集成電路制造技術(shù)：(5)擴(kuò)散

1、第第5 5章章 擴(kuò)散擴(kuò)散微電子工藝微電子工藝44第第5 5章章 擴(kuò)散擴(kuò)散v雜質(zhì)摻雜v摻雜：將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域中，以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成PN結(jié)、電阻、歐姆接觸磷(P)、砷(As) N型硅硼(B) P型硅摻雜工藝：擴(kuò)散、離子注入第第5 5章章 擴(kuò)散擴(kuò)散v擴(kuò)散是微電子工藝中最基本的工藝之一，擴(kuò)散是微電子工藝中最基本的工藝之一，是在是在約約10001000的高溫、的高溫、p p型或型或n n型雜質(zhì)氣氛型雜質(zhì)氣氛中，使雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，中，使雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，達(dá)到一定濃度，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體達(dá)到一定濃度，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體定域、定量摻定域、定量摻雜雜的一種工藝方法，也稱

2、為熱擴(kuò)散。的一種工藝方法，也稱為熱擴(kuò)散。 v目的是通過目的是通過定域定域、定量定量擴(kuò)散摻雜改變半導(dǎo)擴(kuò)散摻雜改變半導(dǎo)體導(dǎo)電類型，電阻率，或形成體導(dǎo)電類型，電阻率，或形成PNPN結(jié)。結(jié)。Doped Region in a Silicon WaferOxideOxidep+ Silicon substrateDopant gasNDiffused region內(nèi)容題要內(nèi)容題要v5.1擴(kuò)散機(jī)構(gòu)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)v5.2晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動力學(xué)方程晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動力學(xué)方程 v5.3雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜v5.4熱擴(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素?zé)釘U(kuò)散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素v5.5擴(kuò)

3、散工藝條件與方法擴(kuò)散工藝條件與方法v5.6 擴(kuò)散工藝質(zhì)量與檢測擴(kuò)散工藝質(zhì)量與檢測v5.7 擴(kuò)散工藝的發(fā)展擴(kuò)散工藝的發(fā)展5.1 5.1 擴(kuò)散機(jī)構(gòu)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)v擴(kuò)散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的基本方式，當(dāng)溫度高于擴(kuò)散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的基本方式，當(dāng)溫度高于絕對零度時(shí)，任何物系內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)都在作熱運(yùn)動。絕對零度時(shí)，任何物系內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)都在作熱運(yùn)動。v雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的擴(kuò)散是由雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的擴(kuò)散是由雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度或或溫度溫度梯度梯度（物體中兩相的化學(xué)勢不相等）引起的一種（物體中兩相的化學(xué)勢不相等）引起的一種使雜質(zhì)濃度趨于均勻的雜質(zhì)定向運(yùn)動。使雜質(zhì)濃度趨于均勻的雜質(zhì)定向運(yùn)動。v擴(kuò)散是一種擴(kuò)散是一種傳質(zhì)傳質(zhì)過程，宏觀上

4、表現(xiàn)出物質(zhì)的定向過程，宏觀上表現(xiàn)出物質(zhì)的定向遷移。遷移。v擴(kuò)散是一種自然現(xiàn)象，是微觀粒子熱運(yùn)動的形式，擴(kuò)散是一種自然現(xiàn)象，是微觀粒子熱運(yùn)動的形式，結(jié)果使其濃度趨于均勻。結(jié)果使其濃度趨于均勻。固相擴(kuò)散工藝固相擴(kuò)散工藝v微電子工藝中的擴(kuò)散，是雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴(kuò)散，是微電子工藝中的擴(kuò)散，是雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴(kuò)散，是固相擴(kuò)散工藝。固相擴(kuò)散工藝。v固相擴(kuò)散是通過微觀粒子一系列隨機(jī)跳躍來實(shí)現(xiàn)的，固相擴(kuò)散是通過微觀粒子一系列隨機(jī)跳躍來實(shí)現(xiàn)的，這些跳躍在整個(gè)三維方向進(jìn)行，主要有三種方式這些跳躍在整個(gè)三維方向進(jìn)行，主要有三種方式 間隙式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散 替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散 間隙間隙替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散擴(kuò)散的微觀機(jī)制擴(kuò)

