晶閘管擴(kuò)散工藝

1、硅擴(kuò)散工藝硅擴(kuò)散工藝摻雜摻雜摻雜是將所需要的雜質(zhì)，以一定的方式加入到半導(dǎo)體晶片內(nèi)，并使其在晶是將所需要的雜質(zhì)，以一定的方式加入到半導(dǎo)體晶片內(nèi)，并使其在晶 片中的數(shù)量和分布符合預(yù)定的要求，片中的數(shù)量和分布符合預(yù)定的要求，改變材料的導(dǎo)電能力。用途用途：利用摻雜技術(shù)可以制作PN結(jié)、歐姆接觸區(qū)等 摻雜技術(shù)主要有：1. 熱擴(kuò)散工藝：利用雜質(zhì)在高溫(800 ) 下由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴(kuò)散來(lái)進(jìn)行硅的摻雜。2. 離子注入：將雜質(zhì)轉(zhuǎn)換為高能離子的形式，直接注入進(jìn)硅， 將雜質(zhì)轉(zhuǎn)換為高能離子的形式，直接注入到硅體內(nèi)。3. 合金法4. 中子嬗變法雜質(zhì)n 型，如P、As、Sb等；p 型，如B、Al 、Ga等。常規(guī)的擴(kuò)

2、散系統(tǒng)與擴(kuò)散工藝擴(kuò)散系統(tǒng)擴(kuò)散系統(tǒng)氣態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)氣態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)液態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)液態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)固態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)固態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)擴(kuò)散系統(tǒng)1 1、氣態(tài)源擴(kuò)散、氣態(tài)源擴(kuò)散 氣態(tài)雜質(zhì)首先在硅片表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成摻雜氧化層，雜質(zhì)再 由氧化層向硅中擴(kuò)散。 氣態(tài)雜質(zhì)源：B2H6 / PH3 / AsH3 運(yùn)載/ 稀釋氣體：氮?dú)?N2)、氬氣(Ar2) 反應(yīng)所需氣體：氧氣(O2)2 2、液態(tài)源擴(kuò)散、液態(tài)源擴(kuò)散 氣體通過源瓶把雜質(zhì)源 (化合物)蒸汽帶入擴(kuò)散管內(nèi)。在高溫下 雜質(zhì)化合物先分解產(chǎn)生雜質(zhì)的氧化物，氧化物再與硅反應(yīng)擴(kuò)散。 液態(tài)源：POCl3 , BBr3 , AsCl3 ,B(CH3O)3 , B(CH3CH2

3、CH2O)2擴(kuò)散系統(tǒng)3 3、固態(tài)源擴(kuò)散、固態(tài)源擴(kuò)散 固態(tài)雜質(zhì)源：P2O5; As2O3; BN; Al/Ga 運(yùn)載/ 稀釋氣體：氮?dú)?N2); 氬氣(Ar2) 固態(tài)源為雜質(zhì)氧化物或其他化合物。 以雜質(zhì)化合物的形式進(jìn)行擴(kuò)散的方式要采用輔助方式解決化合物高溫分解后對(duì)硅片產(chǎn)生的不良影響固體中的熱擴(kuò)散現(xiàn)象 1、擴(kuò)散機(jī)構(gòu)：、擴(kuò)散機(jī)構(gòu)：間隙式擴(kuò)散和替位式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散和替位式擴(kuò)散 2. 2. 擴(kuò)散現(xiàn)象的本質(zhì)擴(kuò)散現(xiàn)象的本質(zhì)粒子流密度: 在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的粒子個(gè)數(shù)(1/cm2s) 流密度由濃度差引起的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 固體中的熱擴(kuò)散現(xiàn)象微觀上，每個(gè)雜質(zhì)粒子 (如獲得能量)總是向臨近的位置跳躍,擴(kuò)散就是大量粒子

4、作無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；宏觀上，大量粒子在一定條件下 (如濃度差)總是由其濃度高的地方往濃度低的地方遷移。3. 3. 擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)物理含義 ：表示粒子擴(kuò)散快慢的物理量。 決定因素Ea ：擴(kuò)散所需的激活能，表示躍遷的難易，決定了擴(kuò)散的快慢T ：溫度D： D稱為頻率因子或表觀擴(kuò)散系數(shù)影響因素 ：場(chǎng)助效應(yīng)、荷電空位效應(yīng)、雜質(zhì)濃度等 lnD1/T的關(guān)系 擴(kuò)散主要參數(shù)1) 表面處濃度及次表面濃度表面處濃度及次表面濃度表面濃度是擴(kuò)散層表面的雜質(zhì)濃度表面濃度是擴(kuò)散層表面的雜質(zhì)濃度次表面濃度是硅片幾何表面內(nèi)某一地方的雜質(zhì)濃度次表面濃度是硅片幾何表面內(nèi)某一地方的雜質(zhì)濃度這兩個(gè)雜質(zhì)濃度可以通過計(jì)算平均電導(dǎo)率

