半导体的高温掺杂课件

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1、1第四章第四章 半导体的高温掺杂半导体的高温掺杂2掺杂（掺杂（doping）：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅）：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（中，并获得精确的杂质分布形状（doping profile）。）。MOSFET：阱、栅、源：阱、栅、源/漏、沟道等漏、沟道等BJT：基极、发射极、集电极等：基极、发射极、集电极等掺杂应用：掺杂应用：B E Cppn+n-p+p+n+n+BJTp wellNMOS 3掺掺杂杂过过程程气气/固相扩散固相扩散离子注入离子注入或或退火退火预淀积预淀积优优点点缺缺点点预淀积控制剂量预淀积控制剂量恒定剂量推进退火恒定剂量推进退火离子

2、注入离子注入气气/固相扩散固相扩散室温掩蔽室温掩蔽无损伤掺杂无损伤掺杂精确剂量控制精确剂量控制产率高产率高1010111110101616/cm/cm2 2剂量剂量精确的深度控制精确的深度控制高浓度浅结形成高浓度浅结形成灵活灵活损伤位错会导致结漏电损伤位错会导致结漏电需要长时间驱入退火，需要长时间驱入退火，可能获得低表面浓度可能获得低表面浓度沟道效应会影响杂质分布沟道效应会影响杂质分布低剂量预淀积困难低剂量预淀积困难注入损伤增强扩散注入损伤增强扩散受到固溶度限制受到固溶度限制44.1 扩散现象扩散现象 扩散模型扩散模型n扩散是一种物理想象，是因为分子受到扩散是一种物理想象，是因为分子受到热运热

3、运动的驱动动的驱动而使而使物质由浓度高的地方移向浓度物质由浓度高的地方移向浓度低的地方低的地方。扩散可以发生在任何时间和任何。扩散可以发生在任何时间和任何地方。如香水在空气中扩散；糖，盐在溶液地方。如香水在空气中扩散；糖，盐在溶液中扩散。中扩散。n扩散的发生需要的条件扩散的发生需要的条件：浓度差；：浓度差；5 1.1.热扩散法掺杂热扩散法掺杂 热扩散是最早使用也是最简单的掺杂工艺，热扩散是最早使用也是最简单的掺杂工艺，主要用于主要用于Si Si工艺工艺。利用原子在利用原子在高温下高温下的的扩散运动扩散运动，使杂质使杂质原子从浓度很高的杂质源向硅中扩散并原子从浓度很高的杂质源向硅中扩散并形成一形

4、成一定的分布定的分布。6氧化扩散炉氧化扩散炉7扩散炉中的硅片扩散炉中的硅片用装片机将硅片装载到石英舟上用装片机将硅片装载到石英舟上8 热扩散步骤热扩散步骤 热扩散通常热扩散通常分三个步骤分三个步骤进行进行：-预淀积预淀积（predeposition）也称 预扩散预扩散 -推进推进（drive in）也称 主扩散主扩散 -激活激活（activation）9 预淀积（预淀积（预扩散）预扩散）预淀积预淀积:温度低温度低(炉温通常设为炉温通常设为800到到1100),时间短时间短,因而扩散的很浅因而扩散的很浅,可以认为杂质可以认为杂质淀积在一薄层内。淀积在一薄层内。目的是为了控制杂质总量目的是为了控制

5、杂质总量 即即形成一层较薄但具有较高浓度的杂质层形成一层较薄但具有较高浓度的杂质层。预淀积预淀积为整个扩散过程建立了为整个扩散过程建立了浓度梯度。表面浓度梯度。表面的杂质的杂质浓度浓度最高最高,并并随着深度的增加而减小随着深度的增加而减小,从而形成梯度。从而形成梯度。在扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变在扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变,因此这因此这是一种是一种恒定表面源恒定表面源的扩散过程。的扩散过程。10 推进（推进（主扩散）主扩散）推进推进是利用是利用预淀积预淀积所形成所形成的表面杂质层做杂质源，在的表面杂质层做杂质源，在高温下（高温下（炉温在炉温在1000到到1250）将这层杂质

