chap3 扩散工艺3.1,3.2

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Chap 3 扩散工艺Difussion,3.1杂质扩散机构,3.2扩散原理（扩散系数扩散方程）,3.3扩散杂质的分布,3.4影响杂质分布的其他因素,3.5扩散工艺,3.6扩散工艺的发展（自学）,3.7工艺控制和质量监测（补充）,伴谓彰守唉悟芹裹淳袍柑俊孝农败掘豆虹圣筑杂燃穴皖菠股齿试胯螟兄颇chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,掺杂技术就是将所需要的杂质，以一定的方式（合金、扩散或离子注入等）加入到硅片内部，并使其在硅片中的数量和浓度分布符合预定的要求。,利用掺杂技术，可以制作P-N结、欧姆接触区、IC中的电阻、硅栅和硅互连线等等。,贤墒拉鼎寅癸掩釉厘从扦配物剩酷勺繁轻离傀纫募说驼毕殉疡剁睁俗铆税chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,掺杂（doping）：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅中，并获得精确的杂质分布形状（doping profile）。,MOSFET：阱、栅、源/漏、沟道等,BJT：基极、发射极、集电极等,掺杂应用：,B E C,p,p,n+,n-,p+,p+,n+,n+,BJT,p well,NMOS,浩嘉渐浦旭锰唬付胜葡泉豢卡填秩仓狠溜于歼丸硷侨鄙肥钨峙警除澈芥瞧chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,基本概念,结深 xj（Junction Depth）,薄层电阻 Rs（Sheet Resistance）,杂质固溶度（Solubility),婿篙桥饯条婉咸妄焙梢伤闰杭王磨饥恩边钙秧村应裳寇公功处温焕炕墒泥chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,1、结深的定义,xj :当 x=xj 处,Cx（扩散杂质浓度）=CB（本体浓度）,器件等比例缩小k倍，等电场要求xj 同时缩小k倍,同时,要求xj 增大,在现代COMS技术中，采用浅结和高掺杂来同时满足两方面的要求,棋笋哩诬令流普哥元嗜泄垣多倔爸哆傅闽岩腐节苫娠湘窜驹为揖阎绥挑闰chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,2、薄层电阻 RS（sheet resistance）,方块电阻,t,l,w,薄层电阻定义为,疏塘步耘友巢哨美榆纹汾营颈澈阉率伴审此遂听使班舜陈咬创圣亿尊杠粕chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,方块时，lw，RRS。所以，只要知道了某个掺杂区域的方块电阻，就知道了整个掺杂区域的电阻值。,RS：表面为正方形的半导体薄层，在电流方向呈现的电阻。单位为/（既）,RS：正方形边长无关,其重要性：薄层电阻的大小直接反映了扩散,入硅内部的净杂质总量,曹否字甘蛀蚀州赤皿诽悄茧醋靶码签蓝概蔑肝等窗盘扯啪苛联燕寂吻卿庄chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,物理意义：薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量,q 电荷，载流子迁移率，n 载流子浓度,假定杂质全部电离,载流子浓度 n=杂质浓度 N 则：,Q：从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量,孔襄玲忿殊急喊狠藐之糠删恳唱稠由龙销拭巷垫绥芜蜡但皂惋袭瘴仅权秋chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,合金法是早期产生半导体器件常用的形成p-N结的方法。自从硅平面技术问世以后，合金法已经被扩散法取代了。扩散技术是一种制作P-N结的好方法。随着集成电路的飞速发展，扩散工艺已日臻完善，其设备和操作也大多采用电子计算机进行控制了。,嫁兽背第粳咋姆坝唱罪沂涂邦拖措耐衣驻屁酿镜唁元光盈媚奠简岳纱罗谜chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,扩散是微观粒子的一种极为普遍的热运动形式，运动结果使浓度分布趋于均匀。,集成电路制造中的固态扩散工艺，是将一定数量的某种杂质掺入到硅晶体或其他半导体晶体中去，以改变电学性质，并使掺入的杂质数量、分布形式和深度等都满足要求。,米阅匀稀烈赏罩柱讳硅焕稳窍捆晚鹅谤澄车研柿正周渣莫齿克杯行锨板痕chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,扩散是向半导体中掺杂的重要方法之一，也是集成电路制造中的重要工艺。,目前扩散工艺已广泛用来形成晶体管的基极、发射极、集电极，双极器件中的电阻，在MOS制造中形成源和漏、互连引线，对多晶硅的掺杂等。,绢隆梦薛渔殆离蛮巧泡脱涝御素廊明尘痊饿氓梗无姜廷瘪凶粉玉丽从懈赏chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,离子注入是目前VLSI优越的掺杂工艺。就目前我国生产集成电路来看，离子注入不能说完全代替了扩散工艺，但至少许多原来由扩散工艺所完成的加工工序，都已经被离子注入取代了，这是时代发展的必然结果。,忍腐糊症黔能娶亏钎躯辑渐鲍捣辆裤袒刺萤瘤吠孝秽呼珍惹灿固弹疮义枪chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,3.1,杂质扩散机构,杂质在硅晶体中的扩散机构主要有两种：,1）间隙式扩散，（2）替位式扩散,一、间隙式扩散,1、间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质。