第三章擴(kuò)散工藝6

1、n擴(kuò)散是微觀粒子（原子、分子等）的一種極為普遍擴(kuò)散是微觀粒子（原子、分子等）的一種極為普遍的的熱運(yùn)動(dòng)形式熱運(yùn)動(dòng)形式，運(yùn)動(dòng)結(jié)果使?jié)舛确植稼呌诰鶆颉?，運(yùn)動(dòng)結(jié)果使?jié)舛确植稼呌诰鶆颉?條件條件： 濃度差濃度差 熱運(yùn)動(dòng)存在熱運(yùn)動(dòng)存在n集成電路制造中的固態(tài)擴(kuò)散工藝簡(jiǎn)稱(chēng)集成電路制造中的固態(tài)擴(kuò)散工藝簡(jiǎn)稱(chēng)擴(kuò)散擴(kuò)散，是將一是將一定數(shù)量的某種雜質(zhì)摻入到硅晶體中或其他半導(dǎo)體晶定數(shù)量的某種雜質(zhì)摻入到硅晶體中或其他半導(dǎo)體晶體中去，以改變電學(xué)性質(zhì)，并使摻入的雜質(zhì)數(shù)量、體中去，以改變電學(xué)性質(zhì)，并使摻入的雜質(zhì)數(shù)量、分布形式和深度等都滿(mǎn)足要求。分布形式和深度等都滿(mǎn)足要求。n擴(kuò)散是摻雜的一種方法擴(kuò)散是摻雜的一種方法。3.1 雜質(zhì)的

2、擴(kuò)散機(jī)構(gòu)雜質(zhì)的擴(kuò)散機(jī)構(gòu)n主要可分為以下兩種機(jī)構(gòu)，主要可分為以下兩種機(jī)構(gòu)， 替位式式擴(kuò)散替位式式擴(kuò)散和和間隙式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散。n存在于晶格間隙的雜質(zhì)稱(chēng)為存在于晶格間隙的雜質(zhì)稱(chēng)為間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)n間隙式雜質(zhì)從一個(gè)間隙位置到另一個(gè)間隙位間隙式雜質(zhì)從一個(gè)間隙位置到另一個(gè)間隙位置上的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為置上的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為間隙式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散 間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)主間隙式雜質(zhì)主要是半徑小、且不要是半徑小、且不容易和硅原子鍵合容易和硅原子鍵合的原子，它們以的原子，它們以間間隙方式隙方式在晶體中作在晶體中作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。n占據(jù)晶體內(nèi)晶格格點(diǎn)上的正常位置的雜質(zhì)原子，稱(chēng)占據(jù)晶體內(nèi)晶格格點(diǎn)上的正常位置的雜質(zhì)原

3、子，稱(chēng)替位雜質(zhì)替位雜質(zhì)n替位雜質(zhì)從一個(gè)晶格位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)晶格位置上替位雜質(zhì)從一個(gè)晶格位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)晶格位置上稱(chēng)為稱(chēng)為替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散n替位雜質(zhì)的近鄰晶格上出現(xiàn)空位，替位雜質(zhì)才能比替位雜質(zhì)的近鄰晶格上出現(xiàn)空位，替位雜質(zhì)才能比較容易的運(yùn)動(dòng)到近鄰空位上。當(dāng)近鄰沒(méi)有空位時(shí)，較容易的運(yùn)動(dòng)到近鄰空位上。當(dāng)近鄰沒(méi)有空位時(shí)，通過(guò)通過(guò)換位換位才能實(shí)現(xiàn)替位雜質(zhì)從一個(gè)晶格位置運(yùn)動(dòng)到才能實(shí)現(xiàn)替位雜質(zhì)從一個(gè)晶格位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)晶格位置上，這種換位會(huì)引起周?chē)Ц癜l(fā)生另一個(gè)晶格位置上，這種換位會(huì)引起周?chē)Ц癜l(fā)生很大的畸變，需要相當(dāng)大的能量，這個(gè)過(guò)程是難以很大的畸變，需要相當(dāng)大的能量，這個(gè)過(guò)程是難以實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)的。n

4、替位雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)同間隙雜質(zhì)相比一般來(lái)說(shuō)更困難替位雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)同間隙雜質(zhì)相比一般來(lái)說(shuō)更困難3.2 擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程n擴(kuò)散是隨機(jī)跳動(dòng)產(chǎn)生的原子運(yùn)動(dòng)，如果擴(kuò)散是隨機(jī)跳動(dòng)產(chǎn)生的原子運(yùn)動(dòng)，如果存在存在雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度則將產(chǎn)生雜質(zhì)的則將產(chǎn)生雜質(zhì)的凈擴(kuò)凈擴(kuò)散流。散流。n決定擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)重要因素：決定擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)重要因素： 濃度差、溫度、粒子大小、晶體結(jié)構(gòu)、濃度差、溫度、粒子大小、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷濃度以及粒子運(yùn)動(dòng)方式缺陷濃度以及粒子運(yùn)動(dòng)方式n擴(kuò)散的結(jié)果：擴(kuò)散的結(jié)果： 粒子濃度趨于平衡粒子濃度趨于平衡n3.2.1 菲克第一定律菲克第一定律 1855年，菲克（年，菲克（Fick）提出描述物質(zhì)擴(kuò)散的第

