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集成电路工艺原理 仇志军 zjqiu@fudan.edu.cn 邯郸校区物理楼435室 扩散层质量检验 薄层电阻测量 结深测量 掺杂分布测量 四探针薄层电阻测量 结深测量 磨角染色法（bevel and stain） pn结显示技术：不同导电类型的区域，由于电化学势不同，经染色后显示出不同颜色。 常用染色液：HF与0?1％HNO3的混合液，使p区的显示的颜色比n区深。 掺杂分布测量 C－V测量（Capacitance-Voltage Measurement） 测量结的反偏电容和电压的关系可以测得扩散层的掺杂分布。 二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS） 用高能离子束轰击样品，使其产生正负二次离子，将这些二次离子引入质谱仪进行分析，再由检测系统收集，据此识别样品的组分。 四根探针的四个针尖都保持在一条直线上（linear），并以等压力压在半导体样品表面。1和4称为电流探针，由稳压电源恒电流供电；2和3称为电位探针，测量这两个探针之间的电位差 V I t S S S S t时成立！ 1 4 3 2 VR 1/C2 对于均匀掺杂的单边突变结，结电容由下式给出： ?s 硅的介电常数; NB 衬底掺杂浓度 Vbi 结的内建势; VR 反偏电压 集成电路工艺原理 第六章 扩散原理 (下) INFO130024.02 大纲 第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 后端工艺与集成 第十一章 未来趋势与挑战 上节课主要内容 1、掺杂工艺一般分为哪两步？结深？薄层电阻？固溶度？ 2、两种特殊条件下的费克第二定律的解及其特点？特征扩散长度？ 预淀积＋退火。预淀积：气固相预淀积扩散或离子注入。Rs：表面为正方形的半导体薄层（结深），在平行电流方向所呈现的电阻，单位为 ?/?，反映扩散入硅内部的净杂质总量。固溶度：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。 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 杂质总量恒定，高斯函数/正态分布(Gaussian)。随时间变化：表面浓度下降，结深增加 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。 离子注入 ＋ 退火 假定推进退火获得的结深，则根据 该数值为推进扩散的“热预算”。 解：1）假设离子注入+推进退火 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 ? 3）所需离子注入的杂质剂量 可以推算出 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 4）假如采用950 ?C热扩散预淀积而非离子注入 ?预淀积时间为 此时，B的固溶度为2.5×1020/cm3，扩散系数D=4.2×10-15 cm2/s 该预淀积为余误差分布，则 但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离子注入！ 即使 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 … 影响杂质分布的其他因素 Fick’s Laws： Only valid for diffusion under special conditions Simplification ! 1、电场效应（Field effect）——非本征扩散 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。 如果NA、ND＞ni（扩散温度下）时，非本征扩散效应 所以，杂质流由两部分组成： 内建电场 ? 以n型掺杂为例 ， 由 并假定杂质全部离化，有 场助扩散方程： 其中h为扩散系数的电场增强因子： 当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时，h 接近 2。 电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大 2、扩散系数与杂质浓度的关系 在杂质浓度很高时，扩散系数不再是常数，而与掺杂浓度相关 扩散方程改写为： 箱型 p型掺杂 n型掺杂 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。 非本征掺杂扩散系数比本征掺杂扩散系数高一个数量级！！