，德州儀器和仙童半導(dǎo)體公司分別申請(qǐng)了集成電路發(fā)明專利?；鶢柋缺蛔u(yù)為“第一塊集成電路的發(fā)明家”。諾依斯被譽(yù)為“提出了適合于工業(yè)生產(chǎn)的集成電路理論”的人。1969年法院確認(rèn)集成電路是一項(xiàng)同時(shí)的發(fā)明。二、集成電路制造技術(shù)的發(fā)展歷程硅平面工藝主要有氧化、光刻、擴(kuò)散摻雜、蒸鍍金屬四個(gè)基本單項(xiàng)工藝。1960年代初，出現(xiàn)了硅外延工藝；1970年代，離子注入工藝成為超大規(guī)模集成電路標(biāo)準(zhǔn)摻雜工藝；1980年代，新工藝，新技術(shù)，不斷出現(xiàn)，推動(dòng)微電子業(yè)高速發(fā)展；1987年成立的臺(tái)灣積體電路公司是全球第一個(gè)集成電路標(biāo)準(zhǔn)加工廠（Foundry）；1990年代之后IC制造高度專業(yè)化，形成設(shè)計(jì)、芯片制造、測(cè)試、封裝4個(gè)相對(duì)獨(dú)立行業(yè)；2000年銅多層互連工藝被普遍采用；二、集成電路制造技術(shù)的發(fā)展歷程2.3集成電路制造技術(shù)的高速發(fā)展N+-SiN--Si二、集成電路制造技術(shù)的發(fā)展歷程2.3集成電路制造技術(shù)的高速發(fā)展摩爾定律是由英特爾(Intel)創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(GordonMoore)提出來的。其內(nèi)容為:當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個(gè)月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。第一代電子產(chǎn)品--真空電子管二、集成電路制造技術(shù)的發(fā)展歷程2.4IC芯片制造技術(shù)的未來電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)：更小、更快、更冷。微電子工藝已進(jìn)入納米尺度，將面臨著重大轉(zhuǎn)折。第二代微電子產(chǎn)品--集成電路第三代納電子產(chǎn)品--單電子器件三、集成電路制造技術(shù)工藝基本要求3.1超凈環(huán)境三、集成電路制造技術(shù)工藝基本要求3.1超凈環(huán)境三、集成電路制造技術(shù)工藝基本要求3.1超凈環(huán)境三、集成電路制造技術(shù)工藝基本要求3.2超純材料SiGe三、集成電路制造技術(shù)工藝基本要求3.2超純材料我國電子級(jí)水質(zhì)技術(shù)分為五個(gè)等級(jí)：18MΩ.cm；15MΩ.cm；10MΩ.cm；2MΩ.cm；0.5MΩ.cm三、集成電路制造技術(shù)工藝基本要求3.3批量復(fù)制13001MOSIC三、集成電路制造技術(shù)工藝基本要求3.3批量復(fù)制集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理與工藝哈爾濱工業(yè)大學(xué)/田麗硅襯底制備JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU硅片制造第一章硅片制造JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU1.4硅晶體中的雜質(zhì)1.5切制硅片目錄CONTENTS1.1硅晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.2單晶硅襯底制備1.3硅晶體缺陷1.1單晶硅特性電學(xué)性質(zhì)（室溫）SiGeGaAs禁帶寬度（eV）1.120.671.43禁帶類型間接間接直接晶格電子遷移率（cm2/V·s）135039008600晶格空穴遷移率（cm2/V·s）4801900250本征載流子濃度（cm-3）1.45×10102.4×10189.0×106本征電阻率（Ω·cm）2.3×10547108硅與鍺、砷化鎵電學(xué)性質(zhì)比較硅作為最常用半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)原料充分；表面易氧化；重量輕，密度2.33g/cm3；熱學(xué)特性好，熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率高；1.1單晶硅特性1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性一個(gè)晶胞含多少個(gè)硅原子？8+4=8硅晶體的幾個(gè)結(jié)構(gòu)常數(shù)1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性αrSiα=5.43?

atoms/cm3空間利用率:硅原子密度為：硅晶體的幾個(gè)結(jié)構(gòu)常數(shù)1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性（100）[100][010][001][100],[010],[001](100)，(010)，(001)<100>:{100}:集成電路常采用（100）晶面的硅片來制造硅器件與電路的常用晶向與晶面1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性[111]（111）晶體管最常使用（111）晶面的硅片來制造硅器件與電路的常用晶向與晶面1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性硅器件與電路的常用晶向與晶面[110]（110）（110）晶面也是集成電路和器件常采用的晶面1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性常用晶向的原子分布[100]a[110][111][100][110][111]α1/a1.41/a1.15/a線密度1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性常用晶面的原子分布α2/a2α2.83/a22.3/a2面密度（100）（110）（111）α1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性雙層密排面[111]（111）ABCA’B’C’雙層密排面雙層密排面雙層密排面（111）面容易劈裂，稱為晶體的解理面1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性一、多晶硅制備石英砂冶煉SiO2+2C→Si（粗）+2CO↑粗硅主要含有：Fe、Al、C、B、P、Cu等雜質(zhì)1.2.1多晶硅制備1.2.2單晶硅生長1.2單晶硅襯底的制備半導(dǎo)體純度的多晶硅1.2.1多晶硅制備酸洗：化學(xué)提純精餾：物理提純Si+3HCl→SiHCl3+H2

還原：SiHCl3+H2→Si+3HCl1.2.2單晶硅的生長多晶硅→熔體硅→單晶硅直拉法（CZ法）磁控直拉法（MCZ法）有坩鍋懸浮區(qū)熔法（FZ法）無坩鍋TDR-A型單晶爐照片1.2.2.1直拉法1.2.2單晶硅的生長放肩Shoulder等徑Body引晶Neck工藝流程：準(zhǔn)備→開爐→生長→停爐生長：引晶→縮頸→放肩→等徑生長→收尾控制生長速率、直徑的主要因素：提拉器的升速與轉(zhuǎn)速坩堝內(nèi)熔體溫度1.2.2.1直拉法1.2.2單晶硅的生長籽晶的作用：樣本晶核縮頸的作用：終止籽晶中的位錯(cuò)、表面劃痕向晶錠延伸避免籽晶與熔體結(jié)合處的缺陷向晶錠延伸1.2.2.1直拉法1.2.2單晶硅的生長1.2.2.1單晶生長機(jī)理1.結(jié)晶的熱力學(xué)條件熔體→單晶體ΔG<0ΔG=Gs-GL