5、一定律）提出描述物質(zhì)擴(kuò)散的第一定律, 他認(rèn)為他認(rèn)為,如果在一個(gè)有限的基體中存在雜質(zhì)濃度梯度如果在一個(gè)有限的基體中存在雜質(zhì)濃度梯度 ，則雜質(zhì)將會(huì)產(chǎn)生，則雜質(zhì)將會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，而且擴(kuò)散方向是指向濃度低的方向。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，而且擴(kuò)散方向是指向濃度低的方向。 菲克第一定律：菲克第一定律： 雜質(zhì)的擴(kuò)散流密度正比于雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)的擴(kuò)散流密度正比于雜質(zhì)濃度梯度 擴(kuò)散粒子密度擴(kuò)散粒子密度J： 單位時(shí)間通過(guò)單位面積的雜質(zhì)數(shù)單位時(shí)間通過(guò)單位面積的雜質(zhì)數(shù) D為擴(kuò)散系數(shù)，單位是為擴(kuò)散系數(shù)，單位是cm2/s C(x,t)雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度 負(fù)號(hào)表示粒子是從濃度高向濃度低處擴(kuò)散即逆濃度梯度的方向負(fù)號(hào)表示粒子是從濃度高向濃度低

6、處擴(kuò)散即逆濃度梯度的方向而擴(kuò)散而擴(kuò)散 xCD) t , x( JxC3.2.2擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)Dn表征擴(kuò)散能力的重要參數(shù)。表征擴(kuò)散能力的重要參數(shù)。 它的數(shù)值越大，表示擴(kuò)散得越快，在相同它的數(shù)值越大，表示擴(kuò)散得越快，在相同時(shí)間內(nèi)，在晶體中擴(kuò)散得越深其數(shù)學(xué)表達(dá)式時(shí)間內(nèi)，在晶體中擴(kuò)散得越深其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：為： D=D0exp（-E/kT） 式中式中 ： E擴(kuò)散過(guò)程中的激活能，實(shí)際上就是雜質(zhì)原子擴(kuò)散擴(kuò)散過(guò)程中的激活能，實(shí)際上就是雜質(zhì)原子擴(kuò)散時(shí)所必須克服的某種勢(shì)壘。時(shí)所必須克服的某種勢(shì)壘。 D0 ：溫度：溫度T為無(wú)窮大時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)為無(wú)窮大時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)D的表觀值。的表觀值。 k ：玻耳茲曼常數(shù)，其值為：玻

7、耳茲曼常數(shù)，其值為：8.62 10-5ev/0k T：絕對(duì)溫度（：絕對(duì)溫度（ k）。）。 幾種雜質(zhì)在硅中的幾種雜質(zhì)在硅中的D0和和 E的數(shù)值的數(shù)值 雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素D D0 0（cmcm2 2/s/s） E E（evev）適用的溫度范圍（適用的溫度范圍（ C C）砷砷 （AsAs）68686 64 423231000100013501350銻銻 （SbSb）12129 93 398981190119013981398磷磷 （P P ）10105 53 3969690090013001300硼硼 （B B ）25253 351511050105013501350鋁鋁 （AlAl）4 48 83

8、336361050105013801380鎵鎵 （GaGa）4 412121130113013581358銦銦 （InIn）16165 53 390901105110513601360碳碳 （C C ）0 033332 292921070107014001400銅銅 （CuCu）4 4 10-10-2 21 10 080080011001100銀銀 （AgAg）2 20 0 1010-3-31 160601100110013501350金金 （AuAu）1 11 1 1010-3-31 1121280080012001200鐵鐵 （FeFe）6 62 2 1010-3-30 087871100

9、110012601260鋰鋰 （LiLi）2 25 5 1010-3-30 0655655252513501350 D=D0exp（-E/kT）n溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)D越大，雜質(zhì)在硅越大，雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散就進(jìn)入得越快。中的擴(kuò)散就進(jìn)入得越快。 n溫度溫度一定，不同雜質(zhì)在同一種材料中的一定，不同雜質(zhì)在同一種材料中的D不同的，同一種雜質(zhì)在不同材料中的不同的，同一種雜質(zhì)在不同材料中的D不同的。不同的。n同時(shí)，同時(shí)，D還與襯底晶向，晶格完整性，還與襯底晶向，晶格完整性，襯底材料的本征濃度、擴(kuò)散雜質(zhì)的表面襯底材料的本征濃度、擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度有關(guān)濃度有關(guān)3.2.3 擴(kuò)散方程（擴(kuò)散方程（第二

10、菲克定律第二菲克定律） 我們分析一下一維情況下，沿?cái)U(kuò)散方向，從我們分析一下一維情況下，沿?cái)U(kuò)散方向，從x到到x+x,面積面積為為S的一個(gè)小體積元內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量隨時(shí)間的變化情況。的一個(gè)小體積元內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量隨時(shí)間的變化情況。 在在t時(shí)刻，設(shè)體積元內(nèi)的雜質(zhì)濃度為時(shí)刻，設(shè)體積元內(nèi)的雜質(zhì)濃度為C(x,t) 在在t+t時(shí)刻，設(shè)體積元內(nèi)的雜質(zhì)濃度為時(shí)刻，設(shè)體積元內(nèi)的雜質(zhì)濃度為C(x,t+t)經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)t，該體積元內(nèi)雜質(zhì)變化量為：，該體積元內(nèi)雜質(zhì)變化量為： C(x,t)Sx- C(x,t+t)Sx= -C(x,t+t)- C(x,t)Sx （3-10）經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)t，該體積元內(nèi)雜質(zhì)變化量是由通過(guò)，該體積元內(nèi)雜質(zhì)變化量是

11、由通過(guò)x處和處和 x+x處兩界面處兩界面的流量差造成的的流量差造成的,有有 J(x+x,t)St- J(x,t)St= J(x+x,t) - J(x,t)St （3-11）J2xx+xx ssJ1n如果體積元內(nèi)的雜質(zhì)不產(chǎn)生也不消失，則如果體積元內(nèi)的雜質(zhì)不產(chǎn)生也不消失，則（3-10）=（3-11）有）有 22x) t , x(CDt) t , x(C第二菲克定律：描述了雜質(zhì)濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律第二菲克定律：描述了雜質(zhì)濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律擴(kuò)散方程：擴(kuò)散方程：x) t , x( Jt) t , x(C),(),(xtxCDxttxC(3-12)(3-12)(3-13)(3-13)(3-14)(3-1

