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合金法、扩散法、离子注入法。 合金法、扩散法、离子注入法。
在lC制造中主要采用扩散法和离子注入法。 lC制造中主要采用扩散法和离子注入法。 制造中主要采用扩散法 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 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。 热扩散法， 离子注入法。 P (磷)、B(硼)、 As(砷)、Sb(锑) (磷 B(硼 As(砷 Sb(锑
4、费克第二定律的分析解 费克第二定律的分析解
费克简单扩散方程 2）第二种边界条件： (推进扩散) 第二种边界条件： 推进扩散) 扩散过程中初始的杂质总量 扩散过程中初始的杂质总量QJ是固定的 杂质总量Q 假设扩散长度远远大于初始杂质分布的深度 假设扩散长度远远大于初始杂质分布的深度，则初始分 扩散长度远远大于初始杂质分布的深度， 布可近似为一个δ 函数，边界条件可写为： 布可近似为一个δ 函数，边界条件可写为：
（一）费克一维扩散方程
描述扩散运动的基本方程一费克第一定律 描述扩散运动的基本方程一费克第一定律
其中，C是杂质浓度，D是扩散率(扩散系数)，J是杂质净流量 其中， 是杂质浓度， 是扩散率(扩散系数)
根据物质守恒定律 根据物质守恒定律，杂质浓度随时间的变化率与当地扩散 物质守恒定律， 流量的减小相等， 流量的减小相等，即：
（二）扩散率D 与扩散的原子模型 扩散率D
1、根据杂质在半导体材料晶格中所处的位置， 根据杂质在半导体材料晶格中所处的位置， 可将杂质分为两类 可将杂质分为两类： 两类： (1) 替位型杂质 (2) 填隙型杂质
2、杂质扩散机制
(1) 填隙扩散(Interstitial Diffusion Mechanism) 填隙扩散(Interstitial
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如果必须考虑带电空位的扩散率 如果必须考虑带电空位的扩散率，则扩散率就是位置的函 考虑带电空位的扩散率， 数，因而费克第二定律方程必须采用数值方法来求解。 因而费克第二定律方程必须采用数值方法来求解。 费克第二定律方程必须采用数值方法来求解
4、费克第二定律的分析解 费克第二定律的分析解
费克简单扩散方程 1） 第一种边界条件：(预淀积扩散) 第一种边界条件： 预淀积扩散) 在任何大于零的时刻，表面的杂质浓度固定 在任何大于零的时刻，
2、杂质扩散机制
(4) 推填隙式扩散(Interstitialcy Diffusion Mechanism) 推填隙式扩散(Interstitialcy 本体原子 杂质原子 扩散过程： 扩散过程：
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替位式杂质原子被自填隙本体原子推到填隙位置； 替位式杂质原子被自填隙本体原子推到填隙位置； 自填隙本体原子推到填隙位置 杂质原子占据另一个晶格位置， 杂质原子占据另一个晶格位置，该晶格位置上的本体原子 被移开并成为自填隙原子。 被移开并成为自填隙原子。 注意：只有存在空位扩散时，才能发生推填隙扩散。 空位扩散时 才能发生推填隙扩散。 注意：只有存在空位扩散
“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。 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。
讨论
预淀积扩散
(1) 掺入硅中的杂质总量(剂量，/cm2)随扩散时间变化： 掺入硅中的杂质总量 剂量， 杂质总量( 随扩散时间变化：
(2) 计算扩散形成的PN结结深： 计算扩散形成的PN结结深 结结深： 假设衬底杂质浓度 假设衬底杂质浓度为CB，扩散杂质与衬底杂质反型 衬底杂质浓度为 由
本体原子 杂质原子
不需要自填隙本体原子来推动扩散过程的进行
3、Fair空位模型： Fair空位模型 空位模型：
建立在空位扩散 建立在空位扩散机制的基础上 空位扩散机制的基础上
1）“空位电荷"：中性空位俘获电子，使其带负电；中性空位 空位电荷" 中性空位俘获电子，使其带负电 负电； 的邻位原子失去电子，可使空位带正电。 正电。 的邻位原子失去电子，可使空位带正电 2）空位模型：总扩散率是所有荷电状态的空位的扩散率的加权 空位模型： 总和，加权系数是这些空位存在的概率。 总和，加权系数是这些空位存在的概率。 带电空位的数量 总扩散率表达式： 总扩散率表达式：
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 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 将所需杂质按要求的浓度和分布 材料中，达到改变材料的电学性质、 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 "。 目的，称之为“ 2）掺杂的方法
3）实际扩散工艺
“预淀积扩散”+“推进扩散”的两步扩散法 预淀积扩散” 推进扩散”
(1) 先进行恒定表面源的预淀积扩散(温度低，时间短)， 先进行恒定表面源的预淀积扩散 温度低，时间短) 预淀积扩散( 扩散很浅，目的是控制进入硅片的杂质总量； 扩散很浅，目的是控制进入硅片的杂质总量 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推进扩 以预扩散杂质分布作为掺杂源再进行有限表面源的推进扩 散，又称主扩散，通过控制扩散温度和时间以获得预期的 又称主扩散， 表面浓度 结深（分布）。 表面浓度和结深（分布）。 浓度和