5、散的微觀機(jī)制(a) 間隙式擴(kuò)散（間隙式擴(kuò)散（interstitial） (b) 替位式擴(kuò)散（替位式擴(kuò)散（substitutional）間隙擴(kuò)散間隙擴(kuò)散雜質(zhì)：雜質(zhì)：O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg替位擴(kuò)散替位擴(kuò)散雜質(zhì)雜質(zhì)：As， Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的運(yùn)動一般是以近鄰替位原子的運(yùn)動一般是以近鄰處有處有空位空位為前題為前題B，P，一般作為替代式擴(kuò)，一般作為替代式擴(kuò)散雜質(zhì)，實(shí)際情況更復(fù)雜，散雜質(zhì)，實(shí)際情況更復(fù)雜，包含了硅自間隙原子的作包含了硅自間隙原子的作用，稱填隙式或推填式擴(kuò)用，稱填隙式或推填式擴(kuò)散散間隙式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散間隙原子擴(kuò)散勢場示意圖間隙原子擴(kuò)散勢場示意圖Wi=0.6-1

6、.2eV 按照玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，獲得大于能過按照玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，獲得大于能過Wi的幾率正比的幾率正比于于exp(-WikT) k：玻爾茲曼常數(shù)：玻爾茲曼常數(shù) kT:平均振動能，平均振動能，0.026eV 0：振動頻率，振動頻率，1013-1014/skTWievP/0i跳躍率跳躍率iP室溫下，室溫下， 約每分鐘一次。約每分鐘一次。iP替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散 產(chǎn)生替位式擴(kuò)散必需存在空位。產(chǎn)生替位式擴(kuò)散必需存在空位。 晶體中空位平衡濃度相當(dāng)?shù)?，晶體中空位平衡濃度相當(dāng)?shù)?，室溫下，替位式擴(kuò)散跳躍率約每室溫下，替位式擴(kuò)散跳躍率約每1045年一次。年一次。eV430sv)/kTW(WvWWevPsWs空位

7、濃度空位濃度kTWvNen/間隙間隙-替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散v許多雜質(zhì)即可以是替位式也可以是間隙式溶許多雜質(zhì)即可以是替位式也可以是間隙式溶于晶體的晶格中，并以間隙于晶體的晶格中，并以間隙-替位式擴(kuò)散。替位式擴(kuò)散。v這類擴(kuò)散雜質(zhì)的跳躍率隨這類擴(kuò)散雜質(zhì)的跳躍率隨空位空位和和自間隙自間隙等缺等缺陷的濃度增加而迅速增加。陷的濃度增加而迅速增加。 間隙間隙-替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散雜質(zhì)原子被從晶雜質(zhì)原子被從晶格位置格位置“踢出踢出”(Kick-out)AVA+I Ai 5.25.2晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動力學(xué)方程晶體中擴(kuò)散的基本特點(diǎn)與宏觀動力學(xué)方程固體中的擴(kuò)散基本特點(diǎn)v（1）固體中明顯的質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散常開始于較

8、高的溫度，但實(shí)際上又往往低于固體的熔點(diǎn)。v（2）晶體結(jié)構(gòu)將以一定的對稱性和周期性限制著質(zhì)點(diǎn)每一步遷移的方向和自由行程。5.2.2 擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程v在單位時(shí)間內(nèi)通過在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向垂直于擴(kuò)散方向的的單位面積單位面積上的擴(kuò)散物質(zhì)流量為上的擴(kuò)散物質(zhì)流量為擴(kuò)散通量擴(kuò)散通量（Diffusion flux，kg / m2 s），用），用J表示。表示。v擴(kuò)散通量擴(kuò)散通量其與該截面處的濃度梯度成正比。其與該截面處的濃度梯度成正比。 v比例系數(shù)比例系數(shù)D定義為雜質(zhì)在襯底中的擴(kuò)散系數(shù)。定義為雜質(zhì)在襯底中的擴(kuò)散系數(shù)。Fick第一擴(kuò)散定律第一擴(kuò)散定律C( ,t)( , )xJ x tDx “” 表示粒