12、4)3.3 擴(kuò)散雜質(zhì)的分布擴(kuò)散雜質(zhì)的分布n由擴(kuò)散方程以及邊界條件和初始條件不由擴(kuò)散方程以及邊界條件和初始條件不同，擴(kuò)散方程的解不同，雜質(zhì)在硅中的同，擴(kuò)散方程的解不同，雜質(zhì)在硅中的分布也不同。分布也不同。n目前，擴(kuò)散分布主要有兩種：目前，擴(kuò)散分布主要有兩種： 恒定表面源擴(kuò)散、有限表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散、有限表面源擴(kuò)散 3.3.1恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散 n在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中，硅片表面始終暴露在在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中，硅片表面始終暴露在具有恒定而均勻的雜質(zhì)源的氣氛里。即表具有恒定而均勻的雜質(zhì)源的氣氛里。即表面的雜質(zhì)濃度面的雜質(zhì)濃度Ns始終不變。始終不變。n邊界條件邊界條件: C（0，t）=Cs x=

13、0n初始條件：在擴(kuò)散的開(kāi)始時(shí)間初始條件：在擴(kuò)散的開(kāi)始時(shí)間(t=0）,除了除了Si表面（表面（x=0）與雜質(zhì)氣體接觸外，）與雜質(zhì)氣體接觸外，Si片片內(nèi)部各點(diǎn)都沒(méi)有雜質(zhì)擴(kuò)進(jìn)去，即內(nèi)部各點(diǎn)都沒(méi)有雜質(zhì)擴(kuò)進(jìn)去，即 C（x，0）= 0 t=0得到方程組：得到方程組：C（0，t）=Cs x=0C（x，0）=0 t=0dxxCDdxtC22DtxerfcCDtxerfCdeCtxCSSDtxS2)21 (21 (),(202解得：解得：式中Cs為Si表面濃度，為常數(shù)表示。為余誤差函數(shù)用表示，為誤差函數(shù)用符號(hào)DtxerfcDtxerfDtxerfdeDtx22122202n恒定表面源擴(kuò)散在恒定表面源擴(kuò)散在硅片內(nèi)

14、部形成的雜硅片內(nèi)部形成的雜質(zhì)分布是余誤差函質(zhì)分布是余誤差函數(shù)分布。當(dāng)表面雜數(shù)分布。當(dāng)表面雜質(zhì)濃度質(zhì)濃度Cs，雜質(zhì)擴(kuò)，雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)散系數(shù)D，以及擴(kuò)，以及擴(kuò)散時(shí)間散時(shí)間T確定時(shí)，確定時(shí)，雜質(zhì)的擴(kuò)散分布也雜質(zhì)的擴(kuò)散分布也就確定了就確定了. 恒定表面源擴(kuò)散的特點(diǎn)恒定表面源擴(kuò)散的特點(diǎn)n1.雜質(zhì)分布形式：雜質(zhì)分布形式： Cs一定的情況下，一定的情況下，擴(kuò)散的時(shí)間越長(zhǎng)，雜質(zhì)擴(kuò)散的時(shí)間越長(zhǎng)，雜質(zhì)擴(kuò)散就越深，擴(kuò)到硅片擴(kuò)散就越深，擴(kuò)到硅片內(nèi)部的雜質(zhì)也越多。內(nèi)部的雜質(zhì)也越多。 圖中各曲線(xiàn)下面所圍圖中各曲線(xiàn)下面所圍的面積，可直接反映硅的面積，可直接反映硅片內(nèi)的雜質(zhì)總量片內(nèi)的雜質(zhì)總量。DtxdDtxerfcDtCdxD

15、txerfcCdxtxCQSS2222),(000DtCDtCQSS13. 123.193.19n恒定表面源擴(kuò)散其表面雜質(zhì)濃度恒定表面源擴(kuò)散其表面雜質(zhì)濃度CsCs, ,基本上由該雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度基本上由該雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度900-900-12001200下的下的固溶度所決定固溶度所決定。n固溶度是指雜質(zhì)在一定溫度下能夠固溶度是指雜質(zhì)在一定溫度下能夠溶入固體硅中的最大濃度。溶入固體硅中的最大濃度。n在固溶度范圍內(nèi)在固溶度范圍內(nèi), ,隨著時(shí)間的增長(zhǎng)隨著時(shí)間的增長(zhǎng), ,進(jìn)入基片的雜質(zhì)也不斷增多進(jìn)入基片的雜質(zhì)也不斷增多n雜質(zhì)的雜質(zhì)的最大固溶度最大固溶度給雜質(zhì)擴(kuò)散的表給雜質(zhì)擴(kuò)散的表面雜質(zhì)濃度面雜質(zhì)濃度CsCs

16、設(shè)置了上限設(shè)置了上限n900-1200900-1200固溶度固溶度隨溫度變化不大隨溫度變化不大, ,很難通過(guò)溫度控制很難通過(guò)溫度控制表面雜質(zhì)濃度表面雜質(zhì)濃度CsCsn如果擴(kuò)散所要求的表面雜質(zhì)濃度大如果擴(kuò)散所要求的表面雜質(zhì)濃度大于某雜質(zhì)元素在于某雜質(zhì)元素在SiSi中的最大固溶度，中的最大固溶度，那么就無(wú)法用這種元素來(lái)獲得所希那么就無(wú)法用這種元素來(lái)獲得所希望的雜質(zhì)分布。望的雜質(zhì)分布。幾種在硅中的固容度幾種在硅中的固容度 2.結(jié)深：結(jié)深： 如果擴(kuò)散雜質(zhì)與襯底原有的導(dǎo)電類(lèi)型不同，則在兩如果擴(kuò)散雜質(zhì)與襯底原有的導(dǎo)電類(lèi)型不同，則在兩種雜質(zhì)濃度相等處形成種雜質(zhì)濃度相等處形成pn結(jié)，其結(jié)的位置結(jié)，其結(jié)的位置X

