哈工大微电子工艺3掺杂工艺

哈工大微电子工艺 掺杂工艺

微电子工艺(3)--定域掺杂工艺田丽

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第3章 扩散

扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺， 在900-1200℃的高温，杂质(非杂质)气 氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散， 又称热扩散。目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导 体导电类型，电阻率，或形成PN结。2

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内容

3.1 杂质扩散机构3.2 扩散系数与扩散方程 3.3 扩散杂质的分布 3.4 影响杂质分布的其他因素 3.5 设备与工艺 3.6 扩散工艺的发展3

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3.1 杂质扩散机构

扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对 零度时，任何物系内的质点都在作热运动。 当物质内有梯度(化学位、浓度、应力梯度等)存在时， 由于热运动而触发(导致)的质点定向迁移即所谓的扩 散。因此，扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质 的定向迁移。

扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式，结 果使其浓度趋于均匀。

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扩散的微观机制(a) 间隙式扩散(interstitial) (b) 替位式扩散(substitutional)

间隙扩散杂质：O, Au,Fe,Cu,Ni, Zn,Mg

B,P,一般作为替代式扩 散杂质，实际情况更复杂， 包含了硅自间隙原子的作 用，称填隙式或推填式扩 替位扩散杂质：As, Al,Ga, 散 Sb,Ge。 替位原子的运动一般是以近邻 处有空位为前题 5

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固相扩散工艺

微电子工艺中的扩散，是杂质在晶体内的扩散， 是固相扩散工艺。固相扩散是通过微观粒子一系列随机跳跃来实 现的，这些跳跃在整个三维方向进行，主要有 三种方式 间隙式扩散 替位式扩散 间隙—替位式扩散6

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间隙式扩散

Wi=0.61.2eV

间隙原子扩散势场示意图7

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跳跃率

Pi

按照玻尔兹曼统计规律，获得大于能过Wi的几率正比 于exp(-Wi/kT)

P v0e i

Wi / kT

k:玻尔兹曼常数 kT:平均振动能，0.026eV υ0:振动频率，1013-1014/s

室温下，Pi 约每分钟一次。8

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替位式扩散

空位浓度

n Ne Wv / kT

Pv v0 e (Wν Ws )/kT Wv Ws 3 4eV

Ws

α

产生替位式扩散必需存在空位。 晶体中空位平衡浓度相当低， 室温下，替位式扩散跳跃率约每1045年一次。9

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间隙-替位式扩散

许多杂质即可以是替位式也可以 是间隙式溶于晶体的晶格中，并 以间隙-替位式扩散。这类扩散杂质的跳跃率随空位和 自间隙等缺陷的浓度增加而迅速 增加。10

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间隙-替位式扩散A+I Ai

杂质原子被从晶 格位置“踢出”(Kick-out)

AV

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3.2 扩散系数与扩散方程Fick第一扩散定律

晶体衬底中杂质扩散流密度与杂质浓度 梯度成正比。比例系数D定义为杂质在衬 底中的扩散系数。

C( x, t ) J D x12

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一、 Fick第一定律 稳定扩散：

扩散质点浓度不随时间变化 推动力： 浓度梯度 C J 、 x x C J 0、 0 t x

描述： 在扩散过程中，体系内部各处扩散质点的浓度

不随时间变化，在x方向各处扩散流量相等。定律含义： 单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面

积上扩散的物质数量和浓度梯度成正比。13

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扩散过程中溶质原子的分布14

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表达式： =-D C J xJ 扩散通量，单位时间通过单位截面的质点数(质点数/s.cm2) D 扩散系数，单位浓度梯度的扩散通量 (m2/s 或 cm2/s) C 质点数/cm3 “-” 表示粒子从高浓度向低浓度扩散，即逆浓度梯度方向扩散

C x

浓度梯度(矢量)

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C J=-D x

此式表明：

(1) 扩散速率取决于 外界条件 C/ x 扩散体系的性质 D

(2)扩散系数D可作为表征扩散的一个参量。它不仅与扩散机构，也与扩散介 质和外部条件(单位浓度梯度、单位截面、单位时间通过的质点数)有关。D取决于 质点本身的性质： 半径、电荷、极化性能等

基质： 结构紧密程度， 缺陷的多少扩散系数是物质的一个物性指标

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扩散系数(以替位式推导) a a J aC x ,t ÷v aC x ,t ÷v P P 2 2 C(x,t) 2 a Pv x D a 2 Pv (cm2/s)

a aC x ,t Pv 2

D a 2 v0 exp [ (ws wv )/kT] D0 exp ( ΔE/kT)

a aC x ,t Pv 2

D0为表观扩散系数 ΔE为扩散激活能17

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Si中杂质类型间隙式杂质 主要是ⅠA和ⅧA族元素，有：Na、 K、Li、H等，它们通常无电活性，在硅中以间 隙方式扩散，扩散速率快。 替位式杂质 主要是ⅢA和ⅤA族元素，具有电 活性，在硅中有较高的固浓度。以替位方式扩散 为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散速率慢， 称为慢扩散杂质。 间隙—替位式杂质 大多数过渡元素：Au、Fe、 Cu、Pt、Ni、Ag等。都以间隙-替位方式扩散， 约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和 替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位 于替位的杂质具有电活性。 18

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根据杂质在晶体中的扩散系数分 快扩散杂质：H,Li, Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, 慢扩散杂质：Al,P,B,Ga, Tl, Sb,As 在高温工艺中，如扩散、外延，掺杂元素的 扩散系数小些好

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扩散系数

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菲克第二定律 当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改 变时，利用第一定律不容易求出。 通常的扩散过程大都是非稳态扩散，为便 于求出，还要从物质的平衡关系着手，建立第 二个微分方程式。

讨论晶体中杂质浓度与扩散时 间的关系，又称第二Fick定律。21

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