Chap09_扩散

2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 半导体工艺技术 第九章扩散 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 掺杂包括扩散和离子注入两种主要方式，分别在 第9章和第10章讨论 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 带有各种掺杂区之CMOS结构图 n通道晶体管p通道晶体管 LI氧化层 p–外延层 p+硅基板 STISTI STIn+ p+ P井 p+ p– p+ p– p+ n+ n– n+ n– n+ A B C E F D G H K L I JMM N O n+ n n++ p+ p p++ n井 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 杂质掺杂 所谓杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内。杂质掺杂 的实际应用主要是改变半导体的电特性。扩散和离子注入是 半导体掺杂的两种主要方式。 高温扩散：一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由高温的 扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩 散或淀积到硅晶片的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面，这些杂质浓度将从表面到体内单 调下降，而杂质分布主要是由高温与扩散时间来决定。 离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓 度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注 入能量决定。 扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，因 为二者互补不足，相得益彰。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 1. 基本扩散工艺 杂质扩散通常是在经仔细控制的石英高温炉管中放入半导体硅晶片并通 入含有所需掺杂剂的气体混合物。硅的温度在800-1200℃；砷化镓的温 度在600-1000℃。扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气体混合物中 的杂质分压有关。 对硅而言，B、P和As分别是常用的p型和n型掺杂剂，它们在硅中都有极 高的固溶度，可高于5×1020cm-3。引入方式有：固态源（BN、As2O3、 P2O5）；液态源（BBr3、AsCl3、POCl3）；气体源（B2H6、AsH3、 PH3 ），其中液态源最常用。 使用液态源的磷扩散的化学反应如下： 3 2 2 5 24 3 2 6POCl O PO Cl+ → + P2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。 2 5 22 5 4 5PO Si P SiO+ → + 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 对砷化镓的扩散工艺而言，因砷的蒸汽压高，所以需要特别 的方式来防止砷的分解或蒸发所造成的损失。包括含过压的 密封管中扩散，或者在含有掺杂氧化物覆盖层（氮化硅）的 开放管中扩散。p型扩散选用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或 ZnAs2（密封管法）或ZnO-SiO2（开放管法）。n型掺杂剂 有硒和碲。 电炉 电炉 O2 N2 液态杂质源 石英管 排气口硅晶片 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 1.1 扩散方程式 半导体中的扩散可以视作在晶格中通过空位或填隙原子形式 进行的原子移动。下图显示了2种基本的原子扩散模型。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 杂质原子的基本扩散工艺近似于载流子扩散，因此定义通量F为单位时间 内通过单位面积的掺杂原子数量，C为掺杂浓度，因此有： CF D x ∂= − ∂ 扩散驱动力是浓度梯度，掺杂原子从高浓度区流向低浓度区。 结合一维连续性方程，同时考虑在基质半导体中并无物质生成或消耗 （即Gn＝Rn＝0），将得到： 1 ( ) n n n Jn G R t q x ∂∂ = + −∂ ∂� 连续性方程 ( )C F CD t x x x ∂ ∂ ∂ ∂= − =∂ ∂ ∂ ∂ 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 在低掺杂原子浓度时，扩散系数可视为和掺杂浓度无关，则上式变为： 2 2 C CD t x ∂ ∂=∂ ∂ 费克（Fick）扩散方程 下图显示了硅与砷化镓中不同掺杂剂在低浓度时实测的扩散系数。