擴(kuò)散制作PN結(jié)

1、第五章 擴(kuò)散制作PN 結(jié)Pfann在1952年提出采用擴(kuò)散技術(shù)改變硅或鍺的導(dǎo)電類型的設(shè)想?yún)⒖嘉墨I(xiàn)1 W.G.Pfann, Semiconductor Signal Translation Device, U.S. Patent No.2. 597,028(1952)。此后，人們對(duì)如何用擴(kuò)散方法將摻雜劑引進(jìn)硅中又提出種種設(shè)想，其研究目標(biāo)是如何控制硅中摻雜劑的濃度、均勻性、重復(fù)性以及大批量生產(chǎn)過程中如何降低成本?，F(xiàn)在，擴(kuò)散作為一項(xiàng)基礎(chǔ)核心技術(shù)在半導(dǎo)體元器件制造工藝中得到廣泛的應(yīng)用。我們可以使用下列方法將摻雜劑原子引入硅中：高溫下汽相形成的化學(xué)源擴(kuò)散；摻雜氧化物源的擴(kuò)散；離子注入層的退火與擴(kuò)散。離子

2、注入層的退火是為了激活注入原子和減少離子注入造成的晶體損傷。當(dāng)退火在高溫下進(jìn)行時(shí)，擴(kuò)散便同時(shí)發(fā)生。在集成電路工藝中離子注入有著廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)散研究的另一方面是改進(jìn)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而來的擴(kuò)散模型，從理論分析預(yù)測所得到的擴(kuò)散結(jié)果。最終目標(biāo)是根據(jù)工藝參數(shù)來計(jì)算半導(dǎo)體器件的電特性。擴(kuò)散理論主要從以下兩個(gè)方面發(fā)展，即Fick擴(kuò)散方程的連續(xù)性理論和涉及到點(diǎn)缺陷、空位和填隙原子以及雜質(zhì)原子間相互作用的原子理論。連續(xù)性理論是根據(jù)具有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散系數(shù)的Fick方程的解來描述擴(kuò)散現(xiàn)象。摻雜元素的擴(kuò)散系數(shù)可以根據(jù)表面濃度、結(jié)深或濃度分布等實(shí)驗(yàn)測試和Fick方程的解來確定。雜質(zhì)濃度不高時(shí)，測得的擴(kuò)散分布性能良好，并且與擴(kuò)散系

3、數(shù)為常數(shù)的Fick方程相符合。在這些情況中，原子怎樣運(yùn)動(dòng)并不知道。而當(dāng)雜志濃度較高時(shí)，擴(kuò)散濃度與簡單擴(kuò)散理論所預(yù)言的結(jié)果有偏離，而且雜質(zhì)擴(kuò)散還受簡單Fick擴(kuò)散定律未考慮在內(nèi)的其他因素的影響。因?yàn)閿U(kuò)散分布的測量揭示出擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)濃度依賴性，所以高濃度擴(kuò)散須應(yīng)用與濃度有關(guān)的Fick擴(kuò)散方程。與濃度有關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)已由BoltzmanMatano分析或其他的解析式?jīng)Q定?；谌毕蓦s質(zhì)相互作用的原子擴(kuò)散模型用來解釋與濃度有依賴關(guān)系的擴(kuò)散系數(shù)和包括快速熱處理（RTP）、快速熱擴(kuò)散（RTD）過程的其他反常擴(kuò)散所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。原子擴(kuò)散理論依舊處于積極的發(fā)展?fàn)顟B(tài)中。許多擴(kuò)散理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)歸并入各種工藝模型中

4、。Taurus-Process 和 TSUPREM43 Avant！CorporationEDA Process Simulation Software.結(jié)合了所有重要的物理模型來精確分析深亞微米擴(kuò)散現(xiàn)象，包括高濃度效應(yīng)(High concentration effects.)，氧化增強(qiáng)和延緩(Oxidation enhancement and retardation)（OED and ORD）效應(yīng)，摻雜劑通過電場、配對(duì)、和發(fā)射非平衡電缺陷交互作用(Dopant interaction through the electric field, pairing, and emitting non-

