1

第四章 半导体的高温掺杂

2

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

掺杂工艺掺杂工艺 :: 热扩散法掺杂（热扩散法掺杂（ diffusiondiffusion ） ） 离子注入法掺杂 离子注入法掺杂 (ion implant) (ion implant)

3

掺杂过程

气 / 固相扩散 离子注入或

退火

预淀积＝

优点

缺点

预淀积控制剂量

恒定剂量推进退火

离子注入 气 / 固相扩散室温掩蔽 无损伤掺杂精确剂量控制 产率高1011 ～ 1016/cm2 剂量精确的深度控制高浓度浅结形成灵活损伤位错会导致结漏电 需要长时间驱入退火，

可能获得低表面浓度沟道效应会影响杂质分布 低剂量预淀积困难注入损伤增强扩散 受到固溶度限制

4

4.1 扩散现象 扩散模型 扩散是一种物理想象，是因为分子受到热运动的驱动而使物质由浓度高的地方移向浓度低的地方。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，盐在溶液中扩散。

扩散的发生需要的条件：浓度差；

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1. 热扩散法掺杂 热扩散是最早使用也是最简单的掺杂工艺，

主要用于 Si 工艺。 利用原子在高温下的扩散运动，使杂质原

子从浓度很高的杂质源向硅中扩散并形成一定的分布。

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氧化扩散炉

7

扩散炉中的硅片•用装片机将硅片装载到石英舟上

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热扩散步骤

热扩散通常分三个步骤进行：

------ 预淀积（ predeposition ） 也称 预扩散

---- 推进（ drive in ） 也称 主扩散

---- 激活（ activation ）

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预淀积（预扩散） 预淀积 : 温度低 ( 炉温通常设为 800 到 110

0 )℃ , 时间短 , 因而扩散的很浅 , 可以认为杂质淀积在一薄层内。目的是为了控制杂质总量

即形成一层较薄但具有较高浓度的杂质层。

预淀积为整个扩散过程建立了浓度梯度。表面的杂质浓度最高 , 并随着深度的增加而减小 , 从而形成梯度。

在扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变 , 因此这是一种恒定表面源的扩散过程。

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推进（主扩散） 推进是利用预淀积所形成的表面杂质层做杂质源，在

高温下（炉温在 1000 到 1250℃ ）将这层杂质向硅体内扩散。目的为了控制表面浓度和扩散深度。

通常推进的时间较长，推进是限定表面源扩散过程。

11

激活 稍微升高温度，使杂质原子与晶格中的硅

原子键合。此过程激活了杂质原子，改变了硅的电导率。

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二维扩散（横向扩散）

一般横向扩散 (0.75~0.85)*Xj(Xj纵向结深 )

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Xj

0.75~0.85Xj

横向扩散

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(a) 间隙式扩散 (interstitial) (b) 替位式扩 (substitutional)

间隙式杂质： O, Au, Fe, Cu, Ni, Zn, Mgint ~ 0.6 – 1.2 eV

替代式杂质 P ， B ， As, Al, Ga, Sb, Geint ~ 3 – 4 eV

2 扩散原理及模型2.1 扩散分类

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替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位置Ⅲ、Ⅴ族元素

一般要在很高的温度 (950 ～ 1280℃) 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

慢扩散杂质

间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙Na 、 K、 Fe、 Cu 、 Au 等元素扩散系数要比替位式扩散大 6 ～ 7 个数量级间隙式扩散原子的激活能量要比替位扩散小快扩散杂质

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半导体中的扩散工艺是利用固体中的扩散现象，将一定种类和一定数量的杂质掺入到半导体中去，以改变半导体的电学性质

2.2 扩散模型

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1. 恒定表面源扩散：恒定源扩散过程 实际是预淀积过程

2. 有限源扩散： 有限表面源扩散 实际上是杂质的再分布（驱入）

18

19

扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变这种 类型的扩散称为恒定表面源扩散。

1. 恒定表面源扩散

其扩散后杂质浓度分布为余误差函数分布

特点：表面浓度始终保持不变

20

2 、恒定表面源扩散：表面杂质浓度恒定为 Cs

边界条件： C(x,0)=0, x0 C(0,t)=Cs

C(,t)=0

实际工艺中，这种工艺称作“预淀积扩散”。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。

解方程，得恒定扩散方程的表达式

Dt

xCtxC s

2erfc,

C(x, t) 为某处 t 时的杂质浓度Cs 为表面杂质浓度，取决于某种杂质在硅中的最大固溶度

erfc 称作“余误差函数”

