半导体制作工艺掺杂.ppt

芯片制造工艺掺杂主要内容为了在硅片内部指定区域得到选择性掺杂，核心步骤为：
（1）在硅片表面生长一层二氧化硅层。该二氧化硅层除了保护硅片表面和绝缘外，其关键是作为掺杂杂质的阻挡层。二氧化硅层将阻挡掺杂原子进入硅表面。
（2）在硅片表面的二氧化硅层上确定“窗口”（window）。该窗口的大小和形状对应于需要的掺杂区域。
（3）用腐蚀剂去掉窗口内的二氧化硅，但不除去硅，使窗口的硅表面暴露在外。
（4）把整个硅片置于掺杂源下，通过扩散或离子注入使掺杂原子进入二氧化硅未覆盖的区域中，从而改变硅的杂质性质。
5.1概述ⅢA族受主掺质(P型)5.2扩散扩散机理P在硅中的扩散曲线多晶硅中的杂质扩散5.2.1间隙扩散间隙式扩散对间隙杂质来说，间隙位置是势能极小位置，相邻的两个间隙之间是势能极大位置。间隙杂质要从一个间隙位置运动到相邻的间隙位置上，必须要越过一个势垒，势垒高度Wi一般为0.6~1.2eV。
间隙杂质一般情况下只能在势能极小位置附近做热振动，振动频率约为1013~1014/s,室温下平均振动能只有0.026eV，也就是在1200度的高温下也只有0.13eV。
间隙杂质只能依靠热涨落才能获得大于Wi的能量，越过势垒跳到近邻的间隙位置。温度越高，间隙杂质的跳跃率越高，间隙式扩散越容易。5.2.2替位（空位）扩散对替位杂质来说，在晶格位置上势能相对最低，而间隙处是势能最高位置。
与间隙杂质相同，替位杂质要从一个格点位置运动到近邻格点上，必须要越过一个势垒。势垒高度为Ws。
替位杂质的运动比间隙杂质更为困难，首先要在近邻出现空位，同时还要依靠热涨落获得大于势垒高度Ws的能量才能实现替位运动。平衡时单位体积的空位数为：

N是单位体积内所含的晶格数，Wv代表形成一个空位所需要的能量。
则每个格点上出现空位的几率为：

根据玻尔兹曼统计规律，替位杂质依靠热涨落跳过势垒Ws的几率为：

替位杂质的跳跃率为出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，即：

对硅中的替位杂质来说，Wv+Ws约为3~4eV(a)间隙式扩散（interstitial）5.2.3扩散系数与扩散方程扩散流密度J定义为单位时间通过单位面积的杂质(粒子)数。
D是扩散系数，D的单位为cm2/s。

杂质的扩散方向是使杂质浓度梯度变小。如果扩散时间足够长，则杂质分布逐渐变得均匀。
当浓度梯度变小时，扩散减缓。
D依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等。首先在替位原子的势能曲线和一维扩散模型的基础上，来推导扩散粒子流密度J(x,t)的表达式。
晶格常数为a，t时刻在(x-a/2)和(x+a/2)位置处，单位面积上替位原子数分别为C(x-a/2,t)*a和C(x+a/2,t)*a。单位时间内，替位原子由(x-a/2)处跳到(x+a/2处)的粒子数目为

由(x+a/2)处单位面积上跳到(x-a/2)处的粒子数目为
则t时刻通过x处单位面积的净粒子数（粒子流密度）为：

则有：

D0为表观扩散系数，ΔE为激活能。
扩散系数由D0、ΔE及温度T决定。3、菲克第二定律（扩散方程）假设体积元内的杂质不产生也不消失，可得

把菲克第一定律代入上式．则得一维扩散方程

此方程就是菲克第二定律的最普遍表达式。
如果假设扩散系数D为常数，这种假设在低杂质浓度情况下是正确的，则得

、扩散杂质的分布在扩散开始时，初始条件应为

根据上述的边界条件和初始条件，可求出恒定表面源扩散的杂质分布情况：

erfc为余误差函数。恒定表面源扩散的杂质分布形式如图所示。
在表面浓度Cs一定的情况下，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。
如果扩散时间为t，那么通过单位表面积扩散到Si片内部的杂质数量Q(t)为：

恒定源扩散，其表面杂质浓度Cs基本上由该杂质在扩散温度(900-1200℃)下的固溶度所决定，在900-1200℃范围内，固溶度随温度变化不大，很难通过改变温度来达到控制表面浓度Cs的目的，这是该扩散方法的不足之处。②结深③杂质浓度梯度2、有限表面源扩散假设杂质不蒸发，硅片厚度远大于杂质要扩散的深度。则边界条件为：

在上面的初始条件和边界条件下，求解扩散方程，得到有限表面源扩散的杂质分布情况：

式中，exp(-x2/4Dt)为高斯函数。①杂质分布形式②结深③杂质浓度梯度3、两步扩散、影响杂质分布的其他因素1、硅中的点缺陷杂质与空位的反应：
替位型杂质扩散机制：杂质原子运动到近邻的空位上

一个间隙硅原子把一个处在晶格位置上的替位杂质“踢出”，使这个杂质处在晶体间隙位置上，而这个硅原子却占据了晶格位置。被“踢出”的杂质以间隙方式进行扩散运动。当它遇到空位时可被俘获，成为替位杂质；
也可能在运动过程中“踢出”晶格位置上的硅原子进入晶格位置，