過冷是結(jié)晶的必要條件+γA<01.2.2單晶硅的生長1.2.2單晶硅的生長1.2.2.1單晶生長機(jī)理2.結(jié)晶動(dòng)力學(xué)忽略對(duì)流和輻射在界面處單位體積內(nèi)的熱流平衡方程為：T≈0直拉法有最大提拉速率L=340cal/g10℃/cmρ=2.33g/cm3ks=1.5W/cm·℃爐絲最大拉升速率并不等于計(jì)算值拉升速率對(duì)晶體質(zhì)量的影響：速率過快：缺陷增多，甚至結(jié)晶不是單晶速率過慢：界面附近晶體缺陷會(huì)結(jié)團(tuán)實(shí)際拉升速率必須考慮質(zhì)量和效率兩方面因素1.2.2單晶硅的生長1.2.2.1單晶生長機(jī)理MCZ-3000型單晶爐1.2.2.2磁控直拉法（MCZ）MCZ法工藝與CZ法的基本相同1.2.2單晶硅的生長洛侖茲力:f=qν×HOOOO附面層1.2.2.2磁控直拉法（MCZ）1.2.2單晶硅的生長HMCZ2）橫向磁場(chǎng)3）尖角形磁場(chǎng)VMCZ1）縱向磁場(chǎng)vv1.2.2.2磁控直拉法（MCZ）1.2.2單晶硅的生長JN-FZ-3A型高真空懸浮區(qū)熔單晶爐二、單晶硅的生長1.2.2.3懸浮區(qū)熔法（FZ）1.2.2單晶硅的生長硅熔區(qū)的表面張力與重力保持平衡籽晶與多晶硅的熔接是區(qū)熔法拉單晶的關(guān)鍵摻雜，采取在多晶錠中預(yù)埋含雜質(zhì)元素的硅合金芯體沒有坩堝的污染，能生長無氧、高純度的單晶硅錠難以拉制大直徑的硅錠。1.2.2.3懸浮區(qū)熔法（FZ）1.2.2單晶硅的生長三種方法比較及發(fā)展趨勢(shì)CZ法工藝成熟，晶錠直徑大，但有氧。MCZ法相對(duì)于CZ法，無氧、質(zhì)量好，但設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)成本大幅提高。FZ法相對(duì)于CZ，無氧、純度更高、單晶質(zhì)量好。但能拉制的晶錠直徑小。上述三種方法都朝著增大直徑，提高質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本方向發(fā)展。1.2.2單晶硅的生長1.3.1硅晶體中的缺陷與雜質(zhì)實(shí)際硅晶體中的缺陷與雜質(zhì)零維點(diǎn)缺陷一維線缺陷二維面缺陷和三維-體缺陷雜質(zhì)本質(zhì)上也是晶體中的缺陷1.3硅晶體缺陷1.點(diǎn)缺陷硅晶體點(diǎn)缺陷有三種：自填（間）隙原子雜質(zhì):空位替位雜質(zhì)填（間）隙雜質(zhì)1.3硅晶體缺陷1.點(diǎn)缺陷空位和自填隙原子對(duì)稱為弗倫克爾（Frenkel）缺陷空位稱為肖特基（schottky）缺陷空位的平衡濃度比自填隙平衡濃度高得多1.3硅晶體缺陷1.點(diǎn)缺陷空位有：A，A-、A2-…A4-，A+…A4+帶電子或失電子空位的平衡濃度也可以計(jì)算得出：1.3硅晶體缺陷1.點(diǎn)缺陷替位雜質(zhì)主要是Ⅲ、Ⅴ族原子：硼、磷、砷，銻等。有電活性。摻磷摻硼空穴自由電子1.3硅晶體缺陷1.點(diǎn)缺陷填隙雜質(zhì)如C、Na、H、K、Li等。無電活性。填隙—替位雜質(zhì)如O、Au、Fe、Cu等位于間隙位置的無電活性，位于替位位置的具有電活性。1.3硅晶體缺陷混合位錯(cuò)螺位錯(cuò)刃位錯(cuò)螺位錯(cuò)2.線缺陷位錯(cuò)刃位錯(cuò)：位錯(cuò)線與滑移矢量垂直螺位錯(cuò)：位錯(cuò)線與滑移矢量平行bEFbbEF┴1.3硅晶體缺陷2.線缺陷⊥⊥∥∥⊥⊥刃位錯(cuò)的滑移螺位錯(cuò)的滑移刃位錯(cuò)的攀移滑移消失1.3硅晶體缺陷2.線缺陷滑移面硅晶體的（111）面是滑移面滑移面滑移面滑移面1.3硅晶體缺陷3.面缺陷和體缺陷AAAAAAABBBCCC層錯(cuò)面ACBACBA[111]堆垛層錯(cuò)(stackingfault)，簡(jiǎn)稱層錯(cuò)。1.3硅晶體缺陷3.面缺陷和體缺陷結(jié)團(tuán)現(xiàn)象：指晶體中的低維缺陷濃度高時(shí)將傾向于集聚，形成更高維缺陷，從而釋放能量的現(xiàn)象。體缺陷：雜質(zhì)結(jié)團(tuán)，空隙1.3硅晶體缺陷1.4.1晶體摻雜摻雜濃度分類輕摻雜，可記為n--Si、p--Si中等摻雜，可記為n-Si、硅錠摻雜方法液相摻雜氣相摻雜摻雜，可記為n+-Sip+-Si中子輻照摻雜，又稱中子嬗變摻雜(NeutronTransmutationDoping,NTD)1.4硅晶體中的雜質(zhì)1.4.2.1液相摻雜將雜質(zhì)放入坩鍋的多晶中，由熔體摻入硅錠：直接摻雜母合金摻雜例題，生長電阻率為1Ω·cm的n-Si，多晶硅重量為50kg，雜質(zhì)為磷，需摻多少磷？若先制備1:10的磷硅合金？需摻多少合金？若稱量誤差為±1mg？分別計(jì)算誤差百分比？磷的原子量是30.97；原子量單位為1.661×10-21mg：Wp=1.661×10-21×30.97×1.287×1020≈6.62mgWSiP=6.62×10≈66.2mg誤差：1/WP=±15%誤差：1/WSiP=±1.5%CP=6×1015atoms/cm31.4硅晶體中的雜質(zhì)分凝現(xiàn)象雜質(zhì)在不同相中的溶解度不同的現(xiàn)象分凝系數(shù)k：k=Cg/Cl蒸發(fā)現(xiàn)象熔體中的雜質(zhì)從表面進(jìn)入到氣相中的現(xiàn)象蒸發(fā)常數(shù)E：N=EACl硅中常見雜質(zhì)的分凝系數(shù)和蒸發(fā)常數(shù)參數(shù)BPAsSb分凝系數(shù)0.800.350.270.02蒸發(fā)常數(shù)5×10-610-45×10-37×10-21.4.2.1液相摻雜1.4硅晶體中的雜質(zhì)影響硅錠摻雜濃度的主要因素坩鍋污染：SiO2→Si+O2雜質(zhì)分凝：晶錠雜質(zhì)濃度軸向呈由低到高分布其它因素：雜質(zhì)的蒸發(fā)、真空度、工藝衛(wèi)生等nOρ1.4.2.1液相摻雜1.4硅晶體中的雜質(zhì)懸浮區(qū)熔法1.4.2.2.氣相摻雜PH3PH3PH3PPP在單晶爐內(nèi)通入的惰性氣體中加入一定量的含摻雜元素的氣體，如，PH3、B2H6，在雜質(zhì)氣氛下，P、B等溶入熔體，然后摻入單晶體內(nèi)。雜質(zhì)的蒸發(fā)常數(shù)應(yīng)小難以制備輕摻雜硅錠。1.4硅晶體中的雜質(zhì)1.4.2.3中子輻照摻雜硅有三種同位素：28Si：92.28%,29Si：4.67%,30Si：3.05%.硅錠放在核反應(yīng)堆中進(jìn)行中子輻照30Si有中子嬗變現(xiàn)象：