21

erfc(x) = Complementary Error Function = 1 - erf(x)

余误差函数性质：

xx2

)(erf 对于 x<<1

x

xx

2exp1erf

对于 x>>1

00erf

1erf

x

duux0

2-exp2

erf

2exp2erf

xdx

xd

2

2

2

exp4erf

xxdx

xd

x

du-uxx 2exp2

erf1erfc

0

1)(erfc

dxx

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：称为特征扩散长度Dt

1 ）掺杂总量为

A 和 Cs/CB 有关D 与温度 T 是指数关系 , 因此T对结深的影响要较 t大许多

DtAC

CDtx

s

Bj

1erfc2

2 ）扩散结深为 xj ，则

Dt

xCC jsB

2erfc

0

2

2erfc Dt

Cdx

Dt

xCQ ss

23

3 ）杂质浓度梯度

Dtx

Dt

CxtxC s

4exp

, 2

梯度受到 Cs 、 t 和 D （即 T ）的影响。改变其中的某个量，可以改变梯度，如增加 Cs （ As ）。

在 p-n 结处

CB 和 Cs 一定时， xj 越深，结处的梯度越小。

s

B

s

B

j

s

xCC

CC

x

CxtxC

j

1

2

1 erfcerfcexp2,

24

表面杂质浓度不变扩散时间越长，杂质扩散距离越深，进入衬底的杂质总量越多。杂质分布满足余误差函数分布

t1 t2 t3

t1<t2<t3

CB

恒定表面源扩散的主要特点

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固溶度（ solid solubility ）：在平衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生反应形成分凝相的最大浓度。

固溶度－热力学最大浓度

超过电固溶度的杂质可能形成电中性的聚合物，对掺杂区的自由载流子不贡献

恒定表面源的扩散，其表面杂质浓度 Cs 基本由杂质在扩散温度（ 900－ 1200 C ）下的固溶度决定，而固溶度随温度变化不大。

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扩散前在硅片表面先淀积一层杂质，在整个过程中，这层杂质作为扩散源，不再有新源补充，杂质总量不再变化 , 杂质来自扩散前表面淀

积的一薄层中的杂质原子。这种类型的扩散称为有限表面源扩散

其扩散后杂质浓度分布为高斯函数分布

2. 有限表面源扩散

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3 、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： 00, xC

边界条件： 0, tC

0

, TQdxtxC

得到高斯分布

Dt

x

Dt

QtxC T

4exp,

2

hx

sCxC 0, hx

Cs

28

DtADtC

QDt

C

CDtx

B

T

B

sj

ln2

ln2

2 ）扩散结深

1 ）表面浓度 Cs 随时间而减少

Dt

QtCC T

S ,0

3 ）浓度梯度

txCDtx

xtxC

,2

,

在 p－ n 结处

B

s

j

B

x C

CxC

xtxC

j

ln2,

浓度梯度随着扩散深度（结深）增加而下降

A 随时间变化

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杂质总量保持不变扩散时间越长，扩散越深，表面浓度越低。扩散时间相同时，扩散温度越高，表面浓度下降越多杂质分布满足高斯函数分布

有限表面源扩散的主要特点

t1 t2 t3

t1<t2<t3

CB

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余误差函数分布（ erfc ）表面浓度恒定

杂质总量增加

扩散深度增加

高斯函数分布（ Gaussian）表面浓度下降 (1/t )

杂质总量恒定

结深增加

关键参数 Cs （表面浓度） xj （结深） Rs （薄层电阻）

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二步扩散第一步 为恒定表面源扩散 (称为预沉积或预扩散 )控制掺入的杂质总量

第二步 为有限表面源扩散 (称为主扩散或再分布 )

控制扩散深度和表面浓度

11

12tD

CQ

22

111

22

2

2

tD

tDC

tD

QC

32

一、液态源扩散 二、固态源扩散

4.3 扩散方法

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一、 液态源扩散

液态源扩散是指杂质源为液态，保护性气体把杂质源蒸汽携带入石英管内，杂质在高温下分解，并与衬底表面的硅原子发生反应释放出杂质原子，然后以原子的形式进入硅片内部，从而形成 PN 结。