9、子從高表示粒子從高濃度向低濃度擴(kuò)散，即濃度向低濃度擴(kuò)散，即逆濃度梯度方向擴(kuò)散逆濃度梯度方向擴(kuò)散菲克第二定律菲克第二定律 當(dāng)擴(kuò)散處于非穩(wěn)態(tài)，即各點(diǎn)的濃度隨時(shí)間當(dāng)擴(kuò)散處于非穩(wěn)態(tài)，即各點(diǎn)的濃度隨時(shí)間而改變時(shí)，利用第一定律不容易求出。而改變時(shí)，利用第一定律不容易求出。 通常的擴(kuò)散過程大都是非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，為便通常的擴(kuò)散過程大都是非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，為便于求出，還要從物質(zhì)的平衡關(guān)系著手，建立第于求出，還要從物質(zhì)的平衡關(guān)系著手，建立第二個(gè)微分方程式。二個(gè)微分方程式。 討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系，討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系，又稱又稱Fick第二定律。第二定律。FickFick第二擴(kuò)散定律第二擴(kuò)散定律dx

10、J1J2Ax x+dx注：J1，J2分別為流入、流出該體積元的雜質(zhì)流量21JJJxxC( ,t)xJtx 22C( ,t)C( ,t)xxDtx假設(shè)一段具有均勻橫截面A的長方條材料，考慮其中長度為dx的一小段體積則流入、流出該段體積的流量差在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，在距離x處，雜質(zhì)原子濃度隨擴(kuò)散時(shí)間t的變化率 如果擴(kuò)散系數(shù)D與濃度無關(guān)，則由Fick第一定律可得5.2.3 擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)vD0為表觀擴(kuò)散系數(shù)為表觀擴(kuò)散系數(shù)vEa為擴(kuò)散激活能為擴(kuò)散激活能vP,taxaC2vP,taxaC2(cm2/s)Ea/kT)(D)/kTw(wvaDPaDxC(x,t)PaP,taxaCP,taxaCJvsvvvv

11、expexp2200222擴(kuò)散系數(shù)(Diffusion coefficient)D是描述擴(kuò)散速度的重要物理量，它相當(dāng)于濃度梯度為1時(shí)的擴(kuò)散通量 。（以替位式擴(kuò)散推導(dǎo)）（以替位式擴(kuò)散推導(dǎo)）v在低濃度下硅和砷化鎵中各種摻雜劑雜質(zhì)的實(shí)測擴(kuò)散系數(shù) 根據(jù)雜質(zhì)在晶體中的擴(kuò)散系數(shù)分v快擴(kuò)散雜質(zhì)快擴(kuò)散雜質(zhì)：H，Li, Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, v慢擴(kuò)散雜質(zhì)慢擴(kuò)散雜質(zhì)：Al, P, B, Ga, Ti, Sb，Asv在高溫工藝中，如擴(kuò)散、外延，摻雜元素的擴(kuò)散系數(shù)小些好一些雜質(zhì)在硅111面中的擴(kuò)散系數(shù)5.35.3雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜雜質(zhì)的擴(kuò)散摻雜v擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝是要將具有是要將具有電活性電

12、活性的雜質(zhì)，在一定的雜質(zhì)，在一定溫度溫度，以一定以一定速率速率擴(kuò)散到襯底硅的特定位置，得到所需擴(kuò)散到襯底硅的特定位置，得到所需的的摻雜濃度摻雜濃度以及以及摻雜類型摻雜類型。 v兩種方式：兩種方式：恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散和和限定表面源擴(kuò)散限定表面源擴(kuò)散 v擴(kuò)散工藝重要的工藝參數(shù)包括：擴(kuò)散工藝重要的工藝參數(shù)包括： 雜質(zhì)的分布雜質(zhì)的分布 表面濃度表面濃度 結(jié)深結(jié)深 摻入雜質(zhì)總量摻入雜質(zhì)總量恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散v恒定表面源恒定表面源是指在擴(kuò)散過程中，硅片是指在擴(kuò)散過程中，硅片表面的雜質(zhì)濃度始終是保持不變的。表面的雜質(zhì)濃度始終是保持不變的。v恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散指硅一直處于雜質(zhì)氛指