30Si→31Si+γ

31Si→31P+e中子Nmax=5×1022×3.05%=1.53*1021atoms/cm3中子輻照會(huì)產(chǎn)生缺陷需要高溫?zé)崽幚砣コ?.4硅晶體中的雜質(zhì)硅晶體中各種雜質(zhì)的固溶度曲線1.4.3固溶度與相圖固溶體：在一種晶體內(nèi)摻入雜質(zhì)，達(dá)到一定濃度之前，這種晶體仍保持原結(jié)構(gòu)，雜質(zhì)不會(huì)結(jié)團(tuán)或沉積，這樣的晶體稱為固溶體。固溶度：一定溫度，雜質(zhì)B在晶體A中具有的最大平衡濃度。1.4硅晶體中的雜質(zhì)1.4.3固溶度與相圖相圖：用來討論混合物體系性質(zhì)的一種圖示方法鋁-硅體系相圖共晶點(diǎn)577℃共晶點(diǎn)時(shí)鋁中硅原子的原子濃度為1.59%1.4硅晶體中的雜質(zhì)鍺硅相圖1.4硅晶體中的雜質(zhì)1.4.3固溶度與相圖1.5硅片的加工1.工藝流程腐蝕液：HF:HNO3=3:11.5硅片的加工硅片主要晶向、晶型的定位平邊主平邊次平邊1.5硅片的加工2.硅片規(guī)格及用途按直徑劃分：主要規(guī)格3~18英寸（75~450mm），IC集成度越高使用的硅片尺寸就越大按拋光面劃分：?jiǎn)螔伓嘤糜贗C、雙拋用于兩面都有器件的芯片按單晶生長方法劃分：CZ硅（片），二極管、外延襯底、太陽能電池、IC；MCZ硅（片），用途和CZ硅相似，性能好于CZ硅；FZ硅（片），高壓大功率器件，可控整流器件。1.5硅片的加工2.硅片規(guī)格及用途按摻雜等情況劃分：如電阻率或雜質(zhì)濃度、晶向、雜質(zhì)類型等高阻硅（片）：多用于大功率整流器件中阻硅（片）：主要用于晶體管等分立器件低阻硅（片）：主要是作為外延襯底按按用途劃分：有二極管級(jí)硅片，集成電路級(jí)硅片，太陽電池級(jí)硅片等集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理與工藝哈爾濱工業(yè)大學(xué)/田麗外延第二章外延JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU2.1概述目錄CONTENTS2.2氣相外延2.3分子束外延2.4其它外延2.5外延層缺陷及檢測(cè)一、概述1.1什么是外延“外延”一詞來自于希臘文Epitaxy，是指“在……上排列”外延工藝，指在晶體上用化學(xué)或物理方法規(guī)則地再排列所需晶體材料。外延層與襯底晶向相同，但摻雜類型、電阻率、材料可以不同。襯底外延層GaAs/Si如n-/n+-Si，n/p-Si，1.2外延工藝種類按工藝方法劃分：氣相外延（VPE)液相外延(LPE)固相外延(SPE)分子束外延（MBE)按材料劃分：同質(zhì)外延，又稱為均勻外延異質(zhì)外延，又稱為非均勻外延異質(zhì)外延外延層與襯底的相容性：兩者在外延溫度不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、不互溶；兩者熱力學(xué)匹配；12兩者晶格匹配。3失配率：一、概述按溫度劃分：高溫外延(1000℃以上)；低溫外延(1000℃以下)；變溫外延，先低溫下成核，再高溫下生長外延層按電阻率劃分：正外延，低阻襯底上外延高阻層；反外延，高阻襯底上外延低阻層按外延層劃分:普通外延，選擇外延，多層外延其它劃分方法：按結(jié)構(gòu)劃分；按外延層厚度劃分等N-SiSiO2P-Si一、概述1.3外延的用途外延雙極型晶體管高的集電結(jié)擊穿電壓低的集電極串聯(lián)電阻雙極型電路的pn結(jié)隔離利用外延技術(shù)的pn結(jié)隔離是早期雙極型集成電路常采用的電隔離方法。P-Si襯底n+埋層n-Si外延層p+隔離墻SiO2隔離島一、概述1.4外延工藝用途P阱n阱CMOS電路避免了閂鎖效應(yīng)；避免了硅層中SiOx的沉積；硅表面更光滑，損傷最小。微波器件SOS／CMOS電路一、概述二、氣相外延氣相外延(vaporphaseepitaxy，VPE)，指含外延層材料的物質(zhì)，以氣相形式輸運(yùn)至襯底，在高溫下分解或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在單晶襯底上生長出與襯底取向一致的單晶外延層。氣相外延示意圖二、氣相外延2.1硅的氣相外延工藝SiCl4(記為sil.tet)SiHCl3(記為TCS)SiH2Cl2(記為DCS)SiH4Si2H6JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU+H2→Si+HCl→Si+H2常用硅源反應(yīng)器二、氣相外延硅氣相外延工藝流程以SiCl4外延制備n-/n+-Si為例：基座去硅工藝流程：準(zhǔn)備硅片基座去硅外延生長N2預(yù)沖洗H2預(yù)沖洗升溫至850℃升溫至1170℃HCl排空HCl腐蝕H2沖洗降溫N2沖洗二、氣相外延外延生長工藝流程N(yùn)2預(yù)沖洗H2預(yù)沖洗升溫至850℃升溫至1170℃HCl排空HCl拋光H2沖洗降溫N2沖洗H2沖洗附面層外延生長（通入反應(yīng)劑及摻雜劑）二、氣相外延外延氣體SiCl4：熔點(diǎn)，-70℃、沸點(diǎn)，57.6℃，