6、向硅体内扩将这层杂质向硅体内扩散。散。目的为了控制表面浓度和扩散深度。目的为了控制表面浓度和扩散深度。通常通常推进的时间较长推进的时间较长，推进是推进是限定表面源扩散限定表面源扩散过程。过程。11激活n稍微升高温度，使杂质原子与晶格中的硅稍微升高温度，使杂质原子与晶格中的硅原子键合。此过程原子键合。此过程激活了杂质原子激活了杂质原子，改变改变了硅的电导率。了硅的电导率。12二维扩散（横向扩散）二维扩散（横向扩散）一般横向扩散一般横向扩散(0.750.85)*Xj(Xj纵向结深纵向结深)13Xj0.750.85Xj横向扩散横向扩散14(a)间隙式扩散间隙式扩散(interstitial)(b)替

7、位式扩替位式扩(substitutional)间隙式间隙式杂质：杂质：O,Au,Fe,Cu,Ni,Zn,Mg int 0.6 1.2 eV替代式替代式杂质杂质 P，B，As,Al,Ga,Sb,Ge int 3 4 eV2 扩散原理及模型扩散原理及模型2.1 扩散分类扩散分类15n替位式扩散：替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位置杂质离子占据硅原子的位置、族元素族元素一般要在很高的温度一般要在很高的温度(9501280)下进行下进行磷、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，中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层可以利用氧

8、化层作为杂质扩散的掩蔽层慢扩散杂质慢扩散杂质间隙式扩散：间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙杂质离子位于晶格间隙Na、K、Fe、Cu、Au 等元素等元素扩散系数要比替位式扩散大扩散系数要比替位式扩散大67个数量级个数量级间隙式扩散原子的激活能量要比替位扩散小间隙式扩散原子的激活能量要比替位扩散小快扩散杂质快扩散杂质16 半导体中的扩散工艺是利用固体中半导体中的扩散工艺是利用固体中的扩散现象，的扩散现象，将一定种类和一定数将一定种类和一定数量的杂质掺入到半导体中去，以改量的杂质掺入到半导体中去，以改变半导体的电学性质变半导体的电学性质2.2 扩散模型扩散模型17n1.恒定表面源扩散：恒定表面源扩散：

9、恒定源扩散过程恒定源扩散过程 实际是实际是预淀积预淀积过程过程n2.有限源扩散：有限源扩散：有限表面源扩散有限表面源扩散 实际上是杂质的实际上是杂质的再分布（驱入）再分布（驱入）1819 扩散过程中，硅片扩散过程中，硅片表面杂质浓度表面杂质浓度始终始终不变不变这种这种 类型的扩散称为类型的扩散称为恒定表面源扩散恒定表面源扩散。1.恒定表面源扩散恒定表面源扩散其扩散后其扩散后杂质浓度分布杂质浓度分布为为余误差函数余误差函数分布分布特点：表面浓度始终保持不变特点：表面浓度始终保持不变202、恒定表面源扩散：表面杂质浓度恒定为、恒定表面源扩散：表面杂质浓度恒定为Cs边界条件：边界条件：C(x,0)=

10、0,x 0 C(0,t)=Cs C(,t)=0实际工艺中，这种工艺称作实际工艺中，这种工艺称作“预淀积扩散预淀积扩散”。即气相中有无。即气相中有无限量的杂质存在，可以保证在扩散表面的杂质浓度恒定。限量的杂质存在，可以保证在扩散表面的杂质浓度恒定。解方程，得恒定扩散方程的表达式解方程，得恒定扩散方程的表达式 DtxCtxCs2erfc,C(x,t)为某处为某处t时的杂质浓度时的杂质浓度Cs 为表面杂质浓度，取决于某为表面杂质浓度，取决于某种杂质在硅中的最大固溶度种杂质在硅中的最大固溶度erfc 称作称作“余误差函数余误差函数”21erfc(x)=Complementary Error Funct

