第六章 扩散原理 (下)
13
Ⅲ、Ⅴ族元素在硅中的扩散运动是建立在杂质与空位相互作用 的基础上的，掺入的施主或受主杂质诱导出了大量荷电态空位， 从而增强了扩散系数。
2
DA effD0Dnni Dnni DA effD0Dnpi Dnpi 2
该数值为推进扩散的“热预算”。
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
5
2）推进退火的时间 假定在1100 C进行推进退火，则扩散系数D=1.5×10-13 cm2/s
tdrivine1.53 .711 013 0c9cm 2m s2 ec6.8hours
3）所需离子注入的杂质剂量
表面浓度恒定，余误差函数分布(erfc)。 随时间变化：杂质总量增加，扩散深度 增加
Cx,t Q D T et xp4xD 2 t杂质总量恒定，高斯函数/正态分布
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
2
费克定律解析解的应用
本征扩散时，理想边界条件下的解。实际情况需要修正，如： 高浓度 电场效应 杂质分凝 点缺陷 …
个区域。主要是磷离子与V0，V-，
V=三种空位的作用造成的。
D i 4.70 ex p3.6k8 eTV cm 2/s
De hDi0Dinni Dinni 2
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
21
3）砷
Ⅴ族元素，施主杂质，半径与硅相同， 扩散系数小，仅磷、硼的十分之一。
如何判断对费克定律应用何种解析解？
当表面浓度为固溶度时，意味着该分布是余误差分布
当表面浓度较低时，意味着该分布是经过长时间的推进 过程，是高斯分布。
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
3
例题：CMOS中的p阱的形成。要求表面浓度Cs=4x1017 cm-3， 结深xj=3 mm。 已知衬底浓度为CB=1×1015 cm3。 设计该工艺过程。
可以推算出 Q C s D 4 t 1 1 0 7 3 .7 1 9 0 4 .3 1 1c 0 3 2 m
该剂量可以很方便地用离子注入实 现在非常薄的范围内的杂质预淀积
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
6
4）假如采用950 C热扩散预淀积而非离子注入
氧化注入间隙间隙和空位在硅中复合 硅中空位浓度减小Sb的扩散被抑制
I+VSis
表示晶格上 的Si原子
As受间隙和空位 扩散两种机制控 制，氧化时的扩 散受影响较小
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
18
4、发射极推进效应（Emitter Push effect）
Phosphorus
Boron
例 ： 预淀积 :1050 C N2 和 O2 再分布: 950 C O2
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
27
3、固态源扩散 （B2O3，P2O5，BN等）
舟
惰性气体作为载气把杂质源蒸气输运到硅片表面，在扩 散温度下，杂质化合物与硅反应生成单质杂质原子相硅 内扩散。
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
15
3、氧化增强/抑制扩散（oxidation enhanced / retarded diffusion）OED/ORD
对于B，P来说，在氧化过程中，其扩散系数增加。
对Sb来说，扩散系数减小。
双扩散机制: 杂质可以通过空位和间隙两种方式扩散
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
16
1 ）OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以 通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大 量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数
（1＋2）Si＋2OI＋2V↔SiO2＋2I＋stress
A+I AI
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
17
2）ORD：对于Sb来说，其在硅中的扩散主要是 通过空位进行。
8
1、电场效应（Field effect）——非本征扩散
如果NA、ND＞ni（扩散温度下）时，非本征扩散效应
电场的产生：由于载流子 的迁移率高于杂质离子， 二者之间形成内建电场。
载流子领先于杂质离子， 直到内建电场的漂移流与 扩散流达到动态平衡。
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
9
所以，杂质流由两部分组成：
离子注入 ＋
退火
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
4
解：1）假设离子注入+推进退火 假定推进退火获得的结深，则根据
CB Cs exp4xD2j t
Cx,t QDet xp4xD 2 t
Dt x2 j 310 42 3.710 9c m 2 4lnC CB s 4ln41 1101 507
但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离子注入！
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
7
影响杂质分布的其他因素
Fick’s Laws：
Only valid for
diffusion under
special conditions
Simplification !