5、equilibrium point defects.)，瞬態(tài)增強(qiáng)擴(kuò)散(Transient enhanced diffusion)（TED）, 位錯(cuò)環(huán)形成和發(fā)展（Dislocation loop formation and evolution），雜質(zhì)在多晶硅中的擴(kuò)散與晶粒尺寸的關(guān)系（Dopant diffusion in polysilicon with dependence on grain size），雜質(zhì)與多晶硅中晶粒尺寸變化的關(guān)系（Dopant dependent grain size evolution in polysilicon），氮抑制Si/SiO2結(jié)構(gòu)中帶隙復(fù)合速率（Nitro

6、gen-suppressed interstitial recombination rate at Si/SiO2），氟增強(qiáng)雜質(zhì)在氧化層的擴(kuò)散速率（Fluorine-enhanced dopant diffusivity in the oxide），厚度（即結(jié)構(gòu)）與氧化層中雜質(zhì)擴(kuò)散速率的（Thickness (i.e. structure) dependent dopant diffusivity in the oxide），由于工藝模型仍在發(fā)展，所以我們必須意識(shí)到模型的局限性。5.1擴(kuò)散的基本原理高溫下，單晶固體中會(huì)產(chǎn)生空位和填隙原子之類的點(diǎn)缺陷。當(dāng)存在主原子或雜質(zhì)原子的濃度梯度時(shí)，點(diǎn)缺陷會(huì)

7、影響原子的運(yùn)動(dòng)。在固體中的擴(kuò)散能夠被看成為擴(kuò)散物質(zhì)借助于空位或自身填隙在晶格中的原子運(yùn)動(dòng)。圖1.所示為晶格常數(shù)為a的簡化二維晶體結(jié)構(gòu)中的原子擴(kuò)散模型。空心圓表示占據(jù)低溫晶格位置的主原子，實(shí)心圓既表示主原子也表示雜質(zhì)原子。在高溫情況下，晶格原子在其平衡晶格位置附近振動(dòng)。當(dāng)某一晶格原子偶然地獲得足夠的能量而離開晶格位置，成為一個(gè)填隙原子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空位。當(dāng)鄰近的原子向空位遷移時(shí)，這種機(jī)理稱為空位擴(kuò)散。假如填隙原子從一處移向另一處而并不站據(jù)晶格位置，則稱為填隙擴(kuò)散。一個(gè)比主原子小的原子通常做填隙式運(yùn)動(dòng)。填隙原子擴(kuò)散所需的激活能比那些按空位機(jī)理擴(kuò)散的原子所需的激活能要低。采用統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的方法能估算給

8、定晶體的點(diǎn)缺陷的濃度和激活能并發(fā)展其擴(kuò)散理論2 R.B.Fair, “Concentration Profiles of Diffused Dopants in Silicon,” in F.F.Y.Wang Ed., Impurity Doping Process in Silicon, NorthHolland, New York. 1981, Chapter7.。然后將理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)做出比較。例如，就硅而言，和族元素通常認(rèn)為是空位機(jī)理占優(yōu)勢的擴(kuò)散。和族元素的離子半徑不大，他們?cè)诠柚卸寄芸焖贁U(kuò)散。通常認(rèn)為他們是按填隙機(jī)理闊撒的。當(dāng)雜質(zhì) 濃度高，呈現(xiàn)位錯(cuò)或其他高濃度雜質(zhì)存在時(shí)，用這些簡單