17、j即結(jié)深。即結(jié)深。DtxCserfctxC2),(BjCtxCxx），（時(shí)當(dāng))1 (21SBCCerfcADtAxj 結(jié)深是工藝的一個(gè)重要參數(shù)，由上式可以看結(jié)深是工藝的一個(gè)重要參數(shù)，由上式可以看到到X Xj j與擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)D D和擴(kuò)散時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間t t的平方根成正比的平方根成正比A A是僅與是僅與C CB B/Cs/Cs有關(guān)的常有關(guān)的常數(shù)數(shù)3.203.20 3.雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度),(4,2DtxstxeDtCxtxC3.213.21梯度受梯度受Cs,tCs,t和和D D的影響，改變其中某個(gè)量，使?jié)舛忍荻葷M(mǎn)足要求的影響，改變其中某個(gè)量，使?jié)舛忍荻葷M(mǎn)足要求p-np-n結(jié)處梯度為：

18、結(jié)處梯度為：sBsBjsxCCerfcCCerfcxCxtxCj12)exp(12),(3.223.22在在CsCs和和C CB B 一定的情況下一定的情況下,p-n,p-n結(jié)越深結(jié)越深, ,在結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度越小在結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度越小3.3.2 有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散 如果擴(kuò)散之前在硅片表面淀積一層雜如果擴(kuò)散之前在硅片表面淀積一層雜質(zhì)，在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散質(zhì)，在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散的雜質(zhì)源的雜質(zhì)源,不再有新源補(bǔ)充，這種擴(kuò)散方不再有新源補(bǔ)充，這種擴(kuò)散方式稱(chēng)式稱(chēng)有限源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散。擴(kuò)散方程的解和分布曲線(xiàn)擴(kuò)散方程的解和分布曲線(xiàn)n邊界條件：由于擴(kuò)散過(guò)程中，沒(méi)有外來(lái)雜

19、質(zhì)補(bǔ)邊界條件：由于擴(kuò)散過(guò)程中，沒(méi)有外來(lái)雜質(zhì)補(bǔ)充，在充，在Si片表面（片表面（X=0處）的雜質(zhì)濃度處）的雜質(zhì)濃度n初始條件：初始條件： SiSi片內(nèi)的雜質(zhì)總量保持不變片內(nèi)的雜質(zhì)總量保持不變C CC CC CC CC C求解可以得有限源擴(kuò)散方程的解求解可以得有限源擴(kuò)散方程的解的表達(dá)式為：的表達(dá)式為： DtxeDtQtxC42),(式中式中Q Q：擴(kuò)散前存在于：擴(kuò)散前存在于SiSi片表面無(wú)限薄層內(nèi)，單位表面積的片表面無(wú)限薄層內(nèi)，單位表面積的雜質(zhì)總量，擴(kuò)散過(guò)程中雜質(zhì)總量，擴(kuò)散過(guò)程中Q Q為常為常數(shù)。數(shù)。Dtxe42高斯函數(shù)，上式所描繪的雜質(zhì)分布稱(chēng)為高斯分布。高斯函數(shù)，上式所描繪的雜質(zhì)分布稱(chēng)為高斯分布。

20、 有限源擴(kuò)散的特點(diǎn)有限源擴(kuò)散的特點(diǎn)1.雜質(zhì)分布形式：雜質(zhì)分布形式： 在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中,Si片片內(nèi)的雜質(zhì)總量保持不變，內(nèi)的雜質(zhì)總量保持不變，沒(méi)沒(méi)有外來(lái)雜質(zhì)補(bǔ)充，只依靠擴(kuò)有外來(lái)雜質(zhì)補(bǔ)充，只依靠擴(kuò)散前在散前在Si片表面上已淀積了片表面上已淀積了那一薄層內(nèi)有限數(shù)量的雜質(zhì)那一薄層內(nèi)有限數(shù)量的雜質(zhì)原子原子,向硅片體內(nèi)擴(kuò)散。隨著向硅片體內(nèi)擴(kuò)散。隨著擴(kuò)散時(shí)間的增長(zhǎng)擴(kuò)散時(shí)間的增長(zhǎng),表面雜質(zhì)濃表面雜質(zhì)濃度不斷下降度不斷下降,并不斷地向內(nèi)部并不斷地向內(nèi)部推進(jìn)擴(kuò)散推進(jìn)擴(kuò)散,這時(shí)表面雜質(zhì)濃度這時(shí)表面雜質(zhì)濃度與擴(kuò)散雜質(zhì)深度都在發(fā)生變與擴(kuò)散雜質(zhì)深度都在發(fā)生變化化,由此可確定。由此可確定。 有限表面源擴(kuò)散表面

21、濃度計(jì)算有限表面源擴(kuò)散表面濃度計(jì)算nSiSi表面（表面（X=0X=0處）雜質(zhì)濃度處）雜質(zhì)濃度可見(jiàn)可見(jiàn)C C與與CsCs成正比，與成正比，與D D，t t的平方根成反比。的平方根成反比。n有限表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布形式有限表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布形式C C C CC CDtxeDtQtxN42),(C CDtxsDtxetCeDtQtxC4422)(),(D D愈大（擴(kuò)散溫度越高）愈大（擴(kuò)散溫度越高）t t愈長(zhǎng)，愈長(zhǎng)，CsCs則愈低。則愈低。2.結(jié)深結(jié)深21)(ln2BSCCA DtAxjC CS S（x,tx,t）= = C CB B x=xj3.30A與與Cs/CB 有關(guān)有關(guān) ，如圖，如圖3.7在雜質(zhì)