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
n型掺杂 p型掺杂
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
14
1000 C下，非本征扩散系数：
D A s1.6 61 0 14 cm 2/s ec
箱型
非本征掺杂扩散系数比本征掺
杂扩散系数高一个数量级！！
由于非本征掺杂的扩散系数在 掺杂边缘迅速衰减，因而出现 边缘陡峭的“箱型”分布。
半导体制造工艺基础
20
2）磷 Ⅴ族元素，施主原子，有吸收 铜、金等快扩散杂质的性质（这
些杂质在缺陷处淀积会产生漏电 ）,固溶度达5×1021 原子/㎝3。
温度为1000 ℃时，尾区 的扩散系数比本征情况 下的扩散系数大二个数 量级。因此磷常作为深
磷的本征扩散系数主要由中性 结扩散的杂质 空位V0作用决定。
高浓度磷扩散时浓度分布有三
在高掺杂情况下也不引起畸变。
在硅晶体中，砷激活量低于掺杂量，电激活浓度达 2×1021 ㎝-3
D i 9.17 ex p3.9k9 eTV cm 2/s
De
hDi0

Dinni
适宜于浅结，精确控制
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
高浓度掺杂
D eD i0D i n p i D 0ex p k E a T n p i
如考虑场助效应 h 电场增强因子
De
hDi0
Dinpi
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
例： 预淀积: 950 oC 通源 10－20 分钟，N2 再分布: 1100 － 1200 o C干氧＋湿氧＋干氧
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
26
2）液态源磷扩散
源 三氯氧磷 (POCl3) >600 C
5POCl3 P2O5 + 3PCl5 2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P (向硅中扩散) PCl5难分解，会腐蚀硅，故还要通入少量O2 4PCl5 + 5O2 2P2O5 + 10Cl2
第六章 扩散原理 (下)
28
片状固态氮化硼扩散 活化处理 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 900 C 1 h. 通 O2 扩散 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B
BN片与硅片大小相当，和硅片相间均匀放置在舟上。 不需载气，但以N2或Ar2保护。
锑的箱法扩散 硅片与扩散源同放一箱内， 源 ：在SNb22气O3保: S护iO下2 扩= 1散:4 (粉末重量比) 2Sb2O3 + 3Si = 4Sb + 3SiO2
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
11
电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
12
2、扩散系数与杂质浓度的关系
在杂质浓度很高
时，扩散系数不
箱型
再是常数，而与
掺杂浓度相关
扩Ct散方程x改D写Ae为ff ：Cx

半导体制造工艺基础
19
常用杂质硼（B），磷（P），砷（As）在硅中的性质
1）硼 B: III族元素，受主杂质，
1150 ℃时固溶度达 2.4×1020 原子/cm3
D0=1 cm2/s
Ea=3.46 eV
D i D i0 D i D 0 e x k E p a T 1 .0 e x 3 p .4 ke 6 T V c2 m /s
22
扩散掺杂工艺
气态相源扩散（gas source） 液态源扩散（liquid source） 固态源扩散（solid source） 旋涂源扩散（spin-on-glass）
注意：在引入扩散源后作推进扩散时，常常会在硅片上表面 有一氧化层或其它覆盖层保护硅片，使硅片中的杂质不会 挥发到大气中去。
24
2、液态源扩散
舟
利入用高载温气扩（散如反应N2管），通杂过质液蒸态汽杂在质高源温，下携分带解着，杂并质与蒸硅汽表进 面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
25
1）液态源硼扩散
源 硼酸三甲脂 B[(CH3)O]3
在500 oC 以上分解反应 B[(CH3)O]3 B2O3 + CO2 + H2O ＋ ... 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B