常溫下是液態(tài)反應(yīng)器內(nèi)主要化學(xué)反應(yīng)為：SiCl4+H2?SiHCl3+HClSiCl4+H2?SiCl2+2HClSiHCl3+H2?SiH2Cl2+HClSiHCl3?SiCl2+HClSiH2Cl2?SiCl2+H2

SiCl2+H2?Si+2HCl2SiCl2?Si+SiCl4H2源瓶H2(SiCl4)二、氣相外延摻雜氣體摻雜劑一般選用含摻雜元素的氣態(tài)化合物，如PH3、B2H6、AsH3等摻雜劑需要用氫稀釋十~五十倍，以減小摻雜氣體的流量誤差本例摻雜劑為PH3，用H2稀釋反應(yīng)式為：2PH3（H2）→2P+5H2↑二、氣相外延2.2外延原理以硅烷為源進(jìn)行外延SiH4氣體被通入反應(yīng)器,氣相輸運(yùn)到達(dá)硅襯底，射頻加熱器直接給基座加熱，基座上的襯底溫度高，硅烷就在襯底表面分解出硅，硅原子規(guī)則排列為外延層將外延過程分解為氣相質(zhì)量傳遞和表面外延兩個(gè)過程來具體分析。二、氣相外延1.氣相質(zhì)量傳遞過程依據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理分析反應(yīng)器內(nèi)氣流特點(diǎn)：分子自由程：<<D反應(yīng)器內(nèi)是粘滯性氣體控制氣流為層流：<臨界值氣流為泊松流，流速是拋物線型，基座表面流速為零二、氣相外延1.氣相質(zhì)量傳遞過程邊界層指基座表面垂直于氣流方向上，外延劑濃度、氣流速度、溫度受到擾動(dòng)的薄氣體層反應(yīng)劑SiH4擴(kuò)散穿越邊界層擴(kuò)散流密度為：α=3~10°δ穩(wěn)定二、氣相外延2.表面外延過程表面外延過程實(shí)質(zhì)上包含了四個(gè)步驟：外延劑被襯底吸附，在襯底反應(yīng)、分解出Si：SiH4→Si+H2硅在襯底表面遷移，氣相生成物解吸離開結(jié)點(diǎn)位置二、氣相外延2.表面外延過程外延生長是橫向進(jìn)行的，在襯底臺(tái)階的結(jié)點(diǎn)位置發(fā)生。外延用硅，在由晶錠切制硅片時(shí)，為了得到更多結(jié)點(diǎn)位置，應(yīng)偏離準(zhǔn)確晶面一個(gè)小角度，如（111）晶面約偏離3°襯底溫度高，可以確保外延劑被吸附，化學(xué)反應(yīng)在表面進(jìn)行，而且即利于生成的硅遷移、排列，成為與襯底晶向一致的外延層，又利于氣相生成物的解吸離開。二、氣相外延2.3外延速率的影響因素外延溫度硅源種類外延劑濃度其它因素二、氣相外延1.溫度對(duì)外延速率的影響氣相質(zhì)量傳遞過程由擴(kuò)散決定：擴(kuò)散是溫度的緩變函數(shù)實(shí)際上氣相擴(kuò)散在較低溫度就能實(shí)現(xiàn)。表面外延過程由吸附、反應(yīng)、遷移、解吸構(gòu)成，由化學(xué)反應(yīng)決定：化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)激活過程，溫度升高反應(yīng)速率呈指數(shù)增快。二、氣相外延1.溫度對(duì)外延速率的影響表面外延控制區(qū)質(zhì)量傳遞控制區(qū)溫度對(duì)外延速率影響大：低溫時(shí)，外延速率主要受表面外延過程控制；高溫時(shí)，外延速率主要受質(zhì)量傳遞過程控制。外延工藝將溫度控制在高溫區(qū)，目的是降低溫度波動(dòng)對(duì)生長速率的影響。二、氣相外延2.硅源對(duì)外延速率的影響含氯體系Si2H6無氯體系TVVSiCl4≈0.17μm/minVSiH4≈0.5μm/min二、氣相外延3.外延劑濃度對(duì)外延速率的影響SiCl4+H2?Si+HCl0.28外延劑濃度對(duì)外延速率影響也很大：在外延氣體中硅源濃度應(yīng)在某一范圍之內(nèi)變化，硅源濃度超出臨界范圍，可能生成多晶硅，甚至出現(xiàn)硅襯底被腐蝕現(xiàn)象。二、氣相外延4.其它影響外延速率的因素[110][111]反應(yīng)器形狀、尺寸襯底晶向：V(110)>V(111)外延氣體流速、流量二、氣相外延2.4外延摻雜采用原位氣相摻雜。常用摻雜劑：PH3、B2H6、AsH3等。雜質(zhì)摻入外延層濃度依賴于：外延氣流中摻雜劑分壓，外延溫度、速率，反應(yīng)器幾何形狀，摻雜劑自身特性。外延工藝過程中有雜質(zhì)再分布現(xiàn)象。摻雜劑分壓為0.1Pa二、氣相外延1.自摻雜效應(yīng)自摻雜效應(yīng)是氣相外延過程中，摻雜襯底中的雜質(zhì)反擴(kuò)散進(jìn)入氣相邊界層，又從邊界層擴(kuò)散摻入外延層的現(xiàn)象。自摻雜是氣相外延的本征效應(yīng)，不可能完全避免。二、氣相外延1.自摻雜效應(yīng)假設(shè)1：生長外延層時(shí)，外延氣體中無雜質(zhì)，雜質(zhì)來源于自摻雜效應(yīng)外延層雜質(zhì)濃度為：假設(shè)2：襯底雜質(zhì)沒有逸出外延層雜質(zhì)濃度為：自摻雜后，外延層雜質(zhì)濃度為：二、氣相外延2.互擴(kuò)散效應(yīng)襯底與外延層中的雜質(zhì)，在外延過程中相互擴(kuò)散，引起外延界面附近雜質(zhì)濃度緩慢變化的現(xiàn)象。在高溫外延時(shí)，會(huì)引起外延界面附近雜質(zhì)濃度的再分布。二、氣相外延2.互擴(kuò)散效應(yīng)外延速率遠(yuǎn)大于雜質(zhì)擴(kuò)散速率，襯底中的雜質(zhì)向外延層擴(kuò)散，或者外延層中雜質(zhì)向襯底擴(kuò)散，都如同雜質(zhì)在半無限大固體中的擴(kuò)散。依據(jù)擴(kuò)散方程，互擴(kuò)散后，雜質(zhì)濃度分布為：二、氣相外延3.雜質(zhì)再分布及其降低措施nn+n-降低工藝溫度，使用SiH4、SiH2Cl2，研究新型低溫硅源N襯底外延前埋層摻雜，使用蒸汽壓、擴(kuò)散系數(shù)都低的雜質(zhì)，如銻重?fù)诫s襯底，先用輕摻雜硅薄層密封其底面和側(cè)面，減少雜質(zhì)外逸。低壓外延，可以抑制自摻雜效應(yīng)。二、氣相外延2.5外延設(shè)備與技術(shù)東芝EGV-28/30GX臥式反應(yīng)器基座控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)二、氣相外延1.低壓外延指反應(yīng)器內(nèi)壓力控制在1~20kPa的VPE可以減小自摻雜效應(yīng)；縮小了過渡區(qū)可用于多層外延；外延溫度的下限有所降低；對(duì)設(shè)備要求提高了，必須防止泄漏；工藝溫度降低，生長的外延層晶格完好性受到一定影響。優(yōu)缺點(diǎn)：二、氣相外延2.選擇外延(SEG)SiO2SiSiSiO2需要氧化物表面具有高清潔度，外延氣體中應(yīng)含有一定劑量的氯原子，氯能提高硅的活性，抑制硅在氣相和氧化層表面的成核。調(diào)節(jié)外延氣體中Si／Cl的原子比，可以從非選擇外延向選擇外延或者襯底腐蝕方向變化。二、氣相外延3.SOI技術(shù)SOI(SilicononInsulator)是指在絕緣層上外延硅得到異質(zhì)外延材料的技術(shù)。寄生電容?。凰俣瓤?；抗幅射能力強(qiáng)；能抑制CMOS電路的閂鎖效應(yīng)。SOI應(yīng)用在集成電路上的優(yōu)勢(shì)：二、氣相外延3.SOI技術(shù)SOS是SOI材料中的一種，是在藍(lán)寶石（或尖晶石）襯底上外延硅。fSi/α-Al2O3≈14%VPE的SOS材料是應(yīng)力釋放型硅在氧化層上異質(zhì)外延的SOI材料SiSiSiO2Si三、分子束外延分子束外延（molecularbeamepitaxy,MBE）是一種物理汽相外延工藝在超高真空度下，熱分子束由噴射爐噴出，射到潔凈的單晶襯底表面，生長出外延層。用于外延層薄、雜質(zhì)分布復(fù)雜的多層外延。三、分子束外延3.1工藝與原理硅MBE工藝流程：準(zhǔn)備抽真空原位清洗外延生長停機(jī)準(zhǔn)備：RCA清洗、腐蝕、裝片原位清洗：惰性氣體離子束轟擊硅片表面，露出新鮮硅，升溫至800~900℃退火數(shù)分鐘，再降至650℃抽真空：外延室基壓在約10-8Pa三、分子束外延3.1工藝與原理外延生長：開噴射爐，控制工作壓力10-4Pa，到達(dá)襯底原子被物理吸附→遷移至結(jié)點(diǎn)→化學(xué)吸附→被覆蓋，生長速率約0.1μm/min摻雜：選黏附系數(shù)大、停留時(shí)間長的雜質(zhì)，如Sb、Ga、Al黏附系數(shù)：化學(xué)吸附原子數(shù)與入射原子數(shù)的比值停機(jī)三、分子束外延3.2外延設(shè)備生長室噴射爐監(jiān)控系統(tǒng)襯底裝填系統(tǒng)外延設(shè)備組成：真空系統(tǒng)控制系統(tǒng)三、分子束外延3.3MBE特點(diǎn)超高真空度外延過程污染少，外延層潔凈；溫度低無雜質(zhì)的再分布現(xiàn)象；外延過程可控性強(qiáng)能生長極薄外延層，厚度可薄至?量級(jí)；多個(gè)噴射爐可以同時(shí)或順序工作適合生長多層、雜質(zhì)分布復(fù)雜的外延層；全程監(jiān)控外延層質(zhì)量高，適合用于新材料外延機(jī)理研究。設(shè)備復(fù)雜、生產(chǎn)費(fèi)用高，是單片工藝生產(chǎn)效率低。四、其它外延方法4.1液相外延(LPE)LPE是利用溶液的飽和溶解度隨溫度而變化，降溫使溶液過飽和，溶質(zhì)結(jié)晶析出在襯底上的外延方法。硅的LPE：將硅溶入錫中，在949℃時(shí)溶液飽和，降溫度0-30℃時(shí)，溶液過飽和，硅析出在襯底硅上生長出外延層。硅外延常用低熔點(diǎn)金屬作為溶劑，如錫、鉍、鉛及其合金等。四、其它外延方法4.1液相外延水平滑動(dòng)法和垂直浸入法方法：與VPE和MBE比較：外延速率快，工藝溫度低，安全性高，12雜質(zhì)再分布現(xiàn)象弱。外延表面形貌一般。34在制備厚的硅外延層時(shí)被采用應(yīng)用：四、其它外延方法4.2固相外延（SPE）是將晶體襯底上的非晶或多晶薄膜（或者區(qū)域），在高溫下退火，使其轉(zhuǎn)化為單晶層的外延。離子注入摻雜工藝中，損傷造成的非晶區(qū)和非晶層，必須要經(jīng)過退火晶化，其實(shí)就是固相外延。SPE工藝的關(guān)鍵是溫度和保溫時(shí)間。四、其它外延方法4.3先進(jìn)外延技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)在原有工藝基礎(chǔ)上的改進(jìn)、完善、提高：VPE工藝溫度的不斷降低；MBE原位監(jiān)控裝置的更加完備；SPE出現(xiàn)的快速退火工藝等。多種技術(shù)組合形成了先進(jìn)的外延工藝：超高真空化學(xué)汽相淀積；金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相外延；化學(xué)束外延。四、其它外延方法1.超高真空化學(xué)汽相淀積（UHV/CVD）化學(xué)汽相淀積(chemicalvaporDeposition,CVD)是以氣相方式輸運(yùn)含源物質(zhì)，使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，固相生成物淀積在襯底上形成薄膜的工藝技術(shù)。超高真空CVD：生長室真空度約10-7Pa，以SiH4為源，在600~750℃之間，可以在硅單晶襯底上生長出硅單晶外延層。特點(diǎn)：工藝溫度低，能生長雜質(zhì)陡變分布的薄外延層；真空度高，減少了殘余氣體帶來的污染；設(shè)備操作維護(hù)比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。四、其它外延方法2.金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相外延金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相外延（Metalorganic

chemical

vapor

deposition，MOCVD）是在VPE基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機(jī)化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物作為晶體生長源材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長各種Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體外延層。四、其它外延方法2.金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相外延例：GaAs/Si的MOCVD兩歩工藝