5、，這兩個(gè)雜質(zhì)濃度可以通過計(jì)算平均電導(dǎo)率，查依爾芬曲線查依爾芬曲線得到得到2) 雜質(zhì)劑量雜質(zhì)劑量Q0Q0指擴(kuò)入單位面積硅中的雜質(zhì)總數(shù)(cm-2)，3) 方塊電阻方塊電阻R( 薄層電阻薄層電阻RS ) 對(duì)正方形擴(kuò)散層,長(zhǎng)和寬分別為一個(gè)單位長(zhǎng)度，結(jié)深為xj的擴(kuò)散層電阻,與擴(kuò)散入硅中的雜質(zhì)總量Q成反比擴(kuò)散主要參數(shù)4) 結(jié)深結(jié)深xj 若擴(kuò)散雜質(zhì)與本底雜質(zhì)導(dǎo)電類型相反，則在C(x)等于襯底雜質(zhì)濃度（CB）處就形成結(jié)，它到表面的距離即為結(jié)深。 擴(kuò)散時(shí)間估算方式 （a）結(jié)深變化(b)電阻率變化(c)溫度變化雜質(zhì)分布及其與實(shí)際擴(kuò)散行為的差異 雜質(zhì)濃度分布因雜質(zhì)的擴(kuò)散方式不同而不同。在微電子器件制造中的擴(kuò)散主要有

6、以下幾種方式： 1. 恒定表面源擴(kuò)散：在擴(kuò)散過程中，硅片表面的雜質(zhì)濃度C始終保持不變。2. 有限表面源擴(kuò)散：在擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)源僅限于擴(kuò)散前淀積到表面薄層內(nèi)的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)將全部擴(kuò)入硅片內(nèi)部。3. 兩步擴(kuò)散：第一步采用恒定表面源擴(kuò)散方式，第二步采用有限表面源擴(kuò)散方式。4. 固-固擴(kuò)散 恒定表面源擴(kuò)散 擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布為為余誤差函數(shù)分布余誤差函數(shù)分布特點(diǎn)特點(diǎn)： 其表面濃度等于在該擴(kuò)散溫度下雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的固溶度,是T的函數(shù)；在溫度的不斷增加中有一個(gè)峰值； 固溶度是指在一定溫度下雜質(zhì)能溶入固體中的最大濃度；溫度不變時(shí)， 整個(gè)擴(kuò)散過程中, Cs 保持不變， Q0隨t不斷增加，結(jié)深

7、不斷加深；缺點(diǎn)： 采用固態(tài)源和液態(tài)源預(yù)淀積時(shí)， Q0大易產(chǎn)生雜質(zhì)沉積和缺陷； 雜質(zhì)的表面濃度Cs保持不變，不能滿足實(shí)際需要。工藝舉例：真空閉管工藝舉例：真空閉管擴(kuò)散、預(yù)沉積擴(kuò)散、涂擴(kuò)散、預(yù)沉積擴(kuò)散、涂層擴(kuò)散等層擴(kuò)散等有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散在硅片內(nèi)形成的雜質(zhì)分布為高斯分布。 雜質(zhì)濃度梯度隨時(shí)間或溫度的增加而減小( 曲線變緩)兩步擴(kuò)散第一步：采用恒定表面源擴(kuò)散方式，在硅片表面淀積一定數(shù)量的雜 質(zhì)原子，稱預(yù)擴(kuò)散或預(yù)沉積。 特征：溫度較低，時(shí)間較短。第二步：采用有限表面源擴(kuò)散方式，把淀積好的硅片放入較高溫的 爐中推進(jìn)，使表面濃度和結(jié)深達(dá)到要求為止。稱再分布或 主擴(kuò)散、推進(jìn)。 特征：溫度較高，時(shí)間