13、硅一直處于雜質(zhì)氛圍中，硅片表面達(dá)到了該擴(kuò)散溫度的圍中，硅片表面達(dá)到了該擴(kuò)散溫度的固溶度固溶度Cs。v解擴(kuò)散方程：解擴(kuò)散方程：v初始條件為：初始條件為：C(x，0)=0，x0v邊界條件為：邊界條件為：C(0，t)=Cs C(，t)= 0恒定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布情況恒定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布情況2sxC x,tC erfcDt22CCxDtxCBCsxj1 xj2 xj3C(x,t)t1t2t30t3t2t1恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散verfc稱為余誤差函數(shù)。稱為余誤差函數(shù)。v恒定源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度服從恒定源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度服從余誤差分布余誤差分布，延長擴(kuò)散時(shí)間：，延長擴(kuò)散時(shí)間： 表面雜質(zhì)濃度不變；表面雜質(zhì)濃

14、度不變； 結(jié)深增加；結(jié)深增加； 擴(kuò)入雜質(zhì)總量擴(kuò)入雜質(zhì)總量增加；增加； 雜質(zhì)濃度梯度減小。雜質(zhì)濃度梯度減小。DtADtsCCerfc2jxB14DtxeDtsCx,txC(x,t)Dts1.13C0Dts2Cdxx,tCQ2結(jié)深結(jié)深雜質(zhì)數(shù)量雜質(zhì)數(shù)量雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散 v指雜質(zhì)源在擴(kuò)散前積累于硅指雜質(zhì)源在擴(kuò)散前積累于硅片表面薄層片表面薄層內(nèi)，內(nèi)， Q為為單位單位面積雜質(zhì)總量，解擴(kuò)散方程：面積雜質(zhì)總量，解擴(kuò)散方程：邊界條件邊界條件:C(x,0)=Q/ , 0 x000 ,CQdxxDtxeDtQtxC42,n有限表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布情況有限表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布情況XXj

15、1 Xj2 Xj3CsCsCs”t1t2t3C(x,t)CB0 t3t2t1有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散DtQCsC(x,t)2Dtx(x,t)xC(x,t)DtADtxBsj21CCln2雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)表面濃度雜質(zhì)表面濃度結(jié)深結(jié)深v有限源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度是一種高斯函數(shù)分布。有限源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度是一種高斯函數(shù)分布。v延長擴(kuò)散時(shí)間延長擴(kuò)散時(shí)間(提高擴(kuò)散溫度提高擴(kuò)散溫度T )： 雜質(zhì)表面濃度雜質(zhì)表面濃度迅速減?。谎杆贉p小；雜質(zhì)總量不變；雜質(zhì)總量不變； 結(jié)深增加；結(jié)深增加； 雜雜質(zhì)濃度梯度減小質(zhì)濃度梯度減小。 v一步工藝一步工藝 是惰性氣氛下的恒定源擴(kuò)散，雜質(zhì)分是惰性氣氛下的恒定源擴(kuò)散，雜質(zhì)

16、分布服從余誤差函數(shù)；布服從余誤差函數(shù)；v兩步工藝兩步工藝 分為預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）、再分布（主分為預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）、再分布（主擴(kuò)散）兩步。擴(kuò)散）兩步。預(yù)淀積預(yù)淀積是惰性氣氛下的是惰性氣氛下的恒定源擴(kuò)散恒定源擴(kuò)散，目的是在擴(kuò)散窗，目的是在擴(kuò)散窗口硅表層擴(kuò)入總量口硅表層擴(kuò)入總量Q一定的雜質(zhì)。一定的雜質(zhì)。再分布再分布是氧氣氛或惰性氣氛下的是氧氣氛或惰性氣氛下的有限源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散，將窗口，將窗口雜質(zhì)再進(jìn)一步向片內(nèi)擴(kuò)散，目的是使雜質(zhì)在硅中具有雜質(zhì)再進(jìn)一步向片內(nèi)擴(kuò)散，目的是使雜質(zhì)在硅中具有一定的表面濃度一定的表面濃度Cs、分布、分布C（x）、且達(dá)到一定的結(jié)深）、且達(dá)到一定的結(jié)深xj，有時(shí)還需生長氧化層。有時(shí)

