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如图1.5所示。
图1.5 高温氧化生长SiO2膜
在高温氧化中,依据热生长动力学和迪尔格罗夫模型,氧化层的厚度能够表示为:
tox?A?t?????1?1? 2?A2/4B?其中,A和B是与氧分子扩散有关的常数,?是时间常数。在氧化时间较短,SiO2层较薄时,表面化学反应过程是主要的,SiO2层厚度将随时间线性增加;在氧化时间较长SiO2层较厚时,扩散过程是主要的,SiO2层厚度将随时间作抛物式增加。三种氧化方法比较如下:
一般的讲,水汽或湿氧氧化速率高、但生成的二氧化硅膜结构
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疏松且表面呈亲水性,干氧氧化生成的二氧化硅膜干燥致密,但其氧化速率最低。实际热氧化工艺的选择是根据前述讨论的各种热氧化方法的结构特点和工艺特点,对应矛盾的热氧化工艺要求,即要求有较高的氧化速率又要求生成干燥致密的呈疏水性的二氧化硅表面,选择干氧-湿氧-干氧的实际热氧化工艺。氧化完成后,根据芯片表面颜色大致能够判断出氧化硅的厚度。因为不同厚度的氧化硅对可见光的折射率不同,芯片表面氧化硅的颜色会随着厚度的变化呈现周期性变化,下面是不同厚度对应的大致颜色,可作为氧化层厚度的大致判断依据。
颜色 灰 黄褐 蓝 紫 深蓝 绿 黄 橙 红
氧化膜厚度(埃) 100 300 800 1000 2750 4650 6500 1500 3000 4900 6800 1850 3300 5600 7200 2100 3700 5600 7500 2250 4000 6000 2500 4350 6250 12
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扩散
双极性npn晶体管需要掺杂工艺获得特定类型,如p型或n型半导体以形成pn结,一般经过扩散或离子注入工艺实现。概念表述如下:
1.
掺杂-将所需要的杂质按要求的浓度和分布掺入到半导体材料中的规定区域,达到改变材料导电类型或电学性质的过程。
2. 3.
扩散掺杂-依赖杂质的浓度梯度形成扩散掺杂的过程。 离子注入掺杂-杂质经过离化、加速形成高能离子流,靠能量打入半导体材料的规定区域、活化形成杂质分布的过程。
在传统硅平面工艺中采用高温扩散工艺实现特定类型特定浓度的掺杂。半导体杂质的扩散在800℃-1400℃温度范围内进行。从本质上讲,扩散是微观离子作无规则热运动的统计结果,这种运动是由离子浓度较高的地方向着浓度较低的地方进行,而使得离子的分布趋于均匀。
半导体中杂质的扩散有两种机制:空位交换机制和填隙扩散机制。杂质原子从一个晶格位置移动,如果相邻的晶格位置是一个空位,杂质原子占据空位,这称为空位交换模式。若一个填隙原子从某位置移动到另一个间隙中而不占据一个晶格位置,这种机制称为填隙扩散机制。从理论上讲,热扩散遵从费克扩散定理,费克扩散方程如下所示:
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?N?2N?D ?t?X2扩散系数D是表征扩散行为的重要参量。扩散系数是温度的函数:
D=D0exp(?Ea/kT)
能够看出扩散系数与温度是指数关系,因此扩散工艺应严格控制温度以保证扩散的质量。另外,扩散系数与杂质种类和扩散机构有关,在特定条件下扩散系数D还会受到表面杂质浓度Ns、衬底杂质浓度NB、衬底取向和衬底晶格等影响。
费克扩散方程的物理意义:
在热扩散过程中,扩散由浓度梯度的存在而引发。在浓度梯度的作用下,将引起某位置点杂质的积累或丢失。它们之间的相互制约关系均反映在扩散方程中。对应于不同的初始条件、边界条件,将会对扩散的动态变化有不同的描述,则会得到不同的扩散方程的解。
根据扩散时半导体表面杂质浓度变化的情况来区分,扩散有两类:恒定表面源扩散和恒定杂质总量扩散。
对于恒定表面源扩散,其初始条件和边界条件如下: 初始条件:N(x,0)＝0;
边界条件:N(0,t)=Ns,N(∞,t)=0 此时费克扩散方程的解:
N?x,t??Nserfcx/2Dt
??对于恒定表面源扩散,在一定的、尽可能低的扩散温度和规定
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的扩散时间下,被扩散的硅片始终处于掺杂杂质源的饱和气氛之中。能够想见,在该过程中(由于在尽可能低的温度下),杂质缺乏足够的能量向硅体内的纵深处扩散,而更多地淀积在距表面(X=O处)十分有限的区域内。此刻,硅体表面的最大表面浓度将恒定在当前状态下的特定杂质在体内的最大溶解度——固体溶解度Ns上(固体溶解度:在一定温度下,某杂质能溶入固体硅中的最大溶解度的值。)此时芯片内杂质满足余误差分布,如图1.6所示。扩散入芯片的杂质总量表示为:
Q?t???N?x,t?dx?0?2?NsDt?1.13NsDt
图1.6 恒定表面源扩散的杂质分布
对于恒定杂质总量扩散,其初始条件和边界条件如下: 初始条件:N(x,0)＝0, x>h; N(x,0)=Q/h=Ns(0); 边界条件:N(∞,t)=0 此时费克扩散方程的解:
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半导体工艺实习实验指导书