8、較長(zhǎng)。 能很好地解決Cs 、xj 與擴(kuò)散溫度、時(shí)間之間的矛盾。可以控制表面濃度和結(jié)深。（較高Cs 、較深xj）固- 固擴(kuò)散： 低溫下利用CVD 技術(shù)或膠體涂布的方法，在硅片表面淀積一層含有一定雜質(zhì)濃度的固體薄膜，然后以此為摻雜劑，在高溫下進(jìn)行擴(kuò)散，從而達(dá)到摻雜的目的。 只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)氧化層中的雜質(zhì)濃度，通過一次擴(kuò)散就可以獲得任意低的表面雜質(zhì)濃度,克服了兩步擴(kuò)散的缺點(diǎn)。理論分布與實(shí)際分布的差異 實(shí)際擴(kuò)散是比較復(fù)雜的，不一定嚴(yán)格遵守某種形式的擴(kuò)散，但往往是比較接近于某種分布，因此，可在足夠精確的程度上采用某種分布來(lái)近似分析。同時(shí)，由于擴(kuò)散模型本身作了理想化的假設(shè)，并忽略了實(shí)際擴(kuò)散過程中的各種效應(yīng)。

9、因此，實(shí)際分布通常偏離理論分布。 1 、模型的偏離模型的假設(shè) 2 、場(chǎng)助效應(yīng)內(nèi)建電場(chǎng)的作用 3 、荷電空位效應(yīng)缺陷對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散的影響 4 、陷落效應(yīng)雜質(zhì)的相互作用 5 、氧化對(duì)擴(kuò)散的影響氧化增強(qiáng)擴(kuò)散和雜質(zhì)分凝 6 、橫向擴(kuò)散/或二維擴(kuò)散擴(kuò)散窗口的理想化理論分布與實(shí)際分布的差異1、預(yù)沉積過程中，基片在剛開始時(shí)是沒有雜質(zhì)的，即: 當(dāng)t=0 t0 時(shí), C(t,0)由0Cs有一個(gè)建立的過程，而理論上是保持不變的2、對(duì)實(shí)際氧化氣氛下的有限源擴(kuò)散，由于Si 表面存在雜質(zhì)的濃度梯度及雜質(zhì)的分凝，所以雜質(zhì)濃度分布并不完全滿足高斯分布。理論分布與實(shí)際分布的差異場(chǎng)助效應(yīng)*：在高溫下，雜質(zhì)原子處于離化狀態(tài)，離化出來(lái)

10、的載流子與失去載流子的雜質(zhì)離子都向濃度低的方向擴(kuò)散。由于載流子的運(yùn)動(dòng)速度一般比雜質(zhì)快，結(jié)果在兩者之間就建立起局部?jī)?nèi)建電場(chǎng)，該電場(chǎng)抑制載流子擴(kuò)散，促進(jìn)雜質(zhì)離子擴(kuò)散，總效果是加強(qiáng)了雜質(zhì)向晶片內(nèi)部的擴(kuò)散。理論分布與實(shí)際分布的差異n荷電空位效應(yīng) 硅中的替位式雜質(zhì)( 如B 、P、As、Sb等) 借助于空位而擴(kuò)散，這些電活性雜質(zhì)進(jìn)入硅中會(huì)使空位被激活而帶電（如中性空位獲得電子后帶負(fù)電，起受主作用），這些帶電空位會(huì)與雜質(zhì)相互作用，導(dǎo)致雜質(zhì)擴(kuò)散加強(qiáng)。n除了場(chǎng)助效應(yīng)、荷電空位效應(yīng)對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響外，凡是能引起自由載流子( n,p) 和本征載流子濃度( ni ) 發(fā)生變化的因素，如雜質(zhì)濃度、應(yīng)力效應(yīng)，結(jié)團(tuán)效應(yīng)、缺

11、陷等都會(huì)影響到擴(kuò)散系數(shù)，從而影響雜質(zhì)分布。n發(fā)射極的陷落效應(yīng) 發(fā)射區(qū)高濃度擴(kuò)散時(shí)，基區(qū)雜質(zhì)的繼續(xù)擴(kuò)散受到發(fā)射區(qū)雜質(zhì)的影響，使發(fā)射區(qū)正下方的集電結(jié)發(fā)生陷落的現(xiàn)象。n陷落效應(yīng)形成原因： 磷擴(kuò)散時(shí)產(chǎn)生了大量的過剩的間隙硅原子，它與B 原子相互作用，增強(qiáng)了B 擴(kuò)散。 磷與硅中的空位相互作用，形成雜質(zhì)-空位(P+V=)對(duì)。P+V=對(duì)分解時(shí)提供的空位，能擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)處，在增強(qiáng)P 擴(kuò)散同時(shí)，也增強(qiáng)B 擴(kuò)散。理論分布與實(shí)際分布的差異n硼：氧化層下方硼擴(kuò)散結(jié)深增加氧化增強(qiáng)擴(kuò)散 雜質(zhì)B通過雙擴(kuò)散機(jī)制( 即空位- 間隙)兩種方式進(jìn)行擴(kuò)散；在硅-二氧化硅界面存在過剩的間隙硅原子，間隙硅與替位硼雜質(zhì)相互作用，使得B 以