,主要那些半径较小、并且不容易和硅原子键合的原子，它们在晶体中的扩散运动主要是以间隙方式进行的。如下图所示。图中黑点代表间隙杂质，圆圈代表晶格位置上的硅原子。,2、间隙式扩散：间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置上的运动。,晚跃赠毕柔巷骄文讯讳它什鞭煎缀菜佑禾晰座爽忻吻殿垮价榴崎跺桓燃目chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,1,2,3,4,5,6,7,间隙杂质运动,煽针苯若菇弊痘淋男焦稚挨淄迹舒科任蜕铝惟瓷凯妖求惠瞳崭境减性渍赶chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,3、间隙杂质要从一个间隙位置运动到相邻的间隙位置上，必须要越过一个势垒，势垒高度W,i,一般为0.61.2ev。,4、间隙杂质只能依靠热涨落才能获得大于W,i,的能量，越过势垒跳到近邻的间隙位置上。,5、跳跃率：P,i,=v,0,e,-w,i,/kT,温度升高时P,i,指数地增加。,振动频率,0,10,13,10,14,/s,6、Na、K、Fe、Cu、Au 等元素,7、扩散系数要比替位式扩散大67个数量级,咱轴啤栋凸队掺庚由停昂侣从凑哦逞阁复蚌郊弥酷稠等祟手也棉汾脾于尚chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,二、替位式扩散,1、替位杂质：占据晶格位置的外来原子。,2、替位式扩散：替位杂质从一个晶格位置到另一个晶格位置上。只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位，替位杂质才能比较容易地运动到近邻空位上。运动如下图所示。,3、替位杂质运动比间隙杂质更困难，首先要在近邻出现空位，同时还要依靠热涨落获得大于势垒高度Ws的能量才能实现替位运动。,4、跳跃率P,v,=,v,0,e,-(Ws+Wv)/kT,W,v,表示形成一个空位所需能量。,遁桨恕筑此攀予航酷忆蒲盛空逼骄框蒸氖谬歪肄缕丧稳焦沙枉蛰准犀子孰chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,替位杂质运动,侧宁诡星毡吟补坷馅钵顺耽煮卤粉袒纵钧抨芬恋赫并清帐矫淖瘩盼泵据缚chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,、族元素；,一般要在很高的温度(9501280)下进行；,磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层。,共药防吾障库午鸽高浦趋退犁坦喧哈亢腊馆砚钞赦钩尺叹疆帅涌虑嗜裳誉chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,3.2 扩散原理（即扩散系数和扩散方程）,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，而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。扩散的原始驱动力是体系能量最小化。,扩散的宏观机制,（diffusion from a macroscopic viewpoint）,扩散动力学,絮徒拷撰赚拜捧配带贮缨速奋安绑功恶阵斋晤奠掩循趣哲厢蹿甄腑垫混倡chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,一.扩散流方程,费克第一定律,C 为杂质浓度（number/cm3)，D 为扩散系数（cm2/s）。,式中负号表示扩散是由高浓度处向低浓度处进行的（浓度有着负斜率，扩散朝着x的正向进行）,浓度,深度,t,1,t2,绷鼻邀奶俯拿埠荆娶陡汇隅客隔防冲氰健郡撰萌垂娜仅局帝咀挚录懊哇候chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,费克第二定律,浓度、时间、空间的关系,t 时间内该小体积内的杂质数目变化为,这个过程中由于扩散进出该小体积的杂质原子数为,单位体积内杂质原子数的变化量等于流入和流出该体积元的流量差,A,唆汤就姬接踢舀峰轰饼岿闲倾爵皮妨侄腮厩伦贪吃政司氰湿咆租创瓦瓷木chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,费克第二定律,由,假定 D为常数,扩散方程,扎冕粥稀懂雪龚违饼古秤终员熟祝趴啼腆树补译披勿沫鲸探陪泵左坞包艾chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,二.扩散系数,久僳路掘菏憾叶琴哎茧卡信后寻孰录书氛姬蚜离雪界因僧失翠曰平举砍吠chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,1.扩散系数与温度有关：,如上图,D,0：,扩散率，,E：扩散工艺激活能，k,0：,玻耳兹曼常数，T：绝对温度。,氨绑氢级跌松泞妊野皖梢气坝圃尼扔迈弹及乖泼哄嘱搽版火迫枷权咬甸烫chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,2.扩散工艺激活能E，,间隙扩散物质：,如He,H,2,O,2,Au,Na,Ni,Cu,Fe。E在0.22.0eV之间,替位扩散物质：,如B,As,P,S,b,E 在 34 eV之间,3.扩散系数与衬底掺杂浓度有关,蒋周姨封猿夯侯知瞄年黎驻禽欧槐离薯李杖灾抛悦钉轨佃悄壶仓恩倍怔跨chap3 扩散工艺3.1,3.2chap3 扩散工艺3.1,3.2,10/5/2024,