17、還需生長氧化層。實(shí)際擴(kuò)散工藝實(shí)際擴(kuò)散工藝兩步擴(kuò)散兩步擴(kuò)散v預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）低溫，短時(shí)，恒定表面源擴(kuò)散低溫，短時(shí)，恒定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)擴(kuò)散很淺，雜質(zhì)擴(kuò)散很淺，雜質(zhì)數(shù)量可控雜質(zhì)數(shù)量可控v主擴(kuò)散（再分布）主擴(kuò)散（再分布） 高溫，擴(kuò)散同時(shí)伴隨氧化高溫，擴(kuò)散同時(shí)伴隨氧化控制表面濃度和控制表面濃度和擴(kuò)散深度擴(kuò)散深度 兩步擴(kuò)散之后的雜質(zhì)最終分布形式，為兩個(gè)擴(kuò)散過程結(jié)果的累加。 D1t1D2t2預(yù)擴(kuò)散起決定作用，雜質(zhì)按余誤差函數(shù)形式分布D1t1Ci 1019/cm3) ，將使擴(kuò)散系數(shù)，將使擴(kuò)散系數(shù)顯著提高。顯著提高。本征擴(kuò)散系數(shù)本征擴(kuò)散系數(shù)Di：非本征擴(kuò)散系數(shù)非本征擴(kuò)散系數(shù)De ：間隙原子（團(tuán)）

18、間隙原子（團(tuán)） a）硅原子踢出晶格位置上的雜質(zhì)原子 b）踢出與間隙機(jī)制擴(kuò)散5.4.2 氧化增強(qiáng)擴(kuò)散氧化增強(qiáng)擴(kuò)散 (OED)v與中性氣氛相比，硼在氧化氣氛中的擴(kuò)散存在明顯增強(qiáng)現(xiàn)象（與中性氣氛相比，硼在氧化氣氛中的擴(kuò)散存在明顯增強(qiáng)現(xiàn)象（OED），），磷、砷也有此現(xiàn)象。磷、砷也有此現(xiàn)象。v原因是氧化誘生堆垛層錯(cuò)產(chǎn)生大量自填隙原因是氧化誘生堆垛層錯(cuò)產(chǎn)生大量自填隙Si，間隙，間隙-替位式擴(kuò)散中的替位式擴(kuò)散中的“踢踢出出”機(jī)制提高了擴(kuò)散系數(shù)。機(jī)制提高了擴(kuò)散系數(shù)。氧化層氧化層B有限源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散氮化物氮化物p-Sin-Si氮化物氮化物n-Si氧化層氧化層摻摻BCB1019O2I+B IB氧化增強(qiáng)擴(kuò)散產(chǎn)生的

19、原因氧化增強(qiáng)擴(kuò)散產(chǎn)生的原因v硅氧化時(shí)，在Si-SiO2界面附近產(chǎn)生大量的間隙硅原子，這些過剩的間隙硅原子在向硅內(nèi)擴(kuò)散的同時(shí)不斷與空位復(fù)合（銻主要靠空位機(jī)制擴(kuò)散，氧化時(shí)會降低銻的擴(kuò)散），使這些過剩的間隙硅原子的濃度隨深度而降低。表面附近過剩的間隙硅原子可以和替位硼相互作用，使原來處于替位的硼變?yōu)殚g隙硼。當(dāng)間隙硼鄰近晶格沒有空位時(shí)間隙硼以間隙方式運(yùn)動。如果間隙硼近鄰有空位時(shí)，間隙硼又可以進(jìn)入空位變?yōu)樘嫖慌稹ｋs質(zhì)硼以替位間隙交替的方式運(yùn)動，其擴(kuò)散速度比單純由替位到替位要快。氧化阻滯擴(kuò)散氧化阻滯擴(kuò)散v銻擴(kuò)散是以替位方式進(jìn)行，氧化堆垛層錯(cuò)帶來的自填隙硅填充銻擴(kuò)散是以替位方式進(jìn)行，氧化堆垛層錯(cuò)帶來的自填隙

20、硅填充了空位，減少了空位濃度。了空位，減少了空位濃度。銻在氧化氣氛中的擴(kuò)散卻被阻滯。銻在氧化氣氛中的擴(kuò)散卻被阻滯。氮化物氮化物n-Sip-Si氧化層氧化層氮化物氮化物p-Si氧化層氧化層Sb有限源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散CBD（111）晶格缺欠越多，擴(kuò)散速率也越大。晶格缺欠越多，擴(kuò)散速率也越大。5.5擴(kuò)散工藝條件與方法擴(kuò)散工藝條件與方法v擴(kuò)散設(shè)備擴(kuò)散設(shè)備多是爐絲加熱的熱壁式擴(kuò)散爐。多是爐絲加熱的熱壁式擴(kuò)散爐。和氧化爐相類似。和氧化爐相類似。v擴(kuò)散方法：開管擴(kuò)散，閉管擴(kuò)散；箱法擴(kuò)擴(kuò)散方法：開管擴(kuò)散，閉管擴(kuò)散；箱法擴(kuò)散；散；v根據(jù)擴(kuò)散源的不同有三種根據(jù)擴(kuò)散源的不同有三種擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝：固態(tài)：固態(tài)源擴(kuò)散，液