22、分布形式相同的情況下在雜質(zhì)分布形式相同的情況下CB越大，結(jié)深越淺越大，結(jié)深越淺np-n結(jié)處梯度為：結(jié)處梯度為：3.雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度),(2),(,txCDtxxtxCtx3.32BBjsxCCsCCsxCxtxCj/)/ln(2),(n雜質(zhì)濃度梯度將隨擴(kuò)散深度的增加而減小雜質(zhì)濃度梯度將隨擴(kuò)散深度的增加而減小兩步擴(kuò)散的意義兩步擴(kuò)散的意義為什么一般都采用為什么一般都采用“兩步擴(kuò)散工藝兩步擴(kuò)散工藝” n對(duì)于限定源擴(kuò)散來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)是在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中，對(duì)于限定源擴(kuò)散來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)是在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中，雜質(zhì)總量保持不變，而隨擴(kuò)散時(shí)間的增長(zhǎng)，表面濃雜質(zhì)總量保持不變，而隨擴(kuò)散時(shí)間的增長(zhǎng)，表面濃度不斷下降，

23、擴(kuò)散深度不斷加深，因此，采用有限度不斷下降，擴(kuò)散深度不斷加深，因此，采用有限表面源擴(kuò)散時(shí)，既能表面源擴(kuò)散時(shí)，既能控制表面濃度又能控制擴(kuò)散深控制表面濃度又能控制擴(kuò)散深度。度。n但采用有限源擴(kuò)散時(shí)，擴(kuò)散前必須在但采用有限源擴(kuò)散時(shí)，擴(kuò)散前必須在Si片表面沉積片表面沉積足夠量的雜質(zhì)源，并且必須具有較高的表面濃度，足夠量的雜質(zhì)源，并且必須具有較高的表面濃度，才能使限定源擴(kuò)散獲得符合要求的表面濃度和擴(kuò)散才能使限定源擴(kuò)散獲得符合要求的表面濃度和擴(kuò)散深度。實(shí)踐表明，深度。實(shí)踐表明，采用恒定表面濃度擴(kuò)散即能比較采用恒定表面濃度擴(kuò)散即能比較準(zhǔn)確地控制擴(kuò)散硅表面的雜質(zhì)總量，又能獲得高的準(zhǔn)確地控制擴(kuò)散硅表面的雜質(zhì)總量

24、，又能獲得高的表面濃度并且操作方便表面濃度并且操作方便。因此，在當(dāng)前硅平面器件。因此，在當(dāng)前硅平面器件工藝中普遍采用兩步擴(kuò)散工藝。工藝中普遍采用兩步擴(kuò)散工藝。兩步擴(kuò)散的意義兩步擴(kuò)散的意義n預(yù)淀積（預(yù)淀積（恒定表面擴(kuò)散恒定表面擴(kuò)散）的主要目的是）的主要目的是為了控制擴(kuò)散入為了控制擴(kuò)散入Si片表面的雜質(zhì)總量，片表面的雜質(zhì)總量，為第二步的再分布創(chuàng)造必要的條件。為第二步的再分布創(chuàng)造必要的條件。n再分布（再分布（有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散）的目的，是）的目的，是控制整個(gè)擴(kuò)散的表面濃度和結(jié)深，使它控制整個(gè)擴(kuò)散的表面濃度和結(jié)深，使它符合器件設(shè)計(jì)要求。符合器件設(shè)計(jì)要求。3.5 擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝n按原始雜質(zhì)源

25、在室溫下的相狀態(tài)加以分類(lèi)：按原始雜質(zhì)源在室溫下的相狀態(tài)加以分類(lèi)： 固態(tài)源擴(kuò)散、液態(tài)源擴(kuò)散、氣相源擴(kuò)散固態(tài)源擴(kuò)散、液態(tài)源擴(kuò)散、氣相源擴(kuò)散n固態(tài)源擴(kuò)散：固態(tài)源擴(kuò)散：開(kāi)管擴(kuò)散、箱法擴(kuò)散、涂源法開(kāi)管擴(kuò)散、箱法擴(kuò)散、涂源法擴(kuò)散擴(kuò)散雜質(zhì)的化合物與硅反應(yīng)，生成單質(zhì)雜質(zhì)的化合物與硅反應(yīng)，生成單質(zhì)的雜質(zhì)原子向硅內(nèi)擴(kuò)散的雜質(zhì)原子向硅內(nèi)擴(kuò)散n液態(tài)源擴(kuò)散液態(tài)源擴(kuò)散攜帶氣體通過(guò)源瓶，把雜質(zhì)攜帶氣體通過(guò)源瓶，把雜質(zhì)源蒸氣帶入擴(kuò)散爐管內(nèi)，與與硅反應(yīng)，生成源蒸氣帶入擴(kuò)散爐管內(nèi)，與與硅反應(yīng)，生成單質(zhì)的雜質(zhì)原子向硅內(nèi)擴(kuò)散單質(zhì)的雜質(zhì)原子向硅內(nèi)擴(kuò)散n氣態(tài)源擴(kuò)散氣態(tài)源擴(kuò)散氣態(tài)雜質(zhì)一般先在硅表面進(jìn)氣態(tài)雜質(zhì)一般先在硅表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成摻