Ga(CH3)3+AsH3→GaAs+3CH4↑As氣氛中，約900℃預(yù)處理一步生長：410-450℃是生長厚約250?的非晶GaAs過渡層T/℃t/min一步二步預(yù)處理GaAs/Si外延工藝二步生長：700℃在此期間一步生長的非晶過渡層也轉(zhuǎn)化為單晶四、其它外延方法3.化學(xué)束外延化學(xué)束外延（CBE），是綜合MBE的超高真空下束流外延可以原位監(jiān)測(cè)，以及MOCVD氣態(tài)源的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展起來的先進(jìn)外延技術(shù)。與CBE相關(guān)的還有氣態(tài)源分子束外延(GSMBE)和金屬有機(jī)化合物分子束外延(MOMBE)。霧圈白霧角錐體劃痕殘跡五、外延層缺陷及檢測(cè)5.1外延缺陷類型及分析表面缺陷：云霧狀表面角錐體表面突起劃痕星狀體麻坑等(111)Si的三種典型層錯(cuò)星形線（滑移線）五、外延層缺陷及檢測(cè)5.1外延缺陷類型及分析體內(nèi)缺陷：位錯(cuò)層錯(cuò)（堆積層錯(cuò)）外延層襯底線位錯(cuò)層錯(cuò)外延層晶格完整性用缺陷密度來衡量五、外延層缺陷及檢測(cè)5.2圖形漂移和畸變現(xiàn)象硅晶體襯底的各向異性是出現(xiàn)漂移和畸變的主要原因。外延溫度升高，漂移、畸變現(xiàn)象減弱；外延生長速率增加，漂移、畸變現(xiàn)象加強(qiáng)；外延氣壓下降，漂移、畸變現(xiàn)象減弱；襯底晶向，(100)Si的漂移、畸變最小，(111)硅取2~5o偏差時(shí)，漂移、畸變的影響最小。五、外延層缺陷及檢測(cè)5.3外延層參數(shù)測(cè)量紅外反射法層錯(cuò)法磨角法外延層厚度及其均勻性測(cè)量四探針法擴(kuò)展電阻法電容法電阻率及其分布測(cè)量五、外延層缺陷及檢測(cè)層錯(cuò)法測(cè)外延層厚度（111）Si外延后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)腐蝕，層錯(cuò)在表面可以呈現(xiàn)正三角形。利用層錯(cuò)邊長與外延層厚度的幾何關(guān)系換算出外延層厚度注意事項(xiàng)：要選擇大的，靠近外延層中間的圖形。計(jì)算厚度時(shí)，應(yīng)考慮腐蝕對(duì)厚度的影響。Tll襯底外延層[110]（111）硅層錯(cuò)形狀集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理與工藝哈爾濱工業(yè)大學(xué)/田麗氧化與摻雜JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU熱氧化第三章熱氧化JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU3.1二氧化硅薄膜概述3.2硅的熱氧化3.3初始氧化階段及薄氧化層制備3.4熱氧化過程中雜質(zhì)再分布3.5氧化層的質(zhì)量及檢測(cè)3.6熱氧化技術(shù)及其工藝展望目錄CONTENTS一、二氧化硅薄膜概述1.1二氧化硅結(jié)構(gòu)橋聯(lián)氧非橋聯(lián)氧非晶SiO2石英一、二氧化硅薄膜概述1.1二氧化硅結(jié)構(gòu)SiSiO2硅表面熱氧化層TEM照片一、二氧化硅薄膜概述1.2二氧化硅的性質(zhì)及用途性質(zhì)石英晶體非晶SiO2薄膜注密度(g/cm3)2.22~2.2致密程度的標(biāo)志。密度大表示致密程度高熔點(diǎn)(℃)1732≈1500軟化軟化點(diǎn)與致密度、摻雜有關(guān)電阻率(Ω?cm)1016107~1015工藝溫度越高電阻率越大介電常數(shù)3.9≈3.9介電強(qiáng)度(V/μm)1000100~1000與致密度折射率1.33~1.37腐蝕性與HF酸、強(qiáng)堿反應(yīng)緩慢與致密度、摻雜有關(guān)1.二氧化硅主要性質(zhì)一、二氧化硅薄膜概述1.2二氧化硅的性質(zhì)及用途2.二氧化硅薄膜的用途SiO2摻雜掩蔽膜芯片的鈍化與保護(hù)膜電隔離膜元器件的組成部分一、二氧化硅薄膜概述1.3二氧化硅薄膜中的雜質(zhì)Na2O+≡Si-O-Si≡→2Na++≡Si-O-+O--Si≡H2O+≡Si-O-Si≡→≡Si-OH+HO-Si≡P2O5+≡Si-O-Si≡→≡P+-O-P+≡+2O--Si≡磷硅玻璃（PSG）一、二氧化硅薄膜概述1.4雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散指單位濃度的雜質(zhì)，在單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散通過單位面積的量。它的單位是m2/s。鈉離子等堿金屬離子，即使在很低溫度下，也能迅速擴(kuò)散到整個(gè)SiO2層中。一、二氧化硅薄膜概述1.5SiO2的掩蔽作用硅表面的氧化層作為掩膜時(shí)：掩蔽條件:DSi>>DSiO2氧化層的最小厚度：XjXSiO2CsCI二、硅的熱氧化2.1熱氧化工藝氧化示意圖臥式氧化爐立式氧化爐二、硅的熱氧化2.1熱氧化工藝1.三種熱氧化工藝方法干氧氧化：Si+O2→SiO2氧化層結(jié)構(gòu)致密，掩蔽能力強(qiáng)，表面干燥是Si-O結(jié)構(gòu)，適合光刻；但是，生長速率慢，不適合生長厚氧化層。濕氧氧化：Si+H2O(O2)→SiO2+H2O水汽氧化：Si+(H2+O2)→SiO2+H2氧化層結(jié)構(gòu)致密，掩蔽能力強(qiáng)，表面干燥是Si-O結(jié)構(gòu)，適合光刻；但是，生長速率慢，不適合生長厚氧化層。氧化層的生長速率和質(zhì)量介于干氧和水汽兩種方式之間。三種熱氧化方法的比較二、硅的熱氧化氧化方式氧化溫度（℃）生長速率常數(shù)（

m2/min）生長0.5μmSiO2所需時(shí)間（min）SiO2的密度（g/mm）介電強(qiáng)度(106V/cm)注干氧10001.48×10-418002.27912006.2×10-43602.15濕氧100038.5×10-4632.21水浴溫度95℃1200117.5×10-4222.12水汽100043.5×10-4582.086.8~9水汽發(fā)生器水溫102℃1200133×10-4182.05二、硅的熱氧化2.1熱氧化工藝2.工藝的應(yīng)用掩膜氧化（厚氧化層）干氧-濕氧-干氧薄層氧化（MOS柵氧化層）干氧摻氯氧化SiSiO2二、硅的熱氧化3.工藝舉例制備約0.6μm氧化層作為擴(kuò)散摻雜掩膜工藝條件：3吋硅片，干氧10min-濕氧50min（水溫98℃）-干氧15min，溫度：1180℃，氧氣流量：1L/min。工藝流程：洗片→升溫→生長→取片洗片：濕法清洗干凈、烘干備用。升溫：設(shè)定氧化爐的工藝條件，硅片裝爐，開機(jī)升溫。生長：設(shè)定氧化爐自動(dòng)進(jìn)行干氧濕氧切換，完成氧化層生長。取片：將氧化好的硅片取出，停氣、停爐。二、硅的熱氧化2.2熱氧化機(jī)理硅常溫下暴露在空氣中的表面：Si+O2→SiO2Si+H2O(O2)→SiO2+H2O表面的氧化膜逐漸增厚到40?左右就停止了高溫下，氧化膜繼續(xù)增厚二、硅的熱氧化2.2熱氧化機(jī)理SiSiSiO2氧化dSidSiO2生長1μm厚二氧化硅約消耗0.44μm厚的硅Si橋聯(lián)O非橋聯(lián)O二、硅的熱氧化2.3Deal－Grove熱氧化模型SiSiO2附面層O2或H2O氣流方向氧化劑輸運(yùn)固相擴(kuò)散D-G模型將熱氧化簡(jiǎn)化為：12化學(xué)反應(yīng)3反應(yīng)副產(chǎn)物離開界面4二、硅的熱氧化一維D-G數(shù)學(xué)模型pgp0F1F2F3SiO2Si0xCgCsCoCi主流氣體粘滯層O2(H2O)

x0氧化劑輸運(yùn)1固相擴(kuò)散2化學(xué)反應(yīng)3熱氧化是在氧氣氛下進(jìn)行，氧氣流密度不變，即準(zhǔn)平衡態(tài)穩(wěn)定生長：F1=F2=F3二、硅的熱氧化求解:c0、cipgp0F1F2F3SiO2Si0xCoCi主流氣體粘滯層O2(H2O)

x0借助亨利定律：由主氣流區(qū)氧氣分壓Pg，同理可得氧化層中氧氣的平衡濃度C*：--氣相質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)由F1=F2=F3可得：二、硅的熱氧化2.4熱氧化生長速率生長一個(gè)SiO2，需要一個(gè)O2水汽氧化：Si+2H2O→SiO2+2H2由：Si+O2→SiO2

生長一個(gè)SiO2，需要二個(gè)H2O分子，N1=NSiO2=2.2×1022

分子/cm-3N1=2NSiO2二、硅的熱氧化2.4熱氧化生長速率氧化時(shí)間很短（t→0），--氧化速率方程--線性規(guī)律--為線性速率常數(shù)氧化時(shí)間很長（t→∞），--拋物線規(guī)律B--為拋物線速率常數(shù)ks→0SiO2SiC0CxD