一般 情况下，D的对数值和绝对温度的倒数成线性关系。意味着在一定的温 度范围内，D可表示为 0 exp( )a ED D kT −= D0是温度到无穷大时的扩散系数（单位：cm2/S）；Ea是激活能，对填隙模型， Ea是掺杂原子从一个间隙移动到至另一个间隙所需的能量；对空位模型，Ea是 杂质原子移动所需能量和形成空位所需的能量总和。空位的Ea较扩散大。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 1.2 扩散分布 掺杂原子的扩散分布和起始条件与边界条件有关。 考虑两种方式： 恒定表面浓度扩散：杂质原子由气态源传送到半导体表面， 然后扩散进入半导体硅晶片，在扩散期间，气态源维持恒定 的表面浓度； 恒定掺杂总量扩散：指一定量的杂质淀积在半导体表面，接 着扩散进入硅晶片内。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 恒定表面浓度扩散 时间t＝0时初始条件是 ( ,0) 0C x = 表示半导体杂质浓度开始为零，边界条件是 (0, ) sC t C= ( , ) 0C t∞ = Cs是x＝0处的表面浓度，与时间无关。X＝∞，距离表面无穷远无杂质原子。 符合起始与边界条件的扩散方程式的解是： ( , ) ( ) 2s xC x t C erfc Dt = erfc是余误差函数 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 半导体单位面积的掺杂原子总数是 0 ( ) ( , )Q t C x t dx ∞= ∫ 代入C（x，t）有 2( ) 1.13s sQ t C Dt C Dtπ= ≈ 一个相关量是扩散分布的梯度dC/dt，这个梯度可对C（x，t）微分得到 2 , exp( ) 4 s x t CdC x dx DtDtπ= − − 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 上图为余误差函数分布 下图为恒定表面浓度的扩散分布 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 恒定杂质总量扩散 0 ( , )C x t dx S ∞ =∫ 一恒定总量的杂质以一层薄膜的形式淀积在半导体表面，接着进入半导 体内。t＝0时的初始条件C（x，0）＝0，边界条件是： ( , ) 0C t∞ = S为单位面积掺杂总量。符合上述扩散方程的解为： 2 ( , ) exp( ) 4 S xC x t DtDtπ= − 此为高斯分布，杂质将随时间的增加扩散进入半导体，而总掺杂量S恒定，所以 表面浓度必然下降。在x＝0处表面浓度为： Dt StxC π=),( X=0 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 上图为高斯函数分布 下图为恒定杂质总量的扩散分布 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 注意到随时间的增加，表面浓度下降，微分可得扩散分布的 梯度： 2 3/ 2 , exp( ) ( , ) 4 22 ( )x t dC xS x x C x t dx Dt DtDtπ= − − = − 浓度梯度在x＝0与x＝∞处是零，同时最大梯度将发生在x＝2(Dt)1/2处。 在集成电路工艺中，通常采用两阶段步骤扩散，首先在恒定表面浓度扩 散条件下形成预淀积扩散层，接着在恒定掺杂总量扩散条件下，进行再 分布扩散。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 1.3 扩散层的计算 扩散工艺的结构可由三种测量方式来评价：扩散层的结深、方块电阻与 杂质分布。下图是在半导体内磨以凹槽并用溶液腐蚀去除表面，溶液会 使p型区颜色暗，因而描绘出结深。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 若R0是磨槽所用工具的半径，则可得结深： 2 2 2 2 0 0jx R b R a= − − − 如果R0远小于a和b，则 2 2 02 j a bx R −≈ 如图b所示，结深xj是杂质浓度等于衬底浓度CB时所在的位置。 ( )j BC x C= 如果结深和CB已知，则只要扩散分布遵从“两种分布”所推导的公式，表面 浓度Cs和杂质分布就能计算出来。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 扩散层的阻值可由“四探针法”来测量。薄层电阻值R和结深xj、 载流子迁移率及杂质分布C（x）有关： 0 1 ( )j xR q C x dxμ = ∫ 对某一给定的扩散分布，平均电阻率ρ＝Rxj只和表面浓度Cs及该分布 下的衬底掺杂浓度有关。