12、替位-間隙交替方式運(yùn)動(dòng)，其擴(kuò)散速度比單純的替位-替位要快。磷與硼相似n橫向擴(kuò)散指靠近窗口邊緣的區(qū)域，除了垂直于表面的擴(kuò)散作用外，還有平行于表面的擴(kuò)散（屬于二維擴(kuò)散）。考慮橫向擴(kuò)散后，必須求解二維的（D 為常系數(shù)）擴(kuò)散方程。所以，應(yīng)采用二維情況來(lái)描述雜質(zhì)濃度分布。n橫向擴(kuò)散模型(假設(shè)) ： . 擴(kuò)散窗口是理想的：邊緣陡直，且雜質(zhì)只能 由裸露的窗口擴(kuò)入硅中，窗口形狀是長(zhǎng)條狀寬 矩形(即Wdxj) ； . 擴(kuò)散系數(shù)D 與雜質(zhì)濃度C無(wú)關(guān)。理論分布與實(shí)際分布的差異兩種典型擴(kuò)散的雜質(zhì)分布及主要參數(shù)兩種典型擴(kuò)散的雜質(zhì)分布及主要參數(shù)兩步擴(kuò)散的雜質(zhì)分布及主要參數(shù)兩步擴(kuò)散的雜質(zhì)分布及主要參數(shù)常見擴(kuò)散質(zhì)量問題分析1

13、、表面合金點(diǎn)：、表面合金點(diǎn)： 在顯微鏡下觀察，前者是一些黑色的小圓點(diǎn)由于有過多的雜質(zhì)原子堆積在一起與硅片生成合金點(diǎn)，是一種玻璃體結(jié)構(gòu)。形成表面合金點(diǎn)的主要原因是表面濃度過高。nA、 合金點(diǎn)引起加速擴(kuò)散而導(dǎo)致結(jié)面不平整，使PN結(jié)低擊穿或“分段擊穿”nB、由于合金點(diǎn)處不容易生長(zhǎng)氧化膜而形成氧化層針孔 通常是由下述原因引起的。 n （1）預(yù)擴(kuò)時(shí)攜帶源的氣體流量過大。如預(yù)擴(kuò)時(shí)源的濃度過高，液態(tài)源通的氣體流量過大或在通氣時(shí)發(fā)生氣體流量過沖。 n （2）源溫度過高，使擴(kuò)散源的蒸汽壓過大。 n （3）源的純度不高，含有雜質(zhì)或水分。 n （4）預(yù)擴(kuò)時(shí)擴(kuò)散溫度過高，時(shí)間太長(zhǎng)。 n 為了改善高濃度擴(kuò)散的表面，常在

14、濃度較高的預(yù)擴(kuò)氣氛中加一點(diǎn)氯氣，防止合金點(diǎn)產(chǎn)生。 常見擴(kuò)散質(zhì)量問題分析2、表面黑點(diǎn)或白霧、表面黑點(diǎn)或白霧 n 一般在顯微鏡下觀察是密布的小黑點(diǎn)，在聚光燈下看是或濃或淡的白霧。這種現(xiàn)象大多發(fā)生在液態(tài)源磷擴(kuò)散。因?yàn)榱讛U(kuò)散時(shí)雜質(zhì)濃度過高及石英管中存在偏磷酸，在擴(kuò)散時(shí)會(huì)有大量煙霧噴射到硅片表面，在快速冷卻過程中，就產(chǎn)生了白霧。這些白霧使得光刻膠和硅片粘附不好，同樣會(huì)產(chǎn)生浮膠或鉆蝕現(xiàn)象。解決的辦法是控制好擴(kuò)散溫度，不要擴(kuò)散的太濃，冷卻時(shí)要慢。因此源瓶溫度很重要，另通氧氣量直接影響偏磷酸量，需關(guān)注。 另外產(chǎn)生的原因主要還有有以下幾種： n（1）硅片表面清晰不良，有殘留的酸性水汽。 n（2）純水或化學(xué)試劑過