34

35

杂质源为硼酸三甲酯，硼酸三丙酯，三溴化硼 硼酸三甲酯在 500℃ 以上分解 B(OCH3)3B2O3+CO2+H2O+… 三氧化二硼在 900 ℃左右与硅反应生成硼原子，

淀积在硅片表面 2B2O3 ＋ 3Si3SiO2+4B

1. 液态源硼扩散

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液态源扩散－－常用 POCl3 ，在氮气携带下（加入少量氧气），把杂质源通入石英管内

4POCl3 ＋ 3O2 ==2P2O5 ＋ 6Cl2

2P2O5＋ 5Si =5Si O2＋ 4P

2. 液态源磷扩散

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二、 固态源扩散

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4.3 扩散层参数测量 扩散参数测量主要指扩散薄层电阻、扩散结深的测量

1. 方块电阻定义：如果扩散薄层为一正方形，其长度（边长）都等于 L,厚度就是扩散薄层的深度（结深），在单位方块中，电流从一侧面流向另一侧面所呈现的电阻值，就称为薄层电阻，又称方块电阻，单位是 /□

4.3.1 扩散薄层电阻•又称方块电阻，数值反应出硅中所掺杂质总量。

故扩散结束后要测量此参数

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指一个正方形的薄膜导电材料边到边“之”间的电阻，如图所示

根据R＝ ρL/S ，得 RS= ρL/Lxj= ρ/xj

方块电阻与方块的尺寸无关 ,仅与扩散结深 ( 扩散薄层的深度 : 扩散形成的 pn 结的深度 )xj及杂质浓度有关

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2. 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 = 杂质浓度 n = 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

1 1

q n

1

q nR x x

q N x q Qs j j

j

_ _

_ _ _/ /11 1

方块电阻越小 ,掺杂的杂质总量越大 ;

方块电阻越大 ,掺杂的杂质总量越小

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2. 方块电阻测量

四探针法测量原理图

当１、２、３、４四根金属探针排成一直线时，并以一定压力压在半导体材料上，在１、４两处探针间通过电流 I ，称为电流探针，由稳压电源供电。2 和 3称为电位探针，测量这两个探针之间的电位差

一般用四探针法测出方块电阻 Rs (sheet Resistance),通过它可判断扩散浓度的大小。

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CI

VR材料电阻

式中： S1 、 S2 、 S3 分别为探针１与２，２与３，３与４之间距，用 cm 为单位时的值若电流取 I = C 时，则 R ＝ V ，可由数字电压表直接读出

1 2 1 2 2 3

20π1 1 1 1

C

S S S S S S

探针系数 （可由表查得）

(1)

(2)

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1. 结深的定义 xj : 当 x = xj 处 Cnx( 扩散杂质浓度 ) = Cb (本体浓度 )

4.3.2 结深 (xj)计算和测量 扩散结深是一个重要指标 , 可以计算 , 也可以测量

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•2. 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 NB

• 2 、表面杂质浓度 Ns• 3 、扩散时间 t• 4 、扩散系数 DD 与 T 有关， T 上升 10C D 上升 1倍

恒定源扩散

有限源扩散

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扩散常用杂质源

杂质 杂质源 化学名称

Arsenic (As) AsH3 砷烷 (gas)

Phosphorus (P) PH3 磷烷(gas)

Phosphorus (P) POCl3 三氯氧磷 (liquid)

Boron (B) B2H6 乙硼烷 (gas)

Boron (B) BF3 三氟化硼 (gas)

Boron (B) BBr3 三溴化硼 (liquid)

Antimony (Sb) SbCl5 五氯化锑 (solid)

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扩散制程的缺点 它不能很好的控制掺杂浓度和结面深度。 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，即产生横向扩散。当使用较小的图形尺寸时，扩散掺杂会造成相邻接面短路。

因此，当离子注入法在 70年代中期被引入后，迅速的取代了扩散制程。

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第四章复习 扩散 diffusion 掺杂的两种方法是？ 扩散的三个步骤及每步的作用？ 2 个扩散模型及特点？扩散的分类及特点？ 扩散的 2 个参数？各与什么因素有关？热扩散存在的问题？