→0Ci擴(kuò)散控制化學(xué)反應(yīng)控制12二、硅的熱氧化實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值的對(duì)比線性氧化速率：拋物線氧化速率：12氧化速率方程：在兩種極限情況下：氧化時(shí)間很短長或時(shí)間很長時(shí)，實(shí)測(cè)值和計(jì)算值吻合。二、硅的熱氧化2.5影響氧化速率的各種因素氧化劑種類、溫度、氧化劑分壓、襯底晶向與摻雜濃度等因素都對(duì)氧化速率有影響。1.氧化劑種類對(duì)氧化速率的影響氧化速率比較：O2<O2(H2O)<H2OO2、H2O在氧化層中的擴(kuò)散和與硅的反應(yīng)均較快，而且O2略快于H2O。溶解度相差很大：c*O2<<c*H2O二、硅的熱氧化2.溫度對(duì)氧化速率的影響ks、DSiO2、h等都與溫度有關(guān)溫度對(duì)氧化速率的影響很大二、硅的熱氧化3.氧化劑分壓對(duì)氧化速率的影響提高反應(yīng)器內(nèi)氧氣或水汽的分壓能提高線性氧化速率有高壓氧化和低壓氧化技術(shù)對(duì)線性氧化速率的影響更些大氧化劑分壓Pg是通過C*對(duì)B產(chǎn)生影響：B∝P二、硅的熱氧化4.硅片晶向?qū)ρ趸俾实挠绊懖煌虻膯尉Ч栌捎诒砻嬖用芏炔煌?，氧化速率也呈現(xiàn)各向異性。B/A依賴晶向，而B與晶向無關(guān)。（111）晶向速率最快，（100）晶向速率最慢。有空間位阻（StericHindrance）現(xiàn)象：指氧化劑分子近鄰之間遮蔽作用和其它一些幾何影響。二、硅的熱氧化5.雜質(zhì)對(duì)氧化速率的影響氧化速率對(duì)存在于摻雜劑中的鈉、氯化物、水汽，以及在硅片中的Ⅲ、Ⅳ族雜質(zhì)敏感。通常氧化劑中有微量的雜質(zhì)存在就會(huì)明顯地提高氧化速率。摻雜濃度越高氧化速率越快，這種現(xiàn)象稱為增強(qiáng)氧化。氧化三、初始氧化階段及薄氧化層制備D-G模型對(duì)30nm以下的薄層氧化規(guī)律描述不準(zhǔn)。初始氧化階段的氧化機(jī)制仍是研究熱點(diǎn)。自然氧化物不是連續(xù)生長而是階段的生長。輕摻雜0.8nm;重?fù)诫s1.3nm。700℃干氧氧化三、初始氧化階段及薄氧化層制備3.1MOS電路對(duì)柵氧化層的要求低缺陷密度好的抗雜質(zhì)擴(kuò)散的勢(shì)壘持性低的界面態(tài)密度和固定電荷，高質(zhì)量的SiO2/Si界面。在熱載流子應(yīng)力和輻射條件下的穩(wěn)定性好。柵氧化層三、初始氧化階段及薄氧化層制備3.2薄氧化層制備工藝方法：干氧氧化、或摻氯氧化；減壓氧化；低溫高壓氧化等。工藝條件：生長速率必須足夠慢；氧化前的清洗必須徹底；所用水、試劑、氣體等必須為超高純度材料。四、熱氧化過程中雜質(zhì)的再分布再分布情況由四方面因素決定：雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象；雜質(zhì)從SiO2表面逸出；雜質(zhì)在SiO2、Si中的擴(kuò)散速率；雜質(zhì)在SiO2/Si界面的移動(dòng)速率。逸出分凝擴(kuò)散界面移動(dòng)四、熱氧化過程中雜質(zhì)的再分布4.1雜質(zhì)的分凝效應(yīng)分凝效應(yīng)：指雜質(zhì)在兩個(gè)緊密接觸的不同相中，由于溶解度不同，將在兩相之間發(fā)生重新分配，直到兩相界面兩邊的化學(xué)勢(shì)相等為止的現(xiàn)象。分凝系數(shù)：是衡量分凝效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)硅片熱氧化時(shí)，某雜質(zhì)的分凝系數(shù)為：分凝系數(shù)與溫度有關(guān)分凝系數(shù)與與晶面取向有關(guān)四、熱氧化過程中雜質(zhì)的再分布雜質(zhì)在SiO2/Si界面分布(a)圖，雜質(zhì)K＜l，在SiO2中是慢擴(kuò)散雜質(zhì)，如硼；(b)圖，雜質(zhì)K＜1，在SiO2中是快擴(kuò)散雜質(zhì)，如在氫氣氛下的硼；(c)圖，雜質(zhì)K＞1，在SiO2中慢擴(kuò)散的雜質(zhì)，如磷；(d)圖，雜質(zhì)K＞l，在SiO2中是快擴(kuò)散雜質(zhì)，如鎵；分凝擴(kuò)散逸出分凝擴(kuò)散逸出分凝擴(kuò)散逸出分凝擴(kuò)散逸出四、熱氧化過程中雜質(zhì)的再分布4.2再分布對(duì)硅表面雜質(zhì)濃度的影響氧化速率與擴(kuò)散速率之比是影響硅表面雜質(zhì)濃度的主因，這一比值可通過改變熱氧化工藝方法、條件而變化。四、熱氧化過程中雜質(zhì)的再分布4.3再分布對(duì)硅中雜質(zhì)濃度分布的影響溫度越高，硼雜質(zhì)發(fā)生再分布進(jìn)入硅內(nèi)的距離越深。氧化后高斯分布雜質(zhì)，最高濃度的位置已經(jīng)不在硅的表面。五、氧化層的質(zhì)量及檢測(cè)氧化層厚度測(cè)量比色法、干涉條紋法；橢偏法、臺(tái)階儀。熱氧化在硅表面生長氧化層的質(zhì)量及性能指標(biāo)應(yīng)滿足使用要求，需要在氧化后進(jìn)行檢測(cè)。成膜質(zhì)量檢測(cè)表面缺陷，結(jié)構(gòu)缺陷，氧化層中的電荷，熱應(yīng)力。橢偏儀臺(tái)階儀五、氧化層的質(zhì)量及檢測(cè)5.1氧化層厚度測(cè)量1.比色法在可見光波段氧化層透明，而硅為灰色，硅片表面反射的光和穿透氧化層在硅界面反射光相互干涉，又因氧化層厚度不同，光程就不同，某一波長的光干涉增強(qiáng)，這就使得硅片呈現(xiàn)不同的色彩。顏色氧

化

層

厚

度（埃）第一周期第二周期第三周期第四周期灰

色100

黃褐色300棕

色500藍(lán)

色800紫

色1000275046506500深藍(lán)色1500300049006800綠

色1850330052007200黃

色2100370056007500橙

色225040006000

紅

色250043506250

在白光直視下氧化層厚度與干涉色彩的關(guān)系比色樣片五、氧化層的質(zhì)量及檢測(cè)5.1氧化層厚度測(cè)量2.干涉條紋法n--二氧化硅的折射率斜面X--干條紋的條數(shù)X=3,n=1.5,

λ=530nm

d=530nm

從一個(gè)亮條到相鄰的亮條就是一個(gè)干涉條紋。而從暗條到相鄰亮條則是0.5個(gè)干涉條紋。五、氧化層的質(zhì)量及檢測(cè)5.2氧化層成膜質(zhì)量的測(cè)量1.表面缺陷表面鏡檢：有無斑點(diǎn)，裂紋，白霧，發(fā)花和針孔等毛病。產(chǎn)生原因：硅片表面拋光不夠好、有嚴(yán)重的位錯(cuò)或表面有沾污。針孔密度測(cè)量：化學(xué)腐蝕法；電解鍍銅法等。通孔盲孔五、氧化層的質(zhì)量及檢測(cè)5.2氧化層成膜質(zhì)量的測(cè)量2.結(jié)構(gòu)缺陷主要是氧化誘生層錯(cuò)(OxidationInducedStackingFaults,CSF)：界面未氧化的硅進(jìn)入硅體內(nèi)的填隙位置，結(jié)團(tuán)形成堆垛層錯(cuò)。檢測(cè)方法：用稀HF泡掉氧化層，然后用Sirtl等腐蝕液腐蝕硅，再用顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)。五、氧化層的質(zhì)量及檢測(cè)5.2氧化層成膜質(zhì)量的測(cè)量3.氧化層中的電荷可動(dòng)離子電荷：Na+-、K+、H+等荷正電的堿金屬離子。氧化層固定電荷：位于氧化層距硅界面3nm范圍內(nèi)，荷正電的氧空位。界面陷阱電荷：能量處于硅禁帶中，可與價(jià)帶或?qū)Ы粨Q電荷的陷阱能級(jí)或電荷狀態(tài)。氧化層陷阱電荷：由氧化層內(nèi)的雜質(zhì)或不飽和鍵俘獲電子或空穴所引起。3.氧化層中的電荷五、氧化層的質(zhì)量及檢測(cè)通過MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性測(cè)量及偏溫實(shí)驗(yàn)，可得氧化層電荷面密度和可動(dòng)電荷面密度。測(cè)量方法：避免或降低電荷面密度的方法：加強(qiáng)工藝衛(wèi)生；采用超高純度的水、氣體與試劑等；采用摻氯干氧氧化工藝；熱氧化后在高溫惰性氣體中進(jìn)行退火。P-SiSiO2AlMOS結(jié)構(gòu)+++++-----反型層4.熱應(yīng)力五、氧化層的質(zhì)量及檢測(cè)SiO2與Si的熱膨脹系數(shù)不同：Si：2.6×10-6K-1，SiO2：5×10-7K-1