1、横向扩散：杂质在纵向扩散的同时，也进行横向的扩散 横向扩散：杂质在纵向扩散的同时，也进行横向 纵向扩散的同时 横向的扩散
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一般横向扩散长度是纵向扩散深度的 一般横向扩散长度是纵向扩散深度的0.75 - 0.85； 纵向扩散深度的0.75 0.85； 横向扩散的存在影响 集成度 也影响PN结电容 横向扩散的存在影响IC集成度，也影响PN结电容。 的存在影响IC集成度， 结电容。
第二章 扩散工艺 (Diffusion process)
扩散工艺(Diffusion 扩散工艺(Diffusion process)
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概述 扩散原理(模型与公式) 扩散原理(模型与公式) 实际扩散分布的分析 扩散工艺和设备 扩散工艺质量检测
参考资料： 《微电子制造科学原理与工程技术》第3章扩散 微电子制造科学原理与工程技术》 参考资料： (电子讲稿中出现的图号是该书中的图号) 电子讲稿中出现的图号是该书中的图号)
假设推进扩散的扩散系数为D 时间为t 则上式可改写为： 假设推进扩散的扩散系数为D2，时间为t2，则上式可改写为：
注意
只有当 成立时， 成立时，
两步扩散中推进扩散 边界条件才能成立。 两步扩散中推进扩散的边界条件才能成立。 推进扩散的 才能成立
三、实际扩散分布的分析(与理论的偏差) 实际扩散分布的分析(与理论的偏差)
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。 离子注入方法取代预扩散步骤 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 第一步：
第二步：推进扩散 第二步：
5、计算两步扩散法的杂质分布
1）预淀积扩散(恒定表面浓度Cs)： 预淀积扩散(恒定表面浓度Cs)： 边界条件： 边界条件： 扩散后杂质浓度分布： 扩散后杂质浓度分布：
3）常用的掺杂杂质 常用的掺杂杂质
2、扩散工艺在IC制造中的主要用途： 扩散工艺在IC制造中的主要用途 制造中的主要用途：
1）形成硅中的扩散层电阻 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 形成双极型晶体管的基区 基区和 3）形成MOSFET中的漏区和源区 形成MOSFET中的漏区和 中的漏区
2、杂质扩散机制
(5) 挤出式扩散(Kick-out Diffusion Mechanism)与 挤出式扩散(KickMechanism) Frank-Turnbull式扩散 FrankFrank-Turnbull式扩散(Frank-Turnbull Diffusion Mechanism) 式扩散( Mechanism)
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硅中杂质的扩散率曲线(低浓度本征扩散) 硅中杂质的扩散率曲线(低浓度本征扩散)：
■ 中性空位的扩散率： 中性空位的扩散率 的扩散率：
其中，E0a是中性空位的激活能(eV)； 激活能(eV)； 其中， 是中性空位的激活能
D00是一个与温度无关的系数，取决于晶格结构和振动频率。(cm2/s) 是一个与温度无关的系数 取决于晶格结构和振动频率。 系数， /s)
扩散后杂质总量为： 扩散后杂质总量为：
假设预淀积扩散的扩散系数为D 时间为t 则上式可改写为： 假设预淀积扩散的扩散系数为D1，时间为t1，Байду номын сангаас上式可改写为： 预淀积扩散的扩散系数为
5、计算两步扩散法的杂质分布
2）推进扩散(有限表面源QT)： 推进扩散(有限表面源Q 边界条件： 边界条件：
扩散后杂质浓度分布： 扩散后杂质浓度分布：
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开发合适的扩散工艺，预测和控制杂质浓度分布。 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 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。 对杂质分布和器件电特性的影响。
二、扩散原理(模型与公式) 扩散原理(模型与公式)
此时扩散方程的解为： 此时扩散方程的解为： 被称为特征扩散长度 pm) 被称为特征扩散长度(pm)； Cs是固定的表面杂质浓度(/cm3) 特征扩散长度( 是固定的表面杂质浓度 表面杂质浓度( 预淀积扩散又被称为恒定表面源(浓度)扩散；在实际工艺中， 预淀积扩散又被称为恒定表面源(浓度)扩散；在实际工艺中， 又被称为恒定表面源 Cs的值一般都是杂质在硅中的固溶度。 Cs的值一般都是杂质在硅中的固溶度。 的值一般都是杂质在硅中的固溶度
2、杂质扩散机制
(3) 空位扩散(vacancy-assisted Diffusion Mechanism) 空位扩散(vacancy-
本体原子 杂质原子
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空位扩散需要的激活能比直接交换式扩散小 空位扩散需要的激活能比直接交换式扩散小； 激活能比直接交换式扩散 空位扩散是替位型杂质的主要扩散机制之一 空位扩散是替位型杂质的主要扩散机制之一