15、濾孔徑過大，使純水或化學(xué)試劑中含有大量的懸浮小顆粒（肉眼觀察不出）。 n（3）預(yù)擴(kuò)氣體中含有水分。 n（4）擴(kuò)散N2中含有水分。n（5）硅片在擴(kuò)散前暴露在空氣中時(shí)間過長(zhǎng)，表面吸附酸性氣體。 常見擴(kuò)散質(zhì)量問題分析3、表面凸起物表面凸起物 主要是由較大粒徑的顆粒污染經(jīng)過高溫處理后形成的。如灰塵、頭屑、纖維等落在硅片表面；或石英管內(nèi)的粉塵、硅屑等在進(jìn)、出濺到硅片表面。表面凸起物一般在日光燈下用肉眼可以看到。 4、表面氧化層顏色不一致表面氧化層顏色不一致 通常是預(yù)擴(kuò)時(shí)氧化層厚度不均勻，有時(shí)也可能是擴(kuò)散時(shí)氣體管路泄露引起氣流紊亂或氣體含有雜質(zhì)，使擴(kuò)散過程中生長(zhǎng)的氧化層不均勻，造成氧化層表面發(fā)花。 常見擴(kuò)

16、散質(zhì)量問題分析n5、硅片表面滑移線或硅片彎曲硅片表面滑移線或硅片彎曲 這是由硅片在高溫下的熱效應(yīng)引起的。一般是由于進(jìn)、出舟速度過快，硅片間隔太小或石英舟開槽不合適等引起的。 n 6、硅片表面劃傷、邊緣缺損或硅片開裂硅片表面劃傷、邊緣缺損或硅片開裂 通常是由于操作不當(dāng)造成的，也有石英舟制作不良的因素，放片子的槽不在同一平面上或槽開得太窄、卡片子等。 常見擴(kuò)散質(zhì)量問題分析n7、薄層電阻偏差：、薄層電阻偏差：n a擴(kuò)散爐溫失控或不穩(wěn)定。 n b預(yù)擴(kuò)時(shí)氣體流量不穩(wěn)定或溫度不穩(wěn)定。 n c預(yù)擴(kuò)或在擴(kuò)散時(shí)氣體管路泄露或氣體含有雜質(zhì)。 n d光刻腐蝕后有殘留氧化膜或在清洗過程中產(chǎn)生較厚的自然氧化膜阻礙了雜質(zhì)

17、擴(kuò)散。 n e擴(kuò)散過程中設(shè)備的故障、誤動(dòng)作或操作人員的操作不當(dāng)。 常見擴(kuò)散質(zhì)量問題分析8、漏電流大、漏電流大a. 表面沾污（主要是重金屬離子和堿金屬離子）引起的表面漏電。 bSi-SiO2界面的正電荷，如鈉離子、氧空位及截面態(tài)等引起的表面溝道效應(yīng)，在P型區(qū)形成反型層或耗盡層，造成漏電流偏大。 c氧化層缺陷（如針孔等）破壞了氧化層在雜質(zhì)擴(kuò)散時(shí)的掩蔽作用d硅片的缺陷引起雜質(zhì)擴(kuò)散時(shí)產(chǎn)生管道穿通擊穿。 e隔離擴(kuò)散深度和濃度不夠造成隔離島間漏電流大（嚴(yán)重時(shí)穿通）。 f基區(qū)擴(kuò)散前有殘留氧化膜或基區(qū)擴(kuò)散濃度偏低，在擴(kuò)散后表現(xiàn)為基區(qū)寬度小，反向擊穿電壓低，漏電流大。 常見擴(kuò)散質(zhì)量問題分析n9、擴(kuò)散的均勻性和重復(fù)性、擴(kuò)散的均勻性和重復(fù)性n 在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)同一爐擴(kuò)散出來(lái)的硅片其薄層電阻相差特大，特別是在低濃度擴(kuò)散時(shí)更為明顯，這就是擴(kuò)散的均勻性問題。n 當(dāng)用同樣的條件進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)，發(fā)現(xiàn)各次擴(kuò)散的結(jié)果有差異，這就是擴(kuò)散的重復(fù)性問題。n1、不均勻主要原因 a.首先是襯底材料本身存在著差異。 b.恒溫區(qū)有變化或太短。如果恒溫區(qū)短，會(huì)使石英舟各處溫度有差異，從而造成擴(kuò)散結(jié)果不均勻，如果恒溫區(qū)變化未及時(shí)調(diào)整，同樣會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。因此，在生產(chǎn)上是經(jīng)常測(cè)量