26、雜氧化層，雜質(zhì)再由氧化行化學(xué)反應(yīng)生成摻雜氧化層，雜質(zhì)再由氧化層向硅中擴(kuò)散層向硅中擴(kuò)散液態(tài)源擴(kuò)散裝置液態(tài)源擴(kuò)散裝置 1N2 21N2 2純化系統(tǒng)純化系統(tǒng) 33濾球?yàn)V球 44流量流量 55節(jié)流器節(jié)流器66三通三通 77源瓶源瓶 88熱電偶熱電偶 99擴(kuò)散爐擴(kuò)散爐液態(tài)源擴(kuò)散液態(tài)源擴(kuò)散 硼擴(kuò)散工藝原理硼擴(kuò)散工藝原理n 液態(tài)源硼擴(kuò)散采用的液態(tài)源硼擴(kuò)散采用的雜質(zhì)源雜質(zhì)源有：硼酸三甲酯有：硼酸三甲酯BB（CHCH3 3O)O)3 3 ，硼，硼酸三丙酯酸三丙酯BB（CHCH3 3CHCH2 2CHCH2 2O)O)3 3 和三溴化硼和三溴化硼B(yǎng)BrBBr3 3 等，其中用得較等，其中用得較多的是硼酸三甲酯。多

27、的是硼酸三甲酯。n 硼酸三甲酯是無(wú)色透明的液體，在室溫下?lián)]發(fā)性強(qiáng)具有較高硼酸三甲酯是無(wú)色透明的液體，在室溫下?lián)]發(fā)性強(qiáng)具有較高的飽和蒸氣，本身易水解，生成硼酸和甲醇基反應(yīng)式如下：的飽和蒸氣，本身易水解，生成硼酸和甲醇基反應(yīng)式如下： B B（CHCH3 3O O）3 3+3H+3H2 2O OH H3 3BOBO3 3+3+3（H H3 3OHOH） 硼酸三甲酯在高溫（硼酸三甲酯在高溫（500500以上）下，發(fā)生熱分解以上）下，發(fā)生熱分解 B B（CHCH3 3O O）3 3B B2 2O O3 3+CO+CO2 2+C+H+C+H2 2O O 分解出的三氧化二硼，在分解出的三氧化二硼，在9009

28、00左右與硅起化學(xué)反應(yīng)，生成硼左右與硅起化學(xué)反應(yīng)，生成硼原子，并淀積在原子，并淀積在SiSi片的表面，其反應(yīng)為：片的表面，其反應(yīng)為： 2B2B2 2O O3 3+Si+Si3SiO3SiO2 2+4B+4B 此預(yù)淀積反應(yīng)，在此預(yù)淀積反應(yīng)，在SiSi表面上易形成硼硅玻璃，用還原出來(lái)表面上易形成硼硅玻璃，用還原出來(lái)的的B B原子向硅片內(nèi)部擴(kuò)散。原子向硅片內(nèi)部擴(kuò)散。 B擴(kuò)預(yù)沉積工藝條件步驟擴(kuò)預(yù)沉積工藝條件步驟n預(yù)沉積條件：爐溫為預(yù)沉積條件：爐溫為930，源溫為室，源溫為室溫（溫（25左右）左右）, 予沉積前先在予沉積前先在930下下通源通源15-20min，使石英管含硼量達(dá)到飽，使石英管含硼量達(dá)到飽

29、和狀態(tài)（新處理石英管和狀態(tài)（新處理石英管40-60min）B再分布工藝條件步驟再分布工藝條件步驟n當(dāng)爐溫升高至預(yù)定溫度（當(dāng)爐溫升高至預(yù)定溫度（1180）后通干）后通干氧氧20min，以排除管道內(nèi)的空氣，同時(shí)加，以排除管道內(nèi)的空氣，同時(shí)加熱水溶并使水溶溫度達(dá)到預(yù)定值（熱水溶并使水溶溫度達(dá)到預(yù)定值（95）一切就緒后，即可將正片和陪片一起裝入一切就緒后，即可將正片和陪片一起裝入石英舟再推入爐子恒溫壓，先通石英舟再推入爐子恒溫壓，先通5min干氧，干氧，30min濕氧，最后通濕氧，最后通5min 干氧。時(shí)間到后干氧。時(shí)間到后即可把硅片拉出石英管道。即可把硅片拉出石英管道。3.6 3.6 擴(kuò)散層的質(zhì)量分

30、析與檢驗(yàn)擴(kuò)散層的質(zhì)量分析與檢驗(yàn) 1.結(jié)深的討論與測(cè)試結(jié)深的討論與測(cè)試 DtAxj)1 (21SBCCerfcA余誤差函數(shù)分布余誤差函數(shù)分布21)(ln2BSCCA 高斯函數(shù)分布高斯函數(shù)分布 在工藝生產(chǎn)中，控制擴(kuò)散工藝條件的在工藝生產(chǎn)中，控制擴(kuò)散工藝條件的主要目的在主要目的在于控制擴(kuò)散的雜質(zhì)分布于控制擴(kuò)散的雜質(zhì)分布。具體的說(shuō)就是控制各次擴(kuò)散。具體的說(shuō)就是控制各次擴(kuò)散的的結(jié)深、表面濃度結(jié)深、表面濃度，結(jié)深可以直接測(cè)量，而表面濃度，結(jié)深可以直接測(cè)量，而表面濃度則是通過(guò)對(duì)擴(kuò)散層的薄層電阻和結(jié)深推算出來(lái)的，則是通過(guò)對(duì)擴(kuò)散層的薄層電阻和結(jié)深推算出來(lái)的，因因此結(jié)深、薄層電阻、表面濃度是評(píng)價(jià)擴(kuò)散層質(zhì)量的三此結(jié)