21、態(tài)源擴(kuò)散，氣態(tài)源擴(kuò)散。源擴(kuò)散，液態(tài)源擴(kuò)散，氣態(tài)源擴(kuò)散。v選擇源選擇源必需滿足必需滿足固溶度固溶度、擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)要求。要求。v選擇好選擇好掩蔽膜掩蔽膜。Typical Dopant Sources for DiffusionDopantFormula of SourceChemical NameArsenic (As)AsH3Arsine (gas)Phosphorus (P)PH3Phosphine (gas)Phosphorus (P)POCl3Phosphorus oxychloride (liquid)Boron (B)B2H6Diborane (gas)Boron (B)BF3Bo

22、ron tri-fluoride (gas)Boron (B)BBr3Boron tri-bromide (liquid)Antimony (Sb)SbCl5Antimony pentachloride (solid)固態(tài)源擴(kuò)散固態(tài)源擴(kuò)散v擴(kuò)散方式擴(kuò)散方式開管擴(kuò)散開管擴(kuò)散箱式擴(kuò)散箱式擴(kuò)散涂源擴(kuò)散涂源擴(kuò)散閉管擴(kuò)散閉管擴(kuò)散v固態(tài)源（固態(tài)源（雜雜質(zhì)的氧化物或質(zhì)的氧化物或其他化合物）其他化合物） 陶瓷片或粉陶瓷片或粉體：體：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等等石英管石英管接排風(fēng)接排風(fēng)閥和流量計(jì)閥和流量計(jì)載載氣氣鉑源舟鉑源舟石英舟和硅片石英舟和硅片開管固態(tài)源擴(kuò)散開管固態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)系統(tǒng)擴(kuò)散工藝箱法擴(kuò)散

23、；把雜質(zhì)源和硅片裝在由石英或者硅做成的箱內(nèi)，在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下擴(kuò)散。涂源法擴(kuò)散：把溶于溶劑中的雜質(zhì)源直接涂在待擴(kuò)散的硅片表面，在高溫下由惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行擴(kuò)散。溶劑為聚乙烯醇，雜質(zhì)源為氧化物或雜質(zhì)氧化物與惰性氧化物（SiO2、BaO、CaO）的混合物。液態(tài)源擴(kuò)散液態(tài)源擴(kuò)散v液態(tài)源液態(tài)源 POCl3、BBr3、B(CH3O)3 （TMB）接排風(fēng)接排風(fēng)閥和流量計(jì)閥和流量計(jì)載載氣氣石英舟和硅片石英舟和硅片石英管石英管溫度控溫度控制池制池源瓶和源瓶和液相源液相源液相源擴(kuò)散系統(tǒng)液相源擴(kuò)散系統(tǒng)液態(tài)源由攜帶氣體（N2）通過源瓶，把雜質(zhì)蒸氣帶入擴(kuò)散爐管內(nèi)。盛放液體源的密封容器浸在一個(gè)恒溫槽中。有POCl3，B

24、Br3等。POCl3+O2P2O5+Cl2（無氧時(shí)POCl3分解為PCl5，腐蝕性強(qiáng)P205+SiP+SiO2BBr32B+3Br2， 4B+3O22B2O32B2O3+3Si4B+3SiO2如BBr3相對于O2濃度過高，Si表面會形成不揮發(fā)的硼化物，導(dǎo)致?lián)诫s不均并難去除，影響器件接觸電阻。缺點(diǎn)：腐蝕性高、有爆炸危險(xiǎn)，易形成硅化物氣態(tài)源擴(kuò)散氣態(tài)源擴(kuò)散v氣態(tài)源氣態(tài)源 BCl3、B2H6、PH3、AsH3石英管石英管接排風(fēng)接排風(fēng)閥和質(zhì)量閥和質(zhì)量流量計(jì)流量計(jì)氣氣源源石英舟和硅片石英舟和硅片氣態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)氣態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)運(yùn)輸方便、純凈度高、污染少、但有劇毒，使用時(shí)應(yīng)非常小心5.5.3 常用雜質(zhì)的擴(kuò)散工藝