9、的原子機(jī)理來描述擴(kuò)散就不適當(dāng)了。 當(dāng)雜質(zhì)濃度和位錯(cuò)密度都不高時(shí)，雜質(zhì)擴(kuò)散可以唯象地用擴(kuò)散系數(shù)恒定的Fick定律來描述。對(duì)于高雜質(zhì)濃度情況，則要用與濃度有關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)與所假定的原子擴(kuò)散機(jī)理或其他機(jī)理相結(jié)合來描述。5.1.1一維Fick擴(kuò)散方程1855年Fick發(fā)表了他的擴(kuò)散理論。假定在無對(duì)流液體(或氣體)稀釋溶液內(nèi)，按一維流動(dòng)形式，每單位面積內(nèi)的溶質(zhì)傳輸可由如下方程描述： （1）式中J是單位面積的溶質(zhì)的傳輸速率（或擴(kuò)散通量），N是溶質(zhì)的濃度，假定它僅僅是x和t的函數(shù)，x是溶質(zhì)流動(dòng)方向的坐標(biāo)，t是擴(kuò)散時(shí)間，D是擴(kuò)散系數(shù)。 式（1）稱為Fick擴(kuò)散第一定律。它表明擴(kuò)散物質(zhì)按溶質(zhì)濃度減少的方向（梯度的

10、負(fù)方向）流動(dòng)。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，溶質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化必須與擴(kuò)散通量隨位置的變化一樣，即： （2）將式（1）代入式（2），得到一維形式的Fick第二定律： （3）溶質(zhì)濃度不高時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)可以認(rèn)為是常數(shù)，式（3）便成為： （4）方程（4）稱為簡單的Fick擴(kuò)散方程。5.1.2恒定擴(kuò)散系數(shù)硅晶體中形成結(jié)的雜質(zhì)擴(kuò)散可以在兩種條件下容易地進(jìn)行，一種是恒定表面濃度條件，另一種是恒定摻雜劑總量條件。恒定表面濃度擴(kuò)散在整個(gè)擴(kuò)散過程中，硅表面及表面以外的擴(kuò)散摻雜劑濃度保持不變。t=0 時(shí)初始條件為N（x，t）=0 （5）邊界條件為：N（x，t）= NS （6）和 N（x，t）= 0 （7）方程（4）滿足初始條件

11、（5）和邊界條件（6）（7）的解為： （8）Ns是恒定的表面濃度，D是恒定的擴(kuò)散系數(shù)，x是位置坐標(biāo)，t是擴(kuò)散時(shí)間，erfc是余誤差函數(shù)符號(hào)。擴(kuò)散物質(zhì)濃度等于基體濃度的位置，定義為擴(kuò)散結(jié)xj，假定擴(kuò)散層的導(dǎo)電類型與基體的導(dǎo)電類型相反，在余誤差函數(shù)分布曲線圖上，可以方便地表示出擴(kuò)散摻雜的分布和PN結(jié)附近基體摻雜的分布。恒定摻雜劑總量擴(kuò)散 假定在硅片表面上以固定（恒定）的單位面積摻雜劑總量Q淀積一薄層摻雜劑并向硅里擴(kuò)散。基體具有相反導(dǎo)電類型的摻雜濃度Nb（原子/cm3）。初始條件：N（x，t）=0 （9）邊界條件； （10）和 N（x，）= 0 （11）滿足條件（8）（10）的方程（4）的解為： （

12、12）令x=0，得到表面濃度： （13）式（12）稱為高斯分布，相應(yīng)的擴(kuò)散條件叫做預(yù)淀積擴(kuò)散。再分布擴(kuò)散 在太陽電池制造工藝中通常采用淺結(jié)擴(kuò)散，一般不再有意采用再擴(kuò)散。但是在后續(xù)高溫處理工序中，將產(chǎn)生再分布效應(yīng)。氧化氣氛中再分布擴(kuò)散方程涉及到可動(dòng)邊界問題，因此求解很難。其處理方法是由已知的初始分布，導(dǎo)出相關(guān)的數(shù)學(xué)公式，再用數(shù)值方法求解。包括氧化分凝效應(yīng)的擴(kuò)散方程求解方法已經(jīng)歸并在相關(guān)的EDA（Electronic Design Automation）程序軟件中。5.1.3與濃度有關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)在高濃度情況下，當(dāng)擴(kuò)散條件接近恒定表面濃度或恒定摻雜劑總量情況時(shí)，測量得的雜質(zhì)分布與（8）和（12）式有