31、深、薄層電阻、表面濃度是評(píng)價(jià)擴(kuò)散層質(zhì)量的三個(gè)重要的工藝指標(biāo)個(gè)重要的工藝指標(biāo)。一、結(jié)深的測(cè)量一、結(jié)深的測(cè)量:磨角法磨角法:n1）原理：）原理： 它是利用它是利用P區(qū)和區(qū)和N區(qū)在染色上的差異，使區(qū)在染色上的差異，使P-N結(jié)的界面顯現(xiàn)出來(lái)，測(cè)量其結(jié)深。當(dāng)在結(jié)的界面顯現(xiàn)出來(lái)，測(cè)量其結(jié)深。當(dāng)在結(jié)面上滴染色液時(shí)，由于結(jié)兩側(cè)的結(jié)面上滴染色液時(shí)，由于結(jié)兩側(cè)的Si與染色與染色液形成微電池，兩個(gè)極區(qū)反應(yīng)不同，染色也液形成微電池，兩個(gè)極區(qū)反應(yīng)不同，染色也有差異，于是結(jié)面被顯示出來(lái)。有差異，于是結(jié)面被顯示出來(lái)。 CuSO4+SiCu N 紅色紅色 P 無(wú)色無(wú)色n2）方法：）方法： 先將陪片固定在特別的磨角器上，使先將

32、陪片固定在特別的磨角器上，使Si片磨出一個(gè)具有一定角度片磨出一個(gè)具有一定角度 (15)的的斜截面，如圖所示：斜截面，如圖所示： （1）測(cè)擴(kuò)散結(jié)較深結(jié)的方法）測(cè)擴(kuò)散結(jié)較深結(jié)的方法Xj=Xj=lsinsinCuSOCuSO4 4+SiCu N +SiCu N 紅色紅色 P P 無(wú)色無(wú)色n推導(dǎo)：推導(dǎo)： 避免避免變化引起誤差變化引起誤差（2）測(cè)量較淺結(jié)方法）測(cè)量較淺結(jié)方法 采用雙光干涉法，只要在硅片表面加一塊平板玻璃采用雙光干涉法，只要在硅片表面加一塊平板玻璃（與（與SiSi片表面要貼緊）干涉條紋是平板玻璃的下面反片表面要貼緊）干涉條紋是平板玻璃的下面反射的光線(xiàn)和射的光線(xiàn)和SiSi片表面反射光線(xiàn)相干涉

33、所產(chǎn)生的。片表面反射光線(xiàn)相干涉所產(chǎn)生的。mxj2m: 條紋數(shù)目條紋數(shù)目 :光波長(zhǎng)光波長(zhǎng)二、薄層（方塊）電阻的測(cè)量二、薄層（方塊）電阻的測(cè)量 在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中擴(kuò)散層薄層電阻是反映擴(kuò)在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中擴(kuò)散層薄層電阻是反映擴(kuò)散層質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求與否的重要工藝指標(biāo)之一。散層質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求與否的重要工藝指標(biāo)之一。 對(duì)應(yīng)于一對(duì)確定數(shù)值的結(jié)深和薄層電阻，擴(kuò)對(duì)應(yīng)于一對(duì)確定數(shù)值的結(jié)深和薄層電阻，擴(kuò)散層的雜質(zhì)分布是確定的，也就是說(shuō)，把薄層電阻散層的雜質(zhì)分布是確定的，也就是說(shuō)，把薄層電阻的測(cè)量同結(jié)深的測(cè)量結(jié)合起來(lái)，我們就能夠了解到的測(cè)量同結(jié)深的測(cè)量結(jié)合起來(lái)，我們就能夠了解到擴(kuò)散入硅片內(nèi)部雜質(zhì)的具體分布。擴(kuò)散入硅

34、片內(nèi)部雜質(zhì)的具體分布。 因此在晶體管和集成電路生產(chǎn)中，幾乎每一因此在晶體管和集成電路生產(chǎn)中，幾乎每一次予淀積再分布后都要進(jìn)行薄層電阻的測(cè)試。所以次予淀積再分布后都要進(jìn)行薄層電阻的測(cè)試。所以深入地了解薄層電阻的定義，物理意義和測(cè)試方法，深入地了解薄層電阻的定義，物理意義和測(cè)試方法，對(duì)我們控制擴(kuò)散條件和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有十分重要對(duì)我們控制擴(kuò)散條件和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。的現(xiàn)實(shí)意義。二、薄層二、薄層(方塊方塊)電阻的測(cè)量電阻的測(cè)量1）薄層電阻定義）薄層電阻定義薄層電阻薄層電阻：表面為正方形表面為正方形的半導(dǎo)體薄層，在電流方的半導(dǎo)體薄層，在電流方向向 電流方向平行正方形的電流方向平行正方形

35、的邊邊 所呈現(xiàn)的電阻。所呈現(xiàn)的電阻。擴(kuò)散層的薄層電阻也稱(chēng)方塊電擴(kuò)散層的薄層電阻也稱(chēng)方塊電阻，常分別用阻，常分別用Rs或或R表示。表示。jjSxxllslR1由上式可見(jiàn)，薄層電阻的大小由上式可見(jiàn)，薄層電阻的大小與薄層的平均電阻率成與薄層的平均電阻率成正比，與薄層的厚度成反比正比，與薄層的厚度成反比，而與正方形的邊長(zhǎng)無(wú)關(guān)。而與正方形的邊長(zhǎng)無(wú)關(guān)。其單位為歐姆。為了表示薄層電阻不同于一般電阻，其單位為歐姆。為了表示薄層電阻不同于一般電阻，其單位常用其單位常用 歐姆歐姆/ /方塊方塊 或或 / /表示。表示。薄層薄層(方塊方塊)電阻的物理意義電阻的物理意義 對(duì)于擴(kuò)散薄層來(lái)說(shuō)，在擴(kuò)散對(duì)于擴(kuò)散薄層來(lái)說(shuō)，在擴(kuò)

