Transcript 第三章扩散（part2）. - 微电子学院微电子实验教学中心

第三章 扩 散
主
讲：毛
维
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西安电子科技大学微电子学院
3.4 影响杂质分布的其他因素
3.4.1 硅中的点缺陷
缺陷：任何对周期晶格形成扰动都称为“缺陷”。
①面缺陷：层错、多晶的晶粒间界等；
②线缺陷：位错等；
③点缺陷：杂质原子产生的缺陷，如空位、间隙、间隙
原子团。
 空位缺陷：晶格上缺失一个Si原子。主要包括4种：
①中性空位V0 ②带一个负电荷的空位V- ③带两个负电
荷的空位V-2 ④带一个正电荷的空位V+

图3.13 硅中空位的能带图
3.4 影响杂质分布的其他因素
3.4.2 扩散系数与杂质浓度的关系
实验证明：
① 当N<ni,D与N无关，称为本征扩散系数（Di）；
② 当N>ni,D与N有关，称为非本证扩散系数（De）。
 扩散系数与空位浓度成正比
 空位浓度与掺杂浓度的关系：
①V0与N无关 ；②高掺杂施主可使V-和V-2浓度增加；
③高掺杂受主可使V+浓度增加。
 各种空位以不同方式与离化的掺杂原子相互作用，从
而具有不同的ΔE(激活能)和D。

3.4 影响杂质分布的其他因素

总的扩散系数
①低掺杂（本征扩散系数）
Di= Di0+ Di++ Di-+ Di2②高掺杂（非本征扩散系数）
De= Di0+ Di+(p/ni)+ Di-(n/ni)+ Di2-(n/ni)2
ni-本征载流子浓度；p-空穴浓度；n-电子浓度
引自李乃平《微电子器件工艺》
3.4 影响杂质分布的其他因素
3.4.3 氧化增强扩散（OED）

实验结果：P、B、As等在氧化气氛中的扩散增强。
3.4 影响杂质分布的其他因素
3.4.3 氧化增强扩散（OED）



氧化增强机理——存在替位-间隙交替的双扩散：
在氧化过程中，Si-SiO2 界面产生的大量间隙Si与
替位B、P等相互作用，使替位B、P变为间隙B、P；
间隙B、P在近邻晶格有空位时以替位方式扩散，无空
位时以间隙方式扩散；B、P的间隙扩散作用更强；
因此，其扩散速度比单纯替位方式快。
Sb的氧化扩散是减弱的：Sb是替位扩散为主，间隙Si
与空位复合，减小了空位浓度。
As氧化增强低于B、P：替位-间隙两种扩散作用相
当。
B、P的扩散系数与晶向、气氛的关系
3.4 影响杂质分布的其他因素
3.4.4 发射区推进（陷落）效应
 实验现象：NPN 管的工艺中，发射区下方的内基区B
的扩散深度大于发射区(P扩散形成)外的基区扩散深
度。
 推进（陷落）机理：
① P+ + V-2 → P+V-2
P+V-2 → P+ + V- + e
大量过饱和V-扩散相当远，深入基区，增强了B
的扩散速度；
② P+V-2的分解导致大量的间隙Si，也增强了B扩散。
npn晶体管硼和磷分布的计算结果与实测结果
3.4 影响杂质分布的其他因素
3.4.5 二维扩散（横向扩散）
实际扩散：杂质在垂直Si表面扩散的同时，也进行平
行Si表面的横向扩散。
 横向扩散深度:
①当硅内的浓度比Ns小两
个数量级，为纵向扩散的
75%-85%。
②高浓度掺杂，则为
纵向扩散的65%- 70%。