13、偏差。在高濃度區(qū)內(nèi)，雜質(zhì)分布常常能用與濃度有關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)來表示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量的分布，我們可以用（3）式來確定與濃度有關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)。下面分別討論恒定表面濃度和恒定摻雜劑總量的擴(kuò)散。恒定表面濃度 按照方程（3）。如果D僅僅是摻雜濃度N的函數(shù)，表面濃度維持為某一恒定值的話，則（3）式可以變換為具有新變量的常微分方程，式中 （14）變量代換后N和D都隱含x，根據(jù)（3）式可以求得； （15）式（15）是根據(jù)無窮大系統(tǒng)求出的，。為了根據(jù)（15）式來確定與濃度有關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)，我們首先按濃度（或歸一化濃度）與的對(duì)應(yīng)關(guān)系作出實(shí)測的擴(kuò)散分布圖。再按照使曲線下面左右兩邊面積相等的方法選取原點(diǎn)。然后，利用計(jì)算數(shù)值積分

14、 或 以及在整個(gè)擴(kuò)散系數(shù)不是常數(shù)的區(qū)域內(nèi)求每個(gè)值的微商便能夠確定與濃度有關(guān)的擴(kuò)散速率。原點(diǎn)左邊，是負(fù)值。N僅僅是函數(shù)的條件，可以利用在給定濃度數(shù)值下作出x與t1/2關(guān)系曲線的方法得到校驗(yàn)（我們將能夠觀察到直線關(guān)系）。上述推導(dǎo)稱為Boltzman變換，Matano采用該方法研究了跨越兩種金屬界面的合金互擴(kuò)散。因此又稱為BoltzmanMatano分析法。恒定摻雜劑總量 在該情形下，摻雜劑總量相對(duì)于擴(kuò)散時(shí)間保持不變。即（常數(shù)） （16）式中Q為擴(kuò)散層中單位面積的摻雜劑總量，與擴(kuò)散時(shí)間無關(guān)。根據(jù)濃度分布確定擴(kuò)散系數(shù)的表達(dá)式由 （17）給出，式中Ns是表面濃度，x0是有確定D值的位置，（dN/dx）|

15、x=0為x=0處的濃度梯度。對(duì)于在氧化氣氛中進(jìn)行的擴(kuò)散而言，假定氧化速率是擴(kuò)散時(shí)間的線性函數(shù)，那么（17）式對(duì)應(yīng)的方程式為： （17a）式中d是氧化層厚度，它等于2vt，v是氧化表面的內(nèi)推速率。（17a）是在恒定摻雜劑總量的假設(shè)下推導(dǎo)出的，但是當(dāng)雜質(zhì)原子結(jié)合進(jìn)氧化層中時(shí)，該假定便被破壞了。也就是說，實(shí)際上我們還要考慮到氧化過程中摻雜劑原子在基體和氧化層之間的分凝效應(yīng)。5.1.4擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系在整個(gè)擴(kuò)散溫度范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)測量得的擴(kuò)散系數(shù)常能表示為； （18）式中D0是本征擴(kuò)散系數(shù)，形式上等于擴(kuò)散溫度趨于無窮大時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)。根據(jù)包括缺陷雜質(zhì)相互作用的原子 擴(kuò)散理論，是與原子躍遷頻率或晶格振動(dòng)頻

16、率（通常為1013Hz）及雜志、缺陷或缺陷雜質(zhì)對(duì)的躍遷距離有關(guān)。在擴(kuò)散溫度范圍內(nèi)，D0常?？梢哉J(rèn)為與溫度無關(guān)。E是擴(kuò)散激活能，它與缺陷雜質(zhì)復(fù)合體的動(dòng)能和生成能有關(guān)。T 是溫度。k是玻耳茲曼常數(shù)。在金屬和硅中某些遵循簡單空位擴(kuò)散模型的元素，E在34eV之間，而填隙擴(kuò)散模型的E則在0.61.2eV之間。因此，利用作為溫度函數(shù)的擴(kuò)散系數(shù)的測量，我們可以確定某種雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散是填隙機(jī)理或是空位機(jī)理占優(yōu)勢。對(duì)于快擴(kuò)散物質(zhì)來說，實(shí)測的激活能一般小于2eV，其擴(kuò)散機(jī)理可以認(rèn)為與填隙原子的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。5.2 擴(kuò)散參數(shù)在太陽電池生產(chǎn)中，對(duì)擴(kuò)散層的表面濃度有一定的要求。實(shí)踐中，表面濃度可以通過測量擴(kuò)散層的結(jié)深和“