25、常用雜質(zhì)的擴(kuò)散工藝NPN管的硼擴(kuò)散管的硼擴(kuò)散v原理原理 2 B2O3 + 3Si 4B +3SiO2 v選源選源 固態(tài)固態(tài)BN源使用最多，必須活化源使用最多，必須活化 活化：活化： 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2v特點(diǎn)特點(diǎn) B與與Si原子半徑相差較大，有伴生應(yīng)力缺陷，原子半徑相差較大，有伴生應(yīng)力缺陷，能造成晶格損傷。硼在硅中的最大固溶度達(dá)能造成晶格損傷。硼在硅中的最大固溶度達(dá)4*1020/cm3，但濃度在，但濃度在1020/cm3以上有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。以上有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。v工藝工藝 兩步工藝，預(yù)淀積為恒定源擴(kuò)散，用氮?dú)獗刹焦に?，預(yù)淀積為恒定源擴(kuò)散，用氮?dú)獗Ｗo(hù)，再分布有限源擴(kuò)散，生長氧化層（

26、干氧護(hù)，再分布有限源擴(kuò)散，生長氧化層（干氧-濕氧濕氧-干氧）干氧）900-1100 B擴(kuò)散工藝流程擴(kuò)散工藝流程v預(yù)淀積，一般預(yù)淀積溫度較低，時(shí)間也較短。氮預(yù)淀積，一般預(yù)淀積溫度較低，時(shí)間也較短。氮?dú)獗Ｗo(hù)。氣保護(hù)。v漂硼硅玻璃，予淀積后的窗口表面有薄薄的一層漂硼硅玻璃，予淀積后的窗口表面有薄薄的一層硼硅玻璃，用硼硅玻璃，用HF漂去。漂去。v再分布，溫度較高，時(shí)間也較長。通氧氣，直接再分布，溫度較高，時(shí)間也較長。通氧氣，直接生長氧化層。生長氧化層。v測方塊電阻測方塊電阻，方塊電阻是指表面為正方形的薄膜，方塊電阻是指表面為正方形的薄膜，在電流方向的電阻值。在電流方向的電阻值。 NPN管的磷擴(kuò)散管的磷

27、擴(kuò)散v原理原理 2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2v選源選源 固態(tài)固態(tài)P2O5陶瓷片源使用最多，無須活化。陶瓷片源使用最多，無須活化。 v特點(diǎn)特點(diǎn) 磷是磷是n型替位雜質(zhì)，型替位雜質(zhì)， B與與Si原子半徑接近，原子半徑接近，雜質(zhì)濃度可達(dá)雜質(zhì)濃度可達(dá)1021/Cm3，該濃度即為電活性濃，該濃度即為電活性濃度。度。v工藝工藝 與硼擴(kuò)相近兩步工藝，不漂磷硅玻璃。與硼擴(kuò)相近兩步工藝，不漂磷硅玻璃。NPN管管Nx5*102010183*1016N+PNN型型erfc分布分布P型高斯分布型高斯分布N型襯底型襯底0 Xebj XbcjNx發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)B擴(kuò)：擴(kuò)：D1t1D2t25.

28、6 擴(kuò)散工藝質(zhì)量與檢測擴(kuò)散工藝質(zhì)量與檢測v工藝指標(biāo)工藝指標(biāo)雜質(zhì)表面濃度雜質(zhì)表面濃度Cs結(jié)深結(jié)深xj薄層電阻薄層電阻Rs分布曲線分布曲線C(x)v工藝條件工藝條件(T, t)的確定的確定解析擴(kuò)散方程獲得工藝條件，目前用計(jì)算機(jī)模擬獲得解析擴(kuò)散方程獲得工藝條件，目前用計(jì)算機(jī)模擬獲得工藝參數(shù)。工藝參數(shù)。擴(kuò)散質(zhì)量檢測擴(kuò)散質(zhì)量檢測v工藝參數(shù)：結(jié)深、雜質(zhì)分布方塊電阻、電阻工藝參數(shù)：結(jié)深、雜質(zhì)分布方塊電阻、電阻率率 染色法測結(jié)深染色法測結(jié)深陽極氧化測分布函數(shù)陽極氧化測分布函數(shù)四探針法測電阻率、方塊電阻四探針法測電阻率、方塊電阻 v電參數(shù)測量電參數(shù)測量 I-V曲線曲線Xj=Lsin 5.6.1結(jié)深的測量結(jié)深的測