11、ion=1-erf(x)余误差函数性质：余误差函数性质：xx2)(erf对于x1 00erf 1erf xduux02-exp2erf 2exp2erfxdxxd 222exp4erfxxdxxd xdu-uxx2exp2erf1erfc01)(erfcdxx22：称为：称为特征扩散长度特征扩散长度Dt1）掺杂总量为）掺杂总量为A和和Cs/CB有关有关D与温度与温度T是指数关系是指数关系,因此因此T对结深的影响要较对结深的影响要较t大许多大许多DtACCDtxsBj1erfc22）扩散结深为）扩散结深为xj，则，则DtxCCjsB2erfc022erfcDtCdxDtxCQss233）杂质浓度

12、梯度）杂质浓度梯度DtxDtCxtxCs4exp,2梯度受到梯度受到Cs、t 和和D（即（即T）的影响。改变其中的）的影响。改变其中的某个量，可以改变梯度，如增加某个量，可以改变梯度，如增加Cs（As）。）。在在p-n结处结处CB和和Cs一定时，一定时，xj 越深，结处的梯度越小。越深，结处的梯度越小。sBsBjsxCCCCxCxtxCj121erfcerfcexp2,24表面杂质浓度不变表面杂质浓度不变扩散时间越长，杂质扩散时间越长，杂质扩散距离越深，进入衬扩散距离越深，进入衬底的杂质总量越多。底的杂质总量越多。杂质分布满足余误差杂质分布满足余误差函数分布函数分布t1 t2 t3t1t2t3

13、CB恒定表面源扩散的主要特点恒定表面源扩散的主要特点25固溶度固溶度（solid solubility）：在平衡条）：在平衡条件下，杂质能溶解在硅件下，杂质能溶解在硅中而不发生反应形成分中而不发生反应形成分凝相的最大浓度。凝相的最大浓度。固溶度热力学固溶度热力学最大浓度最大浓度超过电固溶度的超过电固溶度的杂质可能形成电中性杂质可能形成电中性的聚合物，对掺杂区的聚合物，对掺杂区的自由载流子不贡献的自由载流子不贡献恒定表面源的扩散，其表面杂质浓度恒定表面源的扩散，其表面杂质浓度Cs 基本由杂质基本由杂质在扩散温度（在扩散温度（9001200 C）下的）下的固溶度固溶度决定，而决定，而固溶度随温度变

14、化不大。固溶度随温度变化不大。26 扩散前在硅片表面先淀积一层杂质，在整个过扩散前在硅片表面先淀积一层杂质，在整个过程中，这层程中，这层杂质作为扩散源杂质作为扩散源，不再有新源补充，不再有新源补充，杂质总量不再变化杂质总量不再变化,杂质来自扩散前表面淀杂质来自扩散前表面淀 积的一薄层中的杂质原子。这种类型的扩散称积的一薄层中的杂质原子。这种类型的扩散称为为有限表面源扩散有限表面源扩散其扩散后杂质浓度分布为其扩散后杂质浓度分布为高斯函数分布高斯函数分布2.有限表面源扩散有限表面源扩散273、有限表面源扩散：表面杂质总量恒定为、有限表面源扩散：表面杂质总量恒定为QT在整个扩散过程中，预淀积的扩散杂

15、质总量作为扩散的杂质在整个扩散过程中，预淀积的扩散杂质总量作为扩散的杂质源，不再有新源补充。如先期的预淀积扩散或者离子注入一源，不再有新源补充。如先期的预淀积扩散或者离子注入一定量的杂质，随后进行推进退火时发生的高温下扩散。定量的杂质，随后进行推进退火时发生的高温下扩散。初始条件：初始条件：00,xC边界条件：边界条件：0,tC0,TQdxtxC得到得到高斯分布高斯分布DtxDtQtxCT4exp,2hx sCxC0,hx Cs28DtADtCQDtCCDtxBTBsjln2ln22）扩散结深）扩散结深1）表面浓度）表面浓度Cs随时间而减少随时间而减少DtQtCCTS,03）浓度梯度）浓度梯度