17、方塊電阻”，然后計(jì)算得出。1.擴(kuò)散結(jié)深 就是PN結(jié)所在的幾何位置，也即擴(kuò)散雜質(zhì)濃度與襯低雜質(zhì)濃度相等的位置到硅片表面的距離，用xj來表示。結(jié)深xj可以表示為： （19）A是一個(gè)與NS、NB有關(guān)的常數(shù)。對(duì)應(yīng)不同的雜質(zhì)濃度 分布函數(shù)，其表達(dá)式也不同： 余誤差函數(shù)分布 高斯函數(shù)分布erfc-1 稱為反余誤差函數(shù)；ln為自然對(duì)數(shù)。在通常的工藝范圍，NS/NB在102107范圍時(shí)，可以查工藝圖表確定。2.擴(kuò)散層的方塊電阻 擴(kuò)散層的方塊電阻又叫做薄層電阻，用RS或R來表示。如圖4-1.所示，它表示表面為正方形的擴(kuò)散薄層，在電流方向上所呈現(xiàn)出來的電阻。由電阻公式可知，薄層電阻表達(dá)式可以寫成： （20）式中、

18、分別為擴(kuò)散薄層的平均電阻率和平均電導(dǎo)率。由（20）式可知，薄層電阻的大小與薄層的長短無關(guān)，而與薄層的平均電導(dǎo)率成反比，與薄層厚度（即結(jié)深xj）成反比。為了表示薄層電阻不同于一般的電阻，其單位用（歐姆/方塊）或/表示。下面我們簡單分析一下薄層電阻的物理意義。我們知道，在雜質(zhì)均勻分布的半導(dǎo)體中，假設(shè)在室溫下雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，則半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度就可以用凈雜質(zhì)濃度來表示。對(duì)于擴(kuò)散薄層來說，在擴(kuò)散方向上各處的雜質(zhì)濃度是不相同的，載流子遷移率也是不同的。但是當(dāng)我們使用平均值概念時(shí)，擴(kuò)散薄層的平均電阻率與平均雜質(zhì)濃度應(yīng)該有這樣的關(guān)系： （21）式中q為電子電荷電量；為平均雜質(zhì)濃度；為平均遷移率。把（2

19、1）式代入（20）式，可以得到： （22）Q為單位面積擴(kuò)散層內(nèi)的摻雜劑總量。由（22）式 可以看到，薄層電阻與單位面積擴(kuò)散層內(nèi)的凈雜質(zhì)總量Q成反比。因此RS的數(shù)值就直接反映了擴(kuò)散后在硅片內(nèi)的雜質(zhì)量的多少。3.擴(kuò)散層的表面雜質(zhì)濃度 表面雜質(zhì)濃度是半導(dǎo)體器件的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。在太陽電池的設(shè)計(jì)、制造過程中，或者在分析器件特性時(shí)，經(jīng)常會(huì)用到它。采用現(xiàn)代儀器分析技術(shù)可以直接測量它，但是測量過程比較麻煩，費(fèi)用價(jià)格昂貴。因次，在生產(chǎn)實(shí)踐中，通常采用工程圖解法和計(jì)算法間接得到表面雜質(zhì)濃度的數(shù)值。5.3 擴(kuò)散方法和工藝條件的選擇擴(kuò)散條件的選擇 在半導(dǎo)體生產(chǎn)中，影響擴(kuò)散層質(zhì)量的因素很多。而這些因素之間又都存在著