3.4 影响杂质分布的其他因素

横向扩散的影响
①横向穿通效应；
②影响结电容。
3.5 扩散工艺


按扩散系统：开管、闭管、箱法；
按杂质源：固态，液态，气态；
：
3.5 扩散工艺
3.5.1 固态源扩散
 组成：主要是掺杂元素的氧化物，如B2O3、P2O5、BN
 形态：片状、粉状、乳胶状、薄膜（掺杂的多晶硅）
 扩散方式：
①开管: 片状和粉状，与Si平分开，不接触。
②箱法：杂质源和Si片放在有盖的石英箱里。
特点：恒定表面源扩散，即NS=NSi；兼有开管和闭管的优
点。
③涂源法：将掺有扩散杂质的乳胶源旋涂在Si片上。
特点：适于各种扩散杂质。
④薄膜法：用CVD方法先在Si片上淀积一层含扩散杂质的薄
膜，如SiO2、Poly-Si、Si3N4。
特点：工艺灵活。
3.5 扩散工艺
3.5.2 液态源扩散
 掺杂源：液态化合物，如POCl3、PCl3、AsCl3等。
 方法：通过携带气体（N2）进入扩散炉；
 特点：掺杂量控制精确，均匀性、重复性好。
3.5.3 气态源扩散
 掺杂源：气态化合物，如PH3、AsH3、B2H6、BCl等；
毒性较大，需用N2、Ar2稀释到1%-2%。
 特点：相比液态源扩散，操作更方便。
3.5 扩散工艺
3.5.4 杂质源
1. B掺杂源
固态：粉状B2O3 、BN；陶瓷片BN、 B2O3+SiO2+Al2O3

BN+O2→ B2O3+N2
B2O3+Si →B+SiO2
B2O3+SiO2 →BSG（硼硅玻璃）
B2O3的性质：无色粉末、熔点577℃，沸点1860℃，
能溶于酸和醇。
3.5 扩散工艺
2. P掺杂源
①固态：粉状P2O5；陶瓷片 P3N5、Si·P2O7+Al（PO3）3

P3N5 +O2→ P2O5+N2

P2O5+Si →P+SiO2；

P2O5+SiO2 →PSG（磷硅玻璃）
②液态：POCl3、PCl5、PBr3、P（CH3O）3。
 高温（> 600℃）下，POCl3 → P2O5+PCl5
PCl5 +O2→ P2O5+Cl2
 P2O5的性质：白色粉末，熔点420 ℃，300 ℃升华，
吸水性强。
3.5 扩散工艺
电炉
石英管
硅晶片
N2
液态杂质源
排气口
电炉
O2
3.6 扩散工艺的发展

自学
3.7 扩散层的质量参数
包括：结深xJ ，方块电阻R□(RS) ，表面浓度 NS,
击穿电压BV等。
①结深xj
 定义：pn结的几何位置与扩散层表面的距离。
 对erfc分布和高斯分布，其结深近似有相同的表达
式：
x j  A Dt
3.7 扩散层的质量参数
影响xj的工艺因素：
1、扩散温度T
扩散系数D对结深的影响就体现在扩散温度T的影响
上，对替位式扩散来说（制结的掺杂扩散是替位扩
散），D＝D0e-ΔE/kT，则

xj  D  e
 E / 2 kT
可见，温度对结深的影响是很大的。精确地控制扩
散温度（炉温）是搞好扩散工艺的关键之一。
3.7 扩散层的质量参数
2、扩散时间t
在实际工艺中：
xj  t
对两步扩散，主要是通过时间控制结深。对于浅
结（几十μm以下），t 的控制十分有效（灵敏）；但
对于深结（100 μm以上）则十分不灵敏（浓度梯度已
经下降的很多），多一两个小时起不到什么作用。
 可以采用升高T的方法，对深结可用1260 ℃，但注意
1260℃是高温扩散的可用温度上限，再高，Si片、石
英管就要软化变形；
 可以选扩散系数大的杂质源，可将B换为Al。
3.7 扩散层的质量参数
3、系数A
对余误差分布来说
 NB 