16、txCDtxxtxC,2,在在pn结处结处BsjBxCCxCxtxCjln2,浓度梯度随着扩散深度浓度梯度随着扩散深度（结深）增加而下降（结深）增加而下降A随时间变化随时间变化29杂质总量保持不变杂质总量保持不变扩散时间越长，扩散扩散时间越长，扩散越深，表面浓度越低。越深，表面浓度越低。扩散时间相同时，扩散扩散时间相同时，扩散温度越高，表面浓度下温度越高，表面浓度下降越多降越多杂质分布满足高斯函杂质分布满足高斯函数分布数分布有限表面源扩散的主要特点有限表面源扩散的主要特点t1 t2 t3t1t2t3CB30余误差函数分布（余误差函数分布（erfc）表面浓度恒定表面浓度恒定杂质总量增加杂质总量增

17、加扩散深度增加扩散深度增加高斯函数分布（高斯函数分布（Gaussian）表面浓度下降表面浓度下降(1/t)杂质总量恒定杂质总量恒定结深增加结深增加关键参数关键参数 Cs（表面浓度）（表面浓度）xj（结深）（结深）Rs（薄层电阻）（薄层电阻）31二步扩散二步扩散第一步第一步 为为恒定表面源恒定表面源扩散扩散 (称为预沉积或预扩散称为预沉积或预扩散)控制掺入的杂质总量控制掺入的杂质总量第二步第二步 为为有限表面源有限表面源扩散扩散 (称为主扩散或再分布称为主扩散或再分布)控制扩散深度和表面浓度控制扩散深度和表面浓度1112tDCQ 221112222tDtDCtDQC32n一、液态源扩散一、液态源

18、扩散 n二、固态源扩散二、固态源扩散 4.3 扩散方法扩散方法33一、一、液态源扩散液态源扩散n液态源扩散是指液态源扩散是指杂质杂质源为液态，源为液态，保护性气保护性气体把杂质源蒸汽携带入石英管内，体把杂质源蒸汽携带入石英管内，杂质在杂质在高温下分解高温下分解，并与衬底并与衬底表面的表面的硅原子发生硅原子发生反应释放出杂质原子反应释放出杂质原子，然后以原子的形式然后以原子的形式进入硅片内部，从而形成进入硅片内部，从而形成PN结。结。3435n杂质源为杂质源为硼酸三甲酯硼酸三甲酯，硼酸三丙酯，三溴化硼，硼酸三丙酯，三溴化硼n硼酸三甲酯在硼酸三甲酯在500以上分解以上分解 B(OCH3)3B2O3

19、+CO2+H2O+n三氧化二硼三氧化二硼在在900 左右与硅反应生成硼原子，左右与硅反应生成硼原子，淀积在硅片表面淀积在硅片表面2B2O3 3Si3SiO2+4B1.1.液态源液态源硼扩散硼扩散36液态源扩散常用液态源扩散常用POCl3，在氮气携带下在氮气携带下（加入少量氧气），把杂质源通入石英管内（加入少量氧气），把杂质源通入石英管内n4POCl3 3O2=2P2O5 6Cl2n2P2O5 5Si=5Si O24P 2.2.液态源液态源磷扩散磷扩散37二、二、固态源扩散固态源扩散384.3 扩散层参数测量扩散层参数测量n扩散参数扩散参数测量主要指测量主要指扩散薄层电阻扩散薄层电阻、扩散结深扩

20、散结深的测量的测量 1.方块电阻定义方块电阻定义：如果扩散薄层为一：如果扩散薄层为一正方形，正方形，其长度其长度（边长）（边长）都都等于等于L,厚度厚度就就是扩散薄层是扩散薄层的深度的深度（结深）（结深），在单位方块中，在单位方块中，电流从一侧面流向另一侧面所呈现的电电流从一侧面流向另一侧面所呈现的电阻值，阻值，就称为就称为薄层电阻薄层电阻，又称，又称方块电阻，单位是方块电阻，单位是/4.3.1 扩散薄层电阻扩散薄层电阻又称又称方块电阻方块电阻，数值反应数值反应出硅中所掺出硅中所掺杂质总量。杂质总量。故扩散结束后要测量此参数故扩散结束后要测量此参数39n指一个正方形的薄膜导电材料边到边指一个正