20、相互影響關(guān)系。因此，只有全面地正確分析各種因素的作用和相互影響，才能使所選擇的工藝條件真正達(dá)到預(yù)期的目的。不過，擴(kuò)散條件的選擇，主要是雜質(zhì)源、擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間三個(gè)方面。選擇這些條件應(yīng)遵循以下原則：a.能否達(dá)到結(jié)構(gòu)參數(shù)及質(zhì)量要求；b.能否易于控制，均勻性和重復(fù)是否好；c.對(duì)操作人員及環(huán)境有無毒害；d.有無好的經(jīng)濟(jì)效益。（1）擴(kuò)散雜質(zhì)源的選擇 選取什么種類的雜質(zhì)源，是根據(jù)器件的制造方法和結(jié)構(gòu)參數(shù)的要求來確定的。具體選擇還需要遵循如下原則：a、雜質(zhì)的導(dǎo)電類型要于襯底導(dǎo)電類型相反。b、應(yīng)選擇容易獲得高純度、高蒸汽壓且使用周期長的雜質(zhì)源。c、雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的固溶度要大于所需要的表面雜質(zhì)濃度。d、盡量使

21、用毒性小的雜質(zhì)源。上面所說的只是如何選擇雜質(zhì)源的種類，而每種雜質(zhì)源又有多種形式。因此選擇雜質(zhì)源一定要慎重。從雜質(zhì)源的組成來看，又有單質(zhì)元素、化合物和混合物等多種形式；從雜質(zhì)源的形態(tài)來看，又有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)多種形式。（2）擴(kuò)散溫度和時(shí)間的選擇擴(kuò)散溫度和時(shí)間，平面器件制造工藝中的兩個(gè)及其重要的工藝條件，它們直接決定著擴(kuò)散分布結(jié)果。因此，能否正確地選擇擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間，是擴(kuò)散的結(jié)果能否滿足要求的關(guān)鍵。由于擴(kuò)散的目的是形成一定的雜質(zhì)分布，使器件具有合理的表面濃度和結(jié)深。因此，如何保證擴(kuò)散層的表面濃度和結(jié)深符合設(shè)計(jì)要求，就成為選擇擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間的主要依據(jù)了。如何使擴(kuò)散結(jié)果具有良好的均勻性和重復(fù)性

22、，是選擇擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間的第二個(gè)依據(jù)。對(duì)于一定的結(jié)深要求，擴(kuò)散溫度選得過低，時(shí)間就要得很長，生產(chǎn)周期就要長，擴(kuò)散的均勻性和重復(fù)性就差。相反，如果溫度選得過高，時(shí)間就會(huì)很短，在生產(chǎn)上難于控制，擴(kuò)散均勻性和重復(fù)性也不會(huì)好。因此，選擇擴(kuò)散溫度時(shí)，盡量在所選的溫度附近，雜質(zhì)的固溶度、擴(kuò)散系數(shù)和雜質(zhì)源的分解速度隨溫度的變化小些。這樣，可以減小擴(kuò)散過程中溫度波動(dòng)對(duì)擴(kuò)散結(jié)果的影響。根據(jù)上述一些依據(jù)，在擴(kuò)散過程中常常先初步選定擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間進(jìn)行投片試驗(yàn)，看看擴(kuò)散結(jié)果是否符合要求。然后再根據(jù)投片試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)擴(kuò)散條件作適當(dāng)?shù)男拚?，就能確定出合適的擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間。2. 擴(kuò)散方法生產(chǎn)實(shí)踐中人們習(xí)慣以雜質(zhì)源類

23、型的不同來稱呼擴(kuò)散方法，例如液態(tài)源磷擴(kuò)散，淡化硼固態(tài)源擴(kuò)散等。下面我們以太陽電池制造工藝采用的磷擴(kuò)散方法來做介紹。（1）POCl3液態(tài)源磷擴(kuò)散用保護(hù)性氣體（氮?dú)猓┩ㄟ^恒溫的液態(tài)源瓶（鼓泡或吹過表面），把雜質(zhì)源蒸汽帶入高溫?cái)U(kuò)散爐中，經(jīng)高溫?zé)岱纸馔杵砻娣磻?yīng)，還原出雜質(zhì)原子，并向硅片內(nèi)擴(kuò)散。POCl3在常溫時(shí)就有很高的飽和蒸汽壓，對(duì)制作高表面濃度的發(fā)射區(qū)擴(kuò)散很適用。它在600以上發(fā)生分解熱分解，生成五氯化磷和五氧化二磷，五氯化磷是一種難于分解的物質(zhì)。如果它附著在硅片和擴(kuò)散爐石英管表面，會(huì)腐蝕硅片和石英管。因此在擴(kuò)散時(shí)，要盡量消除五氯化磷的產(chǎn)生。具體做法是在擴(kuò)散時(shí)，同時(shí)通入足量的氧氣，使五氯化磷氧