对余误差或高斯等简单分布来说，我们所想要 的Cs和ρ的关系已被计算出来。要使用这些曲线，必须先确保扩散分布 和这些假定的分布一致。 扩散分布也可由电容－电压关系法测得。当杂质完全电离时，杂质分布 等于多数载流子分布而多数载流子分布可通过测量p-n结或肖特基二极 管的反偏电容与外加电压的关系确定。一个更为精确的方法为二次离子 质谱法（SIMS），可以测量总的杂质分布。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 2. 非本征扩散 前面讨论对于恒定扩散系数而言，只发生在掺杂浓度低于扩散温度下的 本征载流子浓度ni时。当杂质浓度大于ni时，扩散系数变得与浓度有关， 称为非本征扩散。非本征扩散区内，同时扩散或相继扩散的杂质之间存 在着相互作用和协同效应，使扩散更为复杂。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 2.1 与浓度有关的扩散 当基质原子离开晶格位置而产生空位，依照空位的电荷数，可有中性空 位V0、受主空位V－、双电荷受主V2－、施主空位V+等。可以预期，某种 带电状态下的空位密度，有类似与载流子浓度的温度相关性。 ex p ( )F iV i E EC C kT −= 如果杂质扩散以空位扩散为主，则D正比于空位密度。低掺杂浓度时， EF＝Ei，空位密度等于Ci而与杂质浓度无关。正比与Ci的D也将和杂质 浓度无关。高掺杂浓度时，EF向导带底移动，指数项大于1，这是CV增 大，进而是D变大。如上图的右侧所示。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 ( )s s CD D C γ= 考虑扩散系数时，D可以写成： Cs为表面浓度，Ds为表面扩散系数，γ是用来描述与浓度有关的参数。 扩散方程式为： ( )C F CD t x x x ∂ ∂ ∂ ∂= − =∂ ∂ ∂ ∂ 可将扩散方程式写成一常微分方程式并以数值法求解。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 结深可以用下式表示 1.6 , ~ 1j sx Dt D C γ= 当 （＝） 21.1 , ~ 2j sx D t D C γ= 当 （ ＝ ） 30.87 , ~ 3j sx D t D C γ= 当 （ ＝ ） 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 扩散分布－硅中的扩散 硅内所测量到的D与杂质浓度的关系 B和As ，其γ＝1，曲线（c）所 示，非常陡峭。 Au和Pt，γ＝-2，曲线（d）所示， 呈一凹陷的形状。 P，与V2－有关，D随C2而变化， 分布解决曲线（b）所示。但由于 离解效应，扩散分布将呈现出不 规则的形状。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 磷在不同表面浓度下，在 1000℃下扩散1h后的分布 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 在砷化镓中的锌扩散 在砷化镓中的扩散会比在硅中要来得复杂，因为杂质的扩散 包含砷和镓两种晶格原子移动。空位在砷化镓扩散过程中扮 演了一个主要角色，因为p型和n型杂质最终必须进驻晶格位 置上，然而空位的荷电状态迄今尚未确定。 锌是砷化镓中最广为使用的扩散剂，它的D会随C2而变化， 所以扩散分布如下图所示，是陡峭的。并注意即使是最低表 面浓度的情况，扩散型态也属于非本征扩散。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 扩散相关工艺－横向扩散 一维扩散方程基本能描述扩散工艺，但在掩蔽层的边缘例外，因为在边 缘处杂质会向下、向横向扩散。这时必须考虑二维的扩散方程式，并使 用数值分析技术求得在不同初始与边界条件下的扩散分布。 显示一恒定表面初始浓度条件下的轮廓线，并假设D与浓度无关。 垂直渗透约为2.8um 横向渗透约为2.3um 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 由于横向扩散作用，结包含了一个中央平面区及一个近似圆 柱、曲率半径为rj的边。此外，如果掩蔽层有尖锐的角，在 这个角处的结将因横向扩散而近似于圆球状。既然电场强度 在圆柱与圆球结处较强，则该处雪崩击穿电压远低于有相同 衬底掺杂的平面结处。 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿 作业 • 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 上p109第1、8 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题