在結(jié)束熱氧化，退出高溫過程后，兩者界面會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。熱氧化時(shí)，加熱或冷卻過程中要使硅片受熱均勻，同時(shí)，升溫和降溫速率不能太大。

氧化層受壓應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)，氧化層會(huì)產(chǎn)生皸裂，硅片發(fā)生彎曲，并在界面產(chǎn)生缺陷。六、其它熱氧化方法6.1摻氯氧化在氧化氣氛中加入一定量的含氯物質(zhì)，如HCl、C2HCl3(TCE)等，氯進(jìn)入氧化層?？梢愿纳蒲趸瘜雍蚐iO2/Si界面的性質(zhì)：Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+4HCl+O2→4Cl2+H2O→Si-Cl-，Si-O-Cl能降低固定正電荷密度和界面態(tài)密度鈍化可動(dòng)離子，尤其是鈉離子減少SiO2中缺陷，提高了氧化層的抗電擊穿能力減少氧化導(dǎo)致的硅的層錯(cuò)，增加了氧化層下面硅中少數(shù)載流子的壽命。六、其它熱氧化方法6.2高壓氧化氧化劑的壓力在幾個(gè)到幾百個(gè)大氣壓之間的熱氧化稱高壓氧化。高壓氧化溫度多在650~950℃之間。也有高壓干氧氧化和高壓水汽氧化。主要特點(diǎn)：是一種低溫快速熱氧化方法；減少了氧化層錯(cuò)；雜質(zhì)再分布和分凝效應(yīng)減小。耐壓容器式高壓氧化設(shè)備結(jié)構(gòu)圖6.3熱氧化工藝展望六、其它熱氧化方法熱氧化工藝的發(fā)展方向：主要集中在如何制造電學(xué)性能優(yōu)良，且足夠薄的柵氧化層，而對(duì)柵氧化層的主要要求：具有高介電常數(shù)；較低氧化層電荷；較高擊穿電壓等特性。氧化工藝發(fā)展：進(jìn)一步降低工藝溫度、提高氧化速率—如高壓氧化發(fā)展其它工藝方法。集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理與工藝哈爾濱工業(yè)大學(xué)/田麗擴(kuò)散第四章擴(kuò)散JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU4.1擴(kuò)散機(jī)構(gòu)4.2晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動(dòng)力學(xué)方程4.3雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜4.4熱擴(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.5擴(kuò)散工藝條件與方法4.6擴(kuò)散工藝質(zhì)量與檢測(cè)4.7擴(kuò)散工藝的發(fā)展目錄CONTENTS4.1擴(kuò)散機(jī)構(gòu)晶體內(nèi)的擴(kuò)散是通過微觀粒子-原子的一系列隨機(jī)跳躍來實(shí)現(xiàn)的，這些跳躍在三維方向進(jìn)行；主要有替位式、間隙式、替位-間隙式三種方式只有當(dāng)晶體中的雜質(zhì)存在濃度梯度時(shí)才會(huì)出現(xiàn)凈的雜質(zhì)移動(dòng)。溫度的高低則是決定雜質(zhì)粒子跳躍移動(dòng)快慢的主要因素。4.1擴(kuò)散機(jī)構(gòu)4.1.1替位式擴(kuò)散Ws格點(diǎn)出現(xiàn)空位的概率為：由于有熱漲落，按照玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，雜質(zhì)跳過勢(shì)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(kuò)散只有在高溫下才可能實(shí)現(xiàn)4.1擴(kuò)散機(jī)構(gòu)4.1.2填隙式擴(kuò)散Wi=0.6~1.2eVε按照玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)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(kuò)散速率遠(yuǎn)大于替位式擴(kuò)散4.1擴(kuò)散機(jī)構(gòu)4.1.3填隙--替位式擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散：Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)以替位式擴(kuò)散為主，稱慢擴(kuò)散雜質(zhì)，如B、P、Sb、As等；Ⅰ族雜質(zhì)是填隙式擴(kuò)散，稱快擴(kuò)散雜質(zhì)，如Na、K、H等；大多數(shù)過渡元素是填隙-替位式擴(kuò)散，如：Au、Fe、Cu、Pt、Ni等。4.2晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動(dòng)力學(xué)方程4.2.1擴(kuò)散基本特點(diǎn)晶體中原子（或離子）以一定的對(duì)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(qiáng)，每一步遷移必須從熱漲落中獲取足夠的能量以克服勢(shì)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(jié)構(gòu)與缺陷濃度，雜質(zhì)原子的大小和運(yùn)動(dòng)方式是決定雜質(zhì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的要主因素。4.2晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動(dòng)力學(xué)方程4.2.2擴(kuò)散方程1.Fick第一定律在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向單位面積上的擴(kuò)散物質(zhì)流量為擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)J單位為：kg/m2.s或個(gè)/cm2.s4.2晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動(dòng)力學(xué)方程4.2.2擴(kuò)散方程2.Fick第二定律假設(shè)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(kuò)散過程，任一位置的雜質(zhì)濃度隨擴(kuò)散時(shí)間而變化，有：--擴(kuò)散方程

4.2晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動(dòng)力學(xué)方程4.2.3擴(kuò)散系數(shù)是描述擴(kuò)散速度的重要物理量，它相當(dāng)于單位濃度梯度時(shí)的擴(kuò)散通量，D越大擴(kuò)散越快。x,

wsEa–擴(kuò)散激活能–表觀擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)4.2晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動(dòng)力學(xué)方程4.2.3擴(kuò)散系數(shù)低濃度下實(shí)測(cè)各種雜質(zhì)在硅和砷化鎵中擴(kuò)散系數(shù)快擴(kuò)散雜質(zhì)慢擴(kuò)散雜質(zhì)4.2晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動(dòng)力學(xué)方程4.2.3擴(kuò)散系數(shù)硅中雜質(zhì)面的擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)除與溫度有關(guān)外，還與硅片晶向、晶格完整性、本體雜質(zhì)濃度，以及擴(kuò)散雜質(zhì)濃度等因素有關(guān)。D–本征擴(kuò)散系數(shù)De–非本征擴(kuò)散系數(shù)4.3雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜擴(kuò)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(kuò)散方程可以計(jì)算出雜質(zhì)濃度及分布等關(guān)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(jié)深xj摻入單位面積雜質(zhì)總量Q4.3雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜4.3.1恒定表面源擴(kuò)散簡(jiǎn)稱恒定源擴(kuò)散，指在整個(gè)擴(kuò)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(dá)到了該擴(kuò)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(kuò)散雜質(zhì)濃度服從余誤差分布4.3雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜4.3.1恒定表面源擴(kuò)散恒定源擴(kuò)散的雜質(zhì)濃度分布