29、量（染色法測結(jié)深）染色法測結(jié)深）原理原理：Si的電極電位低于的電極電位低于Cu，Si能從硫酸銅染色液中把能從硫酸銅染色液中把Cu置換出來，而且在置換出來，而且在Si表面上形成紅色表面上形成紅色Cu鍍層，又由于鍍層，又由于N型型Si的標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于的標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于P型型Si的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，因此會先在的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，因此會先在N型型Si上先有上先有Cu析出，這樣就把析出，這樣就把P-N結(jié)明顯的顯露出來。結(jié)明顯的顯露出來。染色液染色液：CuSO45H2O：48% HF：H2O=5g：2mL：50mL5.6.2表面濃度的確定 1jx R四探針法測電阻率、方塊電阻四探針法測電阻率、方塊電阻v四探針法

30、是四探針法是目前廣泛采目前廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)測用的標(biāo)準(zhǔn)測電阻率方法，電阻率方法，它具有操作它具有操作方便，精度方便，精度較高，對樣較高，對樣品的幾何形品的幾何形狀無嚴(yán)格要狀無嚴(yán)格要求等優(yōu)點(diǎn)。求等優(yōu)點(diǎn)。 IVCrrrrIV231341324122311112I-V曲線測量曲線測量v由不良的由不良的pn結(jié)反向特性結(jié)反向特性I-V曲線了解工藝情況曲線了解工藝情況5.7擴(kuò)散工藝的發(fā)展擴(kuò)散工藝的發(fā)展 v快速氣相摻雜快速氣相摻雜(rapid vapor-phase doping RVD)：摻雜劑從氣相直接向硅中擴(kuò)散、并能形成超淺結(jié)的快摻雜工藝。v氣體浸沒激光摻雜氣體浸沒激光摻雜(gas immersion l

31、aser doping GILD) 快速氣相摻雜快速氣相摻雜vRVD利用快速熱處理過程將處在摻雜氣氛中的利用快速熱處理過程將處在摻雜氣氛中的硅片快速均勻地加熱，同時(shí)摻雜劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)硅片快速均勻地加熱，同時(shí)摻雜劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生雜質(zhì)原子，雜質(zhì)原子直接從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸还枭s質(zhì)原子，雜質(zhì)原子直接從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸还璞砻嫖降墓虘B(tài)，固相擴(kuò)散，能形成表面吸附的固態(tài)，固相擴(kuò)散，能形成超淺結(jié)超淺結(jié)。v雜質(zhì)分布是非理想的指數(shù)形式，類似固態(tài)擴(kuò)散，雜質(zhì)分布是非理想的指數(shù)形式，類似固態(tài)擴(kuò)散，峰值在表面峰值在表面v快速氣相摻雜在硅片表面不形成含有雜質(zhì)的?？焖贇庀鄵诫s在硅片表面不形成含有雜質(zhì)的玻璃層。璃層。氣體浸沒激光摻雜氣體浸沒激光摻雜vGILD是是高能激光照射處高能激光照射處于氣態(tài)源于氣態(tài)源(PF5或或BF3)中的中的硅表面，使其表面熔融，硅表面，使其表面熔融，通過液相擴(kuò)散（比在固相通過液相擴(kuò)散（比在固相快約快約8個(gè)數(shù)量級），雜質(zhì)個(gè)數(shù)量級），雜質(zhì)快速并均勻地?cái)U(kuò)散到整個(gè)快速并均勻地?cái)U(kuò)散到整個(gè)熔化層中。激光照射停止，熔化層中。激光照射停止，熔體固相外延轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。熔體固相外延轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。由熔體變?yōu)榫w的速度非由熔體變?yōu)榫w的速度非?？斐？?3ms)。氣體浸沒激光摻雜特點(diǎn)氣體浸沒激光摻雜特點(diǎn)v特點(diǎn)特點(diǎn)；在液體中