24、化分解成五氧化二磷和氯氣。擴(kuò)散系統(tǒng)如圖4-1.所示。圖4-1. POCl3液態(tài)源磷擴(kuò)散系統(tǒng)示意圖與擴(kuò)散過程相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：所生成的磷原子擴(kuò)散進(jìn)入硅內(nèi)部，形成N型雜質(zhì)分布。產(chǎn)生的氯氣隨尾氣排出，經(jīng)過液封瓶吸收后再放空進(jìn)入大氣中。（2）二氧化硅乳膠源磷擴(kuò)散二氧化硅乳膠源磷擴(kuò)散是利用烷氧基硅烷的水解聚合物，將磷摻雜源溶于其中，再使用噴涂、旋涂等方法將其均勻涂布在硅片表面。在通有適當(dāng)氣氛的擴(kuò)散爐內(nèi)進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散，摻磷乳膠源在溫度作用下還原為摻磷二氧化硅，其中的磷原子向硅中擴(kuò)散，形成一定的雜質(zhì)濃度分布，從而在硅片上形成PN結(jié)?？梢酝ㄟ^改變二氧化硅乳膠源中摻雜劑含量、涂布厚度、擴(kuò)散溫度、擴(kuò)散時(shí)間及

25、擴(kuò)散時(shí)的氣氛等條件來控制擴(kuò)散分布。（3）二氧化硅磷漿印刷磷擴(kuò)散與二氧化硅乳膠源磷擴(kuò)散相似，只是涂布擴(kuò)散源的方式采用絲網(wǎng)印刷的方法，在太陽電池的生產(chǎn)過程中易于實(shí)現(xiàn)在線大批量連續(xù)加工，提高產(chǎn)率。5.4 擴(kuò)散質(zhì)量的檢驗(yàn)表面質(zhì)量檢驗(yàn)擴(kuò)散層表面質(zhì)量主要指有無合金點(diǎn)、麻點(diǎn)、表面光潔情況。這些表面質(zhì)量問題，一般用目檢或在顯微鏡下觀察判別。一旦發(fā)現(xiàn)上述質(zhì)量問題，應(yīng)立即進(jìn)行分析，找出原因，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。結(jié)深的檢驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)深，主要看其是否符合設(shè)計(jì)規(guī)定。較深的結(jié)，一般可用磨角染色發(fā)、滾槽法測量。他們的測量是采用 幾何、光學(xué)放大幾PN結(jié)化學(xué)染色的原理實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于太陽電池來說，其結(jié)構(gòu)要求采用淺結(jié)，商業(yè)化地面用太陽

26、電池的結(jié)深一般設(shè)計(jì)為0.5微米以內(nèi)，用上述兩種方法都難于測量。用陽極氧化去層法，可以滿足測量要求。陽極氧化去層法測量擴(kuò)散結(jié)深的裝置如圖4-2.所示。陽極氧化去層法又叫做微分電導(dǎo)率法，其測量方法是在室溫條件下，用電化學(xué)陽極氧化的方法，在擴(kuò)散硅片表面氧化生長一層有一定厚度的二氧化硅膜層，然后用氫氟酸將膜去除，測定硅片表面的薄層電阻值（電導(dǎo)率）。重復(fù)上述做法，直到導(dǎo)電類型反型為止。此時(shí)，根據(jù)所去除的氧化層總厚度，可以計(jì)算出PN結(jié)的結(jié)深。陽極氧化電解溶液可以使用四氫糠醇和亞硝酸鈉的混合液。用鉑片做陰極，硅片作為陽極。在兩個(gè)電極間加一定電壓，在硅片表面生長出一定厚度的二氧化硅層。每次氧化后去除的二氧化硅