36、散 方向上各處的雜質(zhì)濃度方向上各處的雜質(zhì)濃度C（X）是不相等的，所以載流子的遷移率是不相等的，所以載流子的遷移率 的數(shù)值也不相同。則擴(kuò)散的數(shù)值也不相同。則擴(kuò)散薄層的平均電阻率與平均雜質(zhì)濃度之間關(guān)系：薄層的平均電阻率與平均雜質(zhì)濃度之間關(guān)系：Cq11 在雜質(zhì)均勻分布的半導(dǎo)體中，電阻率與雜質(zhì)濃度之間有如下關(guān)系：q q：為電子電荷量：為電子電荷量 ：為載流子遷移率：為載流子遷移率 C C：為均勻摻雜半導(dǎo)體中雜質(zhì)濃度：為均勻摻雜半導(dǎo)體中雜質(zhì)濃度為單位表面積擴(kuò)散薄層內(nèi)的凈雜質(zhì)總量為單位表面積擴(kuò)散薄層內(nèi)的凈雜質(zhì)總量)(1xCqjxjSxCqxR)(1jxxC)(n薄層電阻薄層電阻Rs與單位表面積薄層內(nèi)的凈雜

37、質(zhì)總與單位表面積薄層內(nèi)的凈雜質(zhì)總量成反比。量成反比。 因此，因此，薄層薄層(方塊方塊)電阻的大小直接反映了電阻的大小直接反映了擴(kuò)入擴(kuò)入Si片內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量的多少。片內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量的多少。薄層電阻薄層電阻越小，表示擴(kuò)入越小，表示擴(kuò)入Si片的凈雜質(zhì)總量越多。反之，片的凈雜質(zhì)總量越多。反之，擴(kuò)入擴(kuò)入Si片的凈雜質(zhì)總量越少。片的凈雜質(zhì)總量越少。n計(jì)算擴(kuò)散電阻計(jì)算擴(kuò)散電阻jxjSxCqxR)(1計(jì)算擴(kuò)散電阻計(jì)算擴(kuò)散電阻n當(dāng)計(jì)算一條狀擴(kuò)散層一端到另一端的電當(dāng)計(jì)算一條狀擴(kuò)散層一端到另一端的電阻值時(shí)，只要將串聯(lián)的方塊數(shù)乘上阻值時(shí)，只要將串聯(lián)的方塊數(shù)乘上Rs,或或用并聯(lián)方塊數(shù)去除用并聯(lián)方塊數(shù)去除Rs，就可以

38、得到條狀，就可以得到條狀擴(kuò)散電阻值。擴(kuò)散電阻值。LaIR= RsL/aR= Rsa/L3） 方塊電阻的測(cè)量方塊電阻的測(cè)量目前在生產(chǎn)中測(cè)量擴(kuò)散層薄層電阻目前在生產(chǎn)中測(cè)量擴(kuò)散層薄層電阻RsRs，廣泛使用四探針?lè)?。測(cè)量，廣泛使用四探針?lè)?。測(cè)量裝置圖如圖所示：裝置圖如圖所示：四探針采用排成直線(xiàn)彼此相距為四探針采用排成直線(xiàn)彼此相距為S S的四根鎢絲構(gòu)成。測(cè)量時(shí)將針的四根鎢絲構(gòu)成。測(cè)量時(shí)將針尖壓在尖壓在SiSi片的表面上外面兩根針通電流片的表面上外面兩根針通電流I I，測(cè)量中間兩根探針的，測(cè)量中間兩根探針的電壓，如果被測(cè)電壓，如果被測(cè)SiSi片很大，（即它的長(zhǎng)度片很大，（即它的長(zhǎng)度L L和寬度和寬度a a

39、比探針間距比探針間距S S大很多時(shí)，則薄層電阻采用下面公式進(jìn)行計(jì)算大很多時(shí)，則薄層電阻采用下面公式進(jìn)行計(jì)算IVIVRS53. 42ln11電位差計(jì)電位差計(jì) 22檢流計(jì)檢流計(jì)n由于生產(chǎn)中，所用樣品的面積都比較小，因此由于生產(chǎn)中，所用樣品的面積都比較小，因此上式中的系數(shù)必須加以適當(dāng)修正。因此薄層電上式中的系數(shù)必須加以適當(dāng)修正。因此薄層電阻的普遍公式的表達(dá)式為：阻的普遍公式的表達(dá)式為：IVCRS式中式中C C稱(chēng)為修正因子，其數(shù)值的大小除與被測(cè)樣品的形稱(chēng)為修正因子，其數(shù)值的大小除與被測(cè)樣品的形狀和大小有關(guān)外還與樣品是單面擴(kuò)散還是雙面擴(kuò)散等狀和大小有關(guān)外還與樣品是單面擴(kuò)散還是雙面擴(kuò)散等因素有關(guān)。為使用方

40、便，我們把各種情況下修正因子因素有關(guān)。為使用方便，我們把各種情況下修正因子C C的數(shù)值列表中以便查閱。的數(shù)值列表中以便查閱。三、表面雜質(zhì)濃度三、表面雜質(zhì)濃度n 擴(kuò)散雜質(zhì)在半導(dǎo)體基片中的表面濃度，擴(kuò)散雜質(zhì)在半導(dǎo)體基片中的表面濃度，是半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)，制造的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)，制造的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，用參數(shù)，用Ns表示。表示。n 目前直接測(cè)定表面雜質(zhì)濃度的方法比較目前直接測(cè)定表面雜質(zhì)濃度的方法比較復(fù)雜，常采用間接的方法獲得復(fù)雜，常采用間接的方法獲得1.表面濃度的控制表面濃度的控制 C CCsCs1 1CsCs2 2CsCs3 3C CB B C CCsCs1 1CsCs2 2CsCs3 3C CB Bt1 t2 t3t1 t2 t3C CC CB BC CS S2. Cs Xj Rs三者的關(guān)系三者的關(guān)系n三者決定雜質(zhì)的分布三者決定雜質(zhì)的分布（a a）X