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,kjkjkhjk,精选课件,*,第,6,章 扩散,精选课件,第6章 扩散精选课件,概述,扩散工艺,扩散方程,扩散分布,扩散工艺质量检测,精选课件,概述精选课件,在,lC,制造中主要采用,扩散法,和,离子注入法,。,高浓度深结掺杂采用,热扩散法,，浅结高精度掺杂用,离子注入法,。,一、,概述,1,、掺杂和扩散,1,）,掺杂,(Doping),用人为的方法,将所需杂质,按要求的浓度和分布,掺入到半导体,材料中,，达到改变材料的电学性质、形成半导体器件结构的,目的，称之为“,掺杂,。,2,）,掺杂的方法,合金法、扩散法、离子注入法。,3,）常用的,掺杂杂质,P(,磷,),、,B(,硼,),、,As(,砷,),、,Sb(,锑,),精选课件,在lC制造中主要采用扩散法和离子注入法。一、概述1、,3,）形成场效应晶体管中的,漏区,和,源区,扩散工艺在,IC,制造中的主要用途：,1,）形成硅中的,扩散层电阻,2,）形成双极型晶体管的,基区,和,发射区,精选课件,3）形成场效应晶体管中的漏区和源区扩散工艺在IC制造中的主要,1,）,扩散运动,：物质的随机热运动，趋向于,降低其浓度梯度,；,即存在一个从高浓度区向低浓度区的,净移动,。,2,）,扩散工艺,：利用杂质的扩散运动，将所需要的杂质掺入硅,衬底中，并使其具有特定的浓度分布。,3,）研究杂质在硅中的扩散运动规律的,目的,：,二、扩散工艺,开发合适的扩散工艺，预测和控制杂质浓度分布。,研究,IC,制造过程中其他工艺步骤引入的扩散过程,对杂质分布和器件电特性的影响。,精选课件,1）扩散运动：物质的随机热运动，趋向于降低其浓度梯度；二、扩,(1),气态源：,AsH,3,，,PH,3,，,B,2,H,6,(2),固态源：,1,、目前的,扩散工艺,已基本被,离子注入,取代，只有在进行,重掺,杂,时还用扩散工艺进行。,2,、,扩散工艺的,分类,主要取决于,杂质源的形态,，常见的杂质源,形态包括：,单磷酸铵,(NH,4,H,2,PO,4,),砷酸铝,(AlAsO,4,),精选课件,(1)气态源：AsH3，PH3，B2H61、目前的扩散,硼源：,BBr,3,(,沸点,90),磷源：,POCl,3,(,沸点,107),(3),液态源,精选课件,硼源：BBr3(沸点90)(3)液态源精选课件,防止引入污染,工艺参数控制：,温度分布、气流量和排片方式、片间距等,工艺控制手段,：前馈方式,(,试片,),、使用假片,3,、扩散设备类似于氧化炉管。,4,、扩散工艺的控制要点：,精选课件,防止引入污染3、扩散设备类似于氧化炉管。4、扩散工艺的,精选课件,精选课件,(2),填隙式扩散,两种基本扩散机制：,(1),替代式扩散,三、扩散方程,精选课件,(2)填隙式扩散两种基本扩散机制：(1)替代式扩散 三,（一）费克一维扩散方程,描述扩散运动的基本方程,费克第一定律,其中，,C,是杂质浓度，,D,是扩散率,(,扩散系数,),，,F,是杂质净流量,根据,物质守恒定律,，杂质浓度随时间的变化率与扩散流量的减小相等，即：,精选课件,（一）费克一维扩散方程描述扩散运动的基本方程费克第一定律,上式被称为,费克扩散方程,代入式,3,，得到,费克第二定律,假设,D,与位置无关,，可简化为：,精选课件,上式被称为费克扩散方程代入式3，得到费克第二定律假设D与位置,硅中杂质的扩散率曲线,(,低浓度本征扩散,),：,精选课件,硅中杂质的扩散率曲线(低浓度本征扩散)：精选课件,替代式,扩散需要的激活能比,填隙式,的,大,扩散系数：,其中，,E,a,为,激活能,；,D,0,是一个与温度无关的,系数,，取决于晶格结构和振动频率。,(,cm,2,/s,),精选课件,替代式扩散需要的激活能比填隙式的大 扩散系数：,“,固溶度,”：平衡态下杂质可溶于半导体材料的最高浓度，与温度有关。,四、扩散分布,在任何大于零的时刻，,表面的杂质浓度固定,此时扩散方程的解为：,C,s,是固定的,表面杂质浓度,(,/cm,3,),恒定表面源,(,浓度,),扩散,又被称为,预淀积扩散,；在实际工艺中，,Cs,的值一般都是杂质在硅中的,固溶度,。,被称为,特征扩散长度,；,1,）,第一种边界条件：,(,恒定源扩散,),精选课件,“固溶度”：平衡态下杂质可溶于半导体材料的最高浓度，与温度有,由,(1),掺入硅中的,杂质总量,(,剂量，,/cm,2,),随扩散时间变化：,假设,衬底杂质浓度,为,C,B,，扩散杂质与衬底杂质反型,讨论,恒定源扩散,(2),计算扩散形成的,PN,结结深,：,精选课件,由(1)掺入硅中的杂质总量(剂量，/cm2)随扩散时间,精选课件,精选课件,这是一个中心在,x=0,处的,高斯分布,2,）,第二种边界条件,：,(,有限源扩散,),此时扩散方程的解为：,扩散过程中初始的,杂质总量,S,是固定的,精选课件,这是一个中心在x=0处的高斯分布2）第二种边界条件：(有限,由,(1),硅,表面的杂质浓度,(/cm,3,),随扩散时间延长而降低：,如果,衬底杂质浓度为,C,B,，扩散杂质与衬底杂质反型，,讨论,有限源扩散,(2),计算扩散形成的,PN,结结深,：,精选课件,由(1)硅表面的杂质浓度(/cm3)随扩散时间延长而降,第二步：主扩散,3,）实际扩散工艺,(1),先进行恒定表面源的,预淀积扩散,(,温度低，时间短,),，,扩散很浅，目的是,控制,进入硅片的,杂质总量,；,(2),以预扩散杂质分布作为掺杂源再进行有限表面源的,再分布扩散,，又称主扩散，通过控制扩散温度和时间以获得预期的 表面,浓度,和,结深,（分布）。,为获得足够浅的预淀积分布，也可改用,离子注入方法,取代预扩散步骤。,第一步：预淀积扩散,“,恒定源,”,+,“,有限源,”的两步扩散法,精选课件,第二步：主扩散3）实际扩散工艺(1)先进行恒定表面源的预,2,、主要的检测项目：,五、扩散工艺质量检测,获取作为,深度,和,横向位置函数,的,杂质浓度,(,杂质分布,),1,、目的：,精选课件,2、主要的检测项目：五、扩散工艺质量检测获取作为深度和横向位,扩散工艺是重要的掺杂技术之一，,扩散过程,决定了,杂,质,在硅中的,浓度和分布,一维扩散的,费克定律,是理解杂质在半导体中扩散过程的,重要理论,常用的,扩散方法,：,恒定源扩散,+,有限源扩散,的两步扩散,法,(,用公式计算扩散后杂质分布和结深,),扩散工艺的,质量检测,小结：,精选课件,扩散工艺是重要的掺杂技术之一，扩散过程决定了杂小结：精,