2011 第七章扩散

扩散是物质的一种基本性质，气态、 液态、固态物质只要存在浓度梯度就会
造成物质从浓度高的地方向浓度低的地
方进行扩散。
掺杂
掺杂气体
氧化硅
扩散区
氧化硅
N p+ 硅衬底
扩散发生的两个必要条件：
1.浓度梯度
2.能量
掺杂气体
氧化硅
扩散 区 N p+ 硅衬底
氧化硅
热扩散
§6.2 扩散方法
热扩散通常分两个步骤进行：预淀积和推进。
si
Si Si
Si Si Si
si
Si Si
si
Si Si
Si Si Si
Si Si
Si Si
填隙式
杂质原子在硅片中的扩散机制：
二.间隙式扩散：
位于晶格间隙的杂质离子例如：Na、K、Fe、 Cu、Au 等元素
Si Si Si Si Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
间隙式扩散E在 0.2～2.0eV之间
Fick’s扩散第一定律：
N ( x, t ) J D x
J：扩散流密度，单位时间内通过单位面积的 粒子数；
N：杂质ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ度
x：深度
D：扩散系数（扩散率）：
杂质在硅片中的移动速度。
扩散系数（扩散率）


扩散系数：杂质在硅片中的移动速度； 扩散率越高，杂质移动的越快； 每一种物质在硅中都有一定的扩散率； 且随温度的升高而升高。
10
10 Cu 10 5 00
Au Zn S Ag 13 00 15 00
9 00 11 00 7 00 温 度（ C
二. 有限表面源扩散
边界条件： N(x,0)=0, x≠0 N(∞,t)=Ns
N | x 0 0 x
初始条件：


0
N ( x, t )dx Q 常数
杂质浓度分布为高斯函数分布
2.推进 1.预淀积 是移开外部杂质源，利用预淀积所形成的表面杂质层做杂 在高温下，让硅片上的扩散窗口和外部的杂质原子源接触， 质源，在高温下将这层杂质杂质向硅体内扩散的过程。通 利用杂质源，如硼源、磷源等，对硅片上的掺杂窗口进行 常再分布的时间较长，通过再分布，可以在硅衬底上形成 扩散，在窗口处形成一层较薄但具有较高浓度的重掺杂区。 这是一种恒定表面源的扩散过程。 一定的杂质分布和结深。扩散前在硅片表面先淀积一层杂 质在整个过程中这层杂质作为扩散源不再有新源补充杂质 扩散过程中硅片表面杂质浓度始终不变这种类型的扩散称 为恒定表面源扩散。目的：控制杂质总量。 总量不再变化这种类型的扩散称为有限表面源扩散。目的： 控制表面浓度和杂质深度。
两步扩散：
§6.5 实际杂质分布与理论分布的 偏差
1.二维扩散
理论假设：扩散只在深度方向进行。 实际情况：扩散在纵向和横向同时进行。
一般横向扩散(0.75~0.85)*Xj (Xj纵向结深)
2.杂质浓度
理论假设：扩散系数为常数，与杂质浓度无关。 实际情况： （1）只有当杂质浓度比扩散温度下的本征载流 子浓度低时才可认为扩散系数与掺杂浓度无关— —本征扩散系数Di （2）当扩散杂质浓度扩散温度下的本征载流子 浓度高时，扩散系数随浓度的增加而增加— —非 本征扩散系数De
第六章 扩散
扩散的定义 扩散方法 扩散机理 扩散杂质分布 扩散系统

掺杂
通过掺杂可以在硅衬底上形成不同类型 的半导体区域，构成各种器件结构。 掺杂工艺的基本思想就是通过某种技 术措施，将一定浓度的Ⅲ价元素，或Ⅴ 价元素等掺入半导体衬底。 磷(P)、砷(As) — N型硅 硼(B) — P型硅
Si Si
Si
Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
直接交换式
替位式扩散
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si
Si
Si Si
Si
Si
Si Si
Si Si Si
Si Si Si
Si
Si
Si
Si
空位式
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si
3.电场效应
理论假设：不考虑电场的存在。 实际情况： 在扩散的高温下，杂质离化， 因载流子比离化杂质的扩散 系数大，将产生自建电场， 自建电场使杂质的扩散速度 加快。
dN J D(1 ) x
η：电场增强系数
4.热氧化过程中的杂质再分布
实际情况： 杂质在不同物质里有不同的溶解度— —分凝系数。
5.氧化增强或减弱扩散
理论假设：不考虑氧化。 实际情况： 氧化会增强或减弱扩散，实验发现，硼和磷在氧 化气氛中会提高扩散系数，而砷和锑会降低扩散系数。
1020 浓 度 （ cm-3) 1019 Sb
1018 B B 1017 1016
0.2
0.4
深度（um）
0.6
0.8
硅中几种常见杂质的扩散系数
EA D D exp( ) kT
0
D0：表观扩散系数，常数，不同杂质D0不同；
EA：扩散激活能；k：波尔兹曼常数； T：绝对温度。
Fick’s扩散第二定律：
N ( x, t ) N ( x, t ) D 2 t x
2
前提：假设扩散系数为与位置无关的常数。
根据不同的边界条件和初始条件可求出扩散方程 的解，得到杂质分布与扩散时间t和位置即深度 的关系
2 P2O5 5Si 5SiO2 4 P
§6.3 扩散机理