A  2erfc 
 Ns 
对高斯分布来说
 Ns 

A  2 ln
 NB 
1
设K=Ns/NB ，即表面浓度与结面浓度之比。Ns 越高、
NB 越低，扩散就越快。但是Ns 是受制约的（设计要
求）。K的范围在10-108，则A=3-9之间。
3.7 扩散层的质量参数

结深的测量
a.磨角染色法：
X j  a sin  a 
aL
2a  b
b.滚槽染色法：
1 a 2
 1 b 2
X j  R 1  ( )  [ 1  ( ) ]
2 R
 2 R
1 a 2  b 2 xy xy



2 R
2R D
结深的测量方法
磨角染色法
滚槽染色法
3.7 扩散层的质量参数
②方块电阻R□(Rs)
定义:结深为Xj的一个正方形扩散层的薄层电阻,即
l

R 
 （ / ）
lXj Xj
∵扩散层存在浓度分布梯度，ρ应由

1
1
∴ R 


X j X j  q Q
R 

Xj

1
1

X j  q Q

代替
式中，ρ—电阻率，q—电子电量，  —载流子平均迁移率，
Q—杂质总量。
3.7 扩散层的质量参数
② 扩散层的方块电阻 Rs（R□）
定义：结深为xj，长宽相等的一个扩散薄层的电阻（设平均电
阻率为  ) ，就是该扩散层的方块电阻（或称为薄层电
阻）。
l
l
I
xj
R¡õ  
l

1


l  xj
xj
x j
R□的单位是Ω/□
其中   1/  为扩散层的平均电导率。
3.7 扩散层的质量参数
物理意义：
若衬底中原有杂质浓度分布为NB(x)，而扩散杂质的浓
度分布为N(x)，则扩散层中的有效杂质浓度分布为
Ne(x)= N(x) －NB(x)
l
（这是因为杂质补偿的原因）
l
Ne(x)
Ne(x)=0
NB(x)
xj
x
3.7 扩散层的质量参数
在xj处， Ne(x)=0；又若杂质是全部电离的，则载流子浓度的
分布也是Ne(x)，于是该扩散层的电导率的分布为
σ(x)= Ne(x)qμ
式中q 为电子电荷； μ 为载流子迁移率；而平均电导率可表示为：
1

xj

xj
0
1
 ( x)dx 
xj

xj
0
Ne ( x)qdx
1
1
R¡õ 
 xj
x j q N ( x) dx
 e
0
3.7 扩散层的质量参数
如果μ为常数（即μ与坐标x无关），则
R¡õ 
1
xj
q  N e ( x)dx
0
xj
式中的积分 0 Ne ( x)dx ，显然是代表从单位面积表面扩散
到xj处的有效杂质总量；而
1
xj

xj
0
Ne ( x)dx  N e
即代表扩散层中的平均掺杂浓度。进而如果衬底中原有的杂
质浓度很低，近似有Ne(x)= N(x)，则
3.7 扩散层的质量参数

xj
0
xj
Ne ( x)dx   N ( x)dx  Q
0
1
R¡õ 
qQ
这里Q是单位面积的扩散杂质总量。因此R□的大小反映
了扩散到体内的杂质总量的多少。杂质总量Q越大， R□
就越小。

实际R□会发生变化（分凝效应、蒸发）
3.7 扩散层的质量参数
R□—NS的关系

对恒定表面浓度的扩散（余误差分布），因为
1
1
1
R¡õ 


Dt
Q  2Ns
 Ns x j
qQ
Ns x j
Dt
2q  N s


故随着扩散的进行．结深xj不断增大，而R□则不断减小。

对有限源的扩散（高斯分布），因有
1
1
R¡õ 

Q  N s  Dt
qQ q N s  Dt
1
R¡õ 
Ns x j
1
Ns 

R¡õ x j
3.7 扩散层的质量参数
R□ (RS)的测量—四探针法
V
RS  C
I
V—内探针间电压
I—外探针间电流
C—修正因子，与Si片大小、
形状等有关（见后表）。
  的测量—霍尔效应