21、方形的薄膜导电材料边到边“之之”间的间的电阻，如图所示电阻，如图所示根据根据R RL/SL/S，得，得R RS S=L/Lx=L/Lxj j=/x=/xj j 方块电阻与方块的尺寸无关方块电阻与方块的尺寸无关,仅与仅与扩散结深扩散结深(扩散薄层扩散薄层的深度的深度:扩散形成的扩散形成的pnpn结的深度结的深度)x xj j及杂质浓度有关及杂质浓度有关402.物理意义物理意义 薄层电阻的薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量 q 电荷，电荷，载流子迁移率，载流子迁移率，n 载流子浓度载流子浓度 假定杂质全部电离假定杂质全部电离 载流子浓度载流子浓度

22、=杂质浓度杂质浓度 n=N 则：则：Q：从表面到结边界这一方块薄层中：从表面到结边界这一方块薄层中 单位面积上杂质总量单位面积上杂质总量 11q n1q nRxxqN xqQsjjj_/111方块电阻越小方块电阻越小,掺杂的杂质总量越大掺杂的杂质总量越大;方块电阻越大方块电阻越大,掺杂的杂质总量越小掺杂的杂质总量越小412.方块电阻测量方块电阻测量四探针法测量原理图四探针法测量原理图 当、四根当、四根金属探针排成一直线时，金属探针排成一直线时，并以一定压力压在半导体并以一定压力压在半导体材料上，在材料上，在、两处探两处探针间通过电流针间通过电流I，称为，称为电电流探针，流探针，由稳压电源供电。

23、由稳压电源供电。2和和3称为称为电位探针电位探针，测量，测量这两个探针之间的电位差这两个探针之间的电位差一般用一般用四探针法四探针法测出测出方块电阻方块电阻Rs(sheet Resistance),通过它通过它可判断扩散浓度的大小可判断扩散浓度的大小。42CIVR材料电阻材料电阻式中：式中：S1、S2、S3分别为探针与，与，与之分别为探针与，与，与之间距，用间距，用cm为单位时的值为单位时的值若电流取若电流取I=C 时，则时，则RV，可由数字电压表直接读出，可由数字电压表直接读出121223201111CSSSSSS探针系数探针系数（可由表查得）（可由表查得）(1)(2)43n1.结深的定义结

24、深的定义n n xj :当当 x=xj 处处 n n Cnx(扩散杂质浓度扩散杂质浓度)=Cb(本体浓度本体浓度)4.3.2 结深结深(xj)计算和测量计算和测量n扩散结深是一个重要指标扩散结深是一个重要指标,可以计算可以计算,也可以测量也可以测量442.结深的计算结深的计算决定扩散结深的因素共有4个：1、衬底杂质浓度、衬底杂质浓度NB 2、表面杂质浓度、表面杂质浓度Ns 3、扩散时间、扩散时间t 4、扩散系数、扩散系数DD与与T有关，有关，T上升上升10 C D上升上升1倍倍 恒定源扩散恒定源扩散有限源扩散有限源扩散45扩散常用杂质源扩散常用杂质源46扩散制程的缺点扩散制程的缺点n它它不能很

25、好不能很好的的控制掺杂浓度和结面深度控制掺杂浓度和结面深度。n由于扩散是一种等向过程，因此掺杂物总由于扩散是一种等向过程，因此掺杂物总是会扩散到遮蔽氧化层底下的部分，即是会扩散到遮蔽氧化层底下的部分，即产产生横向扩散生横向扩散。当使用较小的图形尺寸时，当使用较小的图形尺寸时，扩散掺杂会造成相邻接面短路。扩散掺杂会造成相邻接面短路。n因此，当因此，当离子注入法在离子注入法在70年代中期被引入年代中期被引入后，迅速的取代了扩散制程后，迅速的取代了扩散制程。47第四章复习第四章复习n扩散扩散 diffusion n掺杂的两种方法是？掺杂的两种方法是？n扩散的三个步骤及每步的作用？扩散的三个步骤及每步的作用？n2个扩散模型及特点？扩散的分类及特点？个扩散模型及特点？扩散的分类及特点？n扩散的扩散的2个参数？各与什么因素有关？热扩散个参数？各与什么因素有关？热扩散存在的问题？存在的问题？