27、厚度為d，去除n次達(dá)到反型，則去除的二氧化硅總厚度為nd。從硅片上去除的硅片厚度為：xj = 0.43nd式中系數(shù)0.43表示獲得1微米厚度的二氧化硅只需消耗0.43微米的硅層。xj就是結(jié)深。這種測量方法的測量誤差可以小于0.03微米。 圖4-2. 陽極氧化法測結(jié)深裝置 圖4-3.四探針法測量方塊電阻示意圖方塊電阻的檢驗(yàn)方塊電阻的測量采用四探針法測量。直列四探針測量方塊電阻的裝置如圖4-3所示。四探針測試法使用四根彼此間距為S的探針，成一直線接觸在擴(kuò)散樣片上。靠外邊兩根探針成為電流探針，由穩(wěn)壓電源供電，在擴(kuò)散薄層中通過一定量的電流I。中間兩根探針稱為電壓探針，用來測定兩根探針之間的電位差V，即

28、可測出Rs。如果被測樣片的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探針間距時(shí)，方塊電阻可以表示為； （23）式中C為修正因子。其數(shù)值由被測樣品的長、寬、厚尺寸和探針間距決定。表面雜質(zhì)濃度的檢驗(yàn)在生產(chǎn)實(shí)踐中，通常采用工程圖解法和計(jì)算法間接得到表面雜質(zhì)濃度的數(shù)值。5.5快速熱擴(kuò)散（RTD）、與快速熱處理工藝（RTP）4 R.Singh，J. Appl. Phys. 63. R59（1988）快速熱處理（RTP）已經(jīng)成為半導(dǎo)體器件制造的關(guān)鍵技術(shù)，并在許多應(yīng)用場合取代了傳統(tǒng)高溫爐工藝。例如超薄絕緣柵氧化、離子注入激活、金屬硅化物層的形成等等。與擴(kuò)散相關(guān)的快速熱處理（Rapid Thermal Processing）工藝，基于不連

29、續(xù)的光源輻射能量和熱能供給方式，與傳統(tǒng)擴(kuò)散爐工藝（Conventional Furnace Processing）相比，它具有節(jié)約能耗，提高產(chǎn)率的優(yōu)點(diǎn)。在工藝原理上也有著重要的區(qū)別。與傳統(tǒng)的擴(kuò)散爐工藝不同，小于0.8微米波長的光子在RTP的熱能傳遞過程中起著關(guān)鍵作用5 R.Singh，in Handbook of Compound Semiconductors, edit by P.H.Holloway and G.E.Mc.Guire(Noyes ,New Jersey,1995),Chap.9.p.442.。由于高能量光子參與作用，摻雜原子的擴(kuò)散系數(shù)得到了提高，因此能夠在短時(shí)間內(nèi)完成擴(kuò)散摻雜過程。傳統(tǒng)擴(kuò)散爐由于系統(tǒng)熱容量和熱量傳輸?shù)焦杵墓ぷ鞣绞?，限制了它的最大升溫速率和降溫速率在十幾K的范圍。由于不均勻加熱硅片引起的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致硅片破裂，為了克服這一缺點(diǎn)，進(jìn)出爐速度也必須限制在某一數(shù)值之下?？焖贌崽幚砉に嚥捎幂椛鋫鳠峁ぷ鞣绞剑瑔纹幚?，可以實(shí)現(xiàn)均勻加熱和冷卻，升降溫速率可以達(dá)到數(shù)百K/s.而不引起硅片應(yīng)力損傷。5.5.1 輻射光譜的性質(zhì)大多數(shù)RTP使用鹵鎢燈作為輻射源，給硅片加熱提供能量。鹵鎢燈由石英燈管和封裝在等關(guān)內(nèi)的金屬鎢燈絲構(gòu)成，石英燈管內(nèi)還充滿鹵素（溴或碘），用來提高燈絲溫度