——从微观角度看扩散 杂质原子在硅片中的运动
杂质原子在硅晶体中占据的位置？

替位型杂质 例如：硼、磷、砷
间隙杂质
例如：金、铜、铝、钠、铁、钾
杂质原子在硅片中的扩散机制：
一、替位式扩散：
占据硅原子位置的杂质离子例如：Ⅲ、Ⅴ族 元素（磷、硼、砷等）
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si
扩散系统
利用液态源进行扩散的装置示意 图
4 POCl3 3O2 2 P2O5 6Cl2 2 P2O5 5Si 5SiO2 4 P
扩散系统
3.固态源
固态源扩散大多数是杂质的氧化物或者其它化合物： 如B2O3、P2O5、BN等。
N2
2 B2O3 3Si 4 B 3SiO2
硼
1020
固溶度可达 1020cm-3，且随
浓 度
101
9
温度变化不大； 扩散系数较大。
1018 1017 1016 0.1 0.2 0.3 深度（um） 0.4
砷
10
20
浓 度
1 01
9
10
18
10
17
10
16
0.1 0. 0. 5 1 05 深度（um）
0.2
四面体半径与硅相 同，在高掺杂情况 下也不引起晶格畸 变，固溶度高达 1021cm-3； 扩散系数很小，仅 是磷、砷的/10，适 合做浅结或分布陡 峭的结。

硅工艺中广泛使用的杂质：硼，磷，砷和锑 。 硼和磷扩散起来相对来说更快，砷和锑扩散 起来就慢了很多。 砷和锑用在要求非常慢速的扩散场合,比如， 要制作非常浅的结或分布陡峭的结的时候。 硼和磷在温度低于800℃不扩散，必须使用 特别的高温扩散炉，一般要在很高的温度 (950～1280℃)下进行，横向扩散严重。
Si
Si
Si
Si
Si
Si
替位式扩散 E 在 3～4 eV之间
间隙式扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量 级（绝对不许用手摸硅片—防止Na+沾污。）
§6.3 扩散系数和扩散方程

——从宏观角度看扩散
Fick’s扩散第一定律； Fick’s扩散第二定律； 扩散系数（扩散率）； 扩散杂质的分布；
CMOS结构的掺杂区域
二氧化硅 掺杂
多晶硅掺 杂
衬底掺 杂
外延层 掺杂
阱区 掺杂
阈值电 压调整
轻掺杂漏 区
器件源漏 区
掺杂方法
扩散 ：高温驱动杂质穿过晶格结构 （ 20世纪60年代的主流工 艺） 离子注入：高压轰击把杂质引入硅片 （ 20世纪70年代成为主流 工艺至今）
§6.1 扩散
什么是扩散？
磷
1020
固溶度高达 1021cm-3； 扩散系数较高；
浓 度
1019
1018
在VLSI中主要做 阱和隔离。
1017
1016
0.2
0.4 深度（um）
0.6
0.8
§6.4

扩散系统

杂质源有气态源、液态源、固态源。 1.气态源 — —多用在离子注入工艺中。 2.液态源 常用POCl3、BBr3
§6.4 扩散杂质的分布
——理论值
一.
恒定表面源扩散
边界条件： N(x,0)=0 N(0,t)=Ns N(∞,t)=0
杂质浓度分布为余误差函数分布
杂质总量 : Q(t )
2

N s Dt
硅中杂质的固溶度
原子固溶度（ cm ）
10 As 10 P 10 B 10 10 O Sn Sb Ga Al
N Si k N Si02
硼
0.3
砷
10
锑
10
磷
10
2.5x1018
浓 度 （ ） 1x1018 B As 2x1018 1.5x1018
cm-3
P
5x1017
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
距离（um）
初始时均匀掺杂的砷、磷、硼表面氧化后的浓度分布图
砷、磷堆积在移动界面前，而硼在此处耗尽。。