N-SiSiO2P-Six0xj結(jié)深：4.3雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜4.3.1恒定表面源擴(kuò)散恒定源擴(kuò)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(kuò)散摻雜4.3.2限定表面源擴(kuò)散簡(jiǎn)稱限定源擴(kuò)散，指雜質(zhì)在擴(kuò)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(jìn)行的擴(kuò)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(kuò)散雜質(zhì)濃度服從高斯分布4.3雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜4.3.2限定表面源擴(kuò)散限定源擴(kuò)散的雜質(zhì)濃度分布表面雜質(zhì)濃度:結(jié)深:雜質(zhì)濃度梯度:4.3雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜4.3.2限定表面源擴(kuò)散限定源擴(kuò)散的雜質(zhì)濃度分布4.3雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜4.3.3兩步擴(kuò)散工藝N-SiSiO2P-SixCsxjQ兩步擴(kuò)散工藝就是將恒定源擴(kuò)散和限定源擴(kuò)散結(jié)合起來，通過調(diào)整擴(kuò)散溫度和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)控制摻入硅中雜質(zhì)的表面濃度、雜質(zhì)總量、結(jié)深等關(guān)鍵參數(shù)。第一步：稱預(yù)淀積（或預(yù)擴(kuò)散），是恒定源擴(kuò)散，目的是在擴(kuò)散窗口的硅表層擴(kuò)入總量Q一定的雜質(zhì)。第二步：稱再分布（或主擴(kuò)散），是限定源擴(kuò)散，將預(yù)淀積在硅表層的雜質(zhì)再進(jìn)一步向片內(nèi)擴(kuò)散，目的是控制擴(kuò)散窗口硅的表面濃度Cs和結(jié)深xj。4.3雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜4.3.3兩步擴(kuò)散工藝兩步工藝雜質(zhì)濃度分布兩步擴(kuò)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(gè)擴(kuò)散過程結(jié)果的累加：當(dāng)D1t1>>D2t2時(shí)預(yù)擴(kuò)散起決定作用，雜質(zhì)接近余誤差函數(shù)形式分布。當(dāng)D1t1<<D2t2時(shí)，主擴(kuò)散起決定作用，雜質(zhì)接近高斯函數(shù)形式分布。實(shí)際的擴(kuò)散情況比較復(fù)雜：恒定源擴(kuò)散硅表面雜質(zhì)濃度難以控制限定源擴(kuò)散硅表面的雜質(zhì)總量會(huì)有所減少對(duì)結(jié)深影響最大的是擴(kuò)散溫度和時(shí)間，溫度的影響更大。4.4熱擴(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素雜質(zhì)的實(shí)際分布與理論分布存在偏差，主要原因?yàn)椋簲U(kuò)散系數(shù)在某些場(chǎng)合不是常數(shù)；實(shí)際擴(kuò)散過程中存在橫向效應(yīng)；硅襯底的晶向、晶格完整性等也對(duì)擴(kuò)散速率、雜質(zhì)分布有影響；還有Fick定律解釋不了的效應(yīng)：氧化增強(qiáng)擴(kuò)散、發(fā)射區(qū)推進(jìn)、場(chǎng)助擴(kuò)散等效應(yīng)。4.4熱擴(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.1硅中點(diǎn)缺陷對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散的影響1.空位的影響各種空位的擴(kuò)散系數(shù)和激活能都與其荷電狀態(tài)有關(guān)，假設(shè)各自都是獨(dú)立的，則，本征擴(kuò)散系數(shù)：Di=Di0+Di-1+Di+1+Di+2+…各種雜質(zhì)-空位復(fù)合體，也有不同的激活能和擴(kuò)散常數(shù)，假設(shè)也都是獨(dú)立的，則，非本征擴(kuò)散系數(shù)：

--C>Ci

≈1019原子/cm34.4熱擴(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.1硅中點(diǎn)缺陷對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散的影響2.填隙原子的影響填隙機(jī)制同空位機(jī)制一樣能促成替位雜質(zhì)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，如：硅原子踢出晶格位置上的雜質(zhì)原子促成擴(kuò)散，或反之踢出與填隙擴(kuò)散共同作用促成擴(kuò)散多數(shù)是雜質(zhì)如硼和磷，是靠?jī)煞N機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)散的，哪一種機(jī)制占主要地位取決于具體雜質(zhì)和工藝。4.4熱擴(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.2氧化增強(qiáng)擴(kuò)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(kuò)散性，稱為氧化增強(qiáng)擴(kuò)散(OED)。N-Si，CB<1019P-Si氮化硅氧化層BOED硼、磷在氧化氣氛中的擴(kuò)散存在明顯增強(qiáng)現(xiàn)象，砷也有此現(xiàn)象。原因是氧化誘生堆垛層錯(cuò)產(chǎn)生了大量自填隙Si，而填隙-替位式擴(kuò)散中的“踢出”機(jī)制提高了擴(kuò)散系數(shù)。4.4熱擴(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.2氧化增強(qiáng)擴(kuò)散氧化阻滯擴(kuò)散現(xiàn)象P-Si，CB<1019N-Si氮化硅氧化層Sb氧化阻滯擴(kuò)散銻有氧化阻滯擴(kuò)散現(xiàn)象。因?yàn)殇R擴(kuò)散是以替位方式進(jìn)行，氧化層錯(cuò)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(kuò)散被阻滯，使得氧化窗口下方的擴(kuò)散結(jié)變淺。4.4熱擴(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.2氧化增強(qiáng)擴(kuò)散氧化增強(qiáng)擴(kuò)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(fù)合速率決定，所以在氧化過程中的擴(kuò)散系數(shù)是氧化速率的函數(shù)。氧化引起的增強(qiáng)擴(kuò)散系數(shù)：氧化增強(qiáng)與硅表面的取向有關(guān)，在干氧氧化時(shí)，氧化增強(qiáng)的效果按(111)、(110)、(100)的順序遞減。

n=0.2-0.34.4熱擴(kuò)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(jìn)效應(yīng)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(kuò)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(kuò)散有了明顯的增強(qiáng)。N-SiP-Siδ擴(kuò)PN-Si基區(qū)集電區(qū)發(fā)射區(qū)是由于磷擴(kuò)時(shí)，磷與空位相互作用形成的PV對(duì)會(huì)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(kuò)散速度。4.4熱擴(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.4橫向擴(kuò)散效應(yīng)N-SiSiO2P-Si硅內(nèi)濃度比表面濃度低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上時(shí)，橫向擴(kuò)散的距離是縱向擴(kuò)散的0.74-0.85倍，濃度高時(shí)是縱向的0.65-0.7倍。恒定源擴(kuò)散限源

擴(kuò)散4.4熱擴(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.4橫向擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)于經(jīng)過擴(kuò)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(kuò)散，窗口邊緣處的橫向擴(kuò)散結(jié)深將明顯小于縱向擴(kuò)散結(jié)深。橫向擴(kuò)散的存在，直接影響ULSI的集成度。45.4熱擴(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素4.4.5場(chǎng)助擴(kuò)散效應(yīng)是指施主雜質(zhì)或受主雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散，是以電離后的離子和電子或空穴各自進(jìn)行的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。電子或空穴的擴(kuò)散速度比離子快，在硅內(nèi)形成內(nèi)建電場(chǎng)E，電場(chǎng)方向正好起著幫助運(yùn)動(dòng)較慢的離子加速擴(kuò)散作用。C>1019原子/cm3時(shí)，D不再是常數(shù)。PP+P+P+___EBB-B-B-+++E4.5擴(kuò)散工藝條件與方法4.5.1擴(kuò)散方法的選擇開管擴(kuò)散：擴(kuò)散的重復(fù)性和穩(wěn)定性都好，而且擴(kuò)散方便，價(jià)廉，但是污染大，對(duì)于毒性大的雜質(zhì)源不能采用。閉管擴(kuò)散：擴(kuò)散的均勻性、重復(fù)性較好，擴(kuò)散時(shí)受外界影響少，但是效率低，每次破碎石英管。在大面積深結(jié)擴(kuò)散時(shí)常采用這種方法。4.5擴(kuò)散工藝條件與方法4.5.1擴(kuò)散方法的選擇箱法擴(kuò)散工藝簡(jiǎn)單、成熟，既有閉管擴(kuò)散的特點(diǎn)，又有開管擴(kuò)散的優(yōu)點(diǎn)，但是擴(kuò)散時(shí)間長、效率較低，雙極型集成電路的埋層擴(kuò)散，通常采用箱式銻擴(kuò)散。氧化物源擴(kuò)散在硅片表面上淀積摻有某種雜質(zhì)的氧化層，再分布擴(kuò)散。工藝不夠成熟，重復(fù)性較差。涂源法擴(kuò)散把溶于溶劑中的雜質(zhì)源直接涂在硅片表面，進(jìn)行再分布擴(kuò)散。表面濃度難以控制，均勻較差。箱法擴(kuò)散設(shè)備4.5擴(kuò)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(duì)設(shè)備要求不高，是應(yīng)用較多的擴(kuò)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(fù)性和均勻性都較好，在大量生產(chǎn)中應(yīng)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(shí)際生產(chǎn)中很少采用。液態(tài)源擴(kuò)散4.5擴(kuò)散工藝條件與方法4.5.2雜質(zhì)源選擇還應(yīng)考慮下面幾點(diǎn)：對(duì)所選擇的雜質(zhì)，SiO2掩膜應(yīng)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(kuò)散雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)搭配適當(dāng)，先擴(kuò)的應(yīng)小，后擴(kuò)的大；純度高，雜質(zhì)電離能小，使用方便、安全等。4.5擴(kuò)散工藝條件與方法4.5.3常用雜質(zhì)的擴(kuò)散工藝1.硼擴(kuò)散（以NPN晶體管基區(qū)擴(kuò)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