集成電路制造技術：(5)擴散

1、第第5 5章章 擴散擴散微電子工藝微電子工藝44第第5 5章章 擴散擴散v雜質(zhì)摻雜v摻雜：將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導體區(qū)域中，以達到改變半導體電學性質(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：擴散、離子注入第第5 5章章 擴散擴散v擴散是微電子工藝中最基本的工藝之一，擴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)擴散，中，使雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴散，達到一定濃度，實現(xiàn)半導體達到一定濃度，實現(xiàn)半導體定域、定量摻定域、定量摻雜雜的一種工藝方法，也稱

2、為熱擴散。的一種工藝方法，也稱為熱擴散。 v目的是通過目的是通過定域定域、定量定量擴散摻雜改變半導擴散摻雜改變半導體導電類型，電阻率，或形成體導電類型，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擴散機構(gòu)擴散機構(gòu)v5.2晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學方程晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學方程 v5.3雜質(zhì)的擴散摻雜雜質(zhì)的擴散摻雜v5.4熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素熱擴散工藝中影響雜質(zhì)分布的其它因素v5.5擴

3、散工藝條件與方法擴散工藝條件與方法v5.6 擴散工藝質(zhì)量與檢測擴散工藝質(zhì)量與檢測v5.7 擴散工藝的發(fā)展擴散工藝的發(fā)展5.1 5.1 擴散機構(gòu)擴散機構(gòu)v擴散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點運動的基本方式，當溫度高于擴散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點運動的基本方式，當溫度高于絕對零度時，任何物系內(nèi)的質(zhì)點都在作熱運動。絕對零度時，任何物系內(nèi)的質(zhì)點都在作熱運動。v雜質(zhì)在半導體中的擴散是由雜質(zhì)在半導體中的擴散是由雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度或或溫度溫度梯度梯度（物體中兩相的化學勢不相等）引起的一種（物體中兩相的化學勢不相等）引起的一種使雜質(zhì)濃度趨于均勻的雜質(zhì)定向運動。使雜質(zhì)濃度趨于均勻的雜質(zhì)定向運動。v擴散是一種擴散是一種傳質(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擴散是一種自然現(xiàn)象，是微觀粒子熱運動的形式，擴散是一種自然現(xiàn)象，是微觀粒子熱運動的形式，結(jié)果使其濃度趨于均勻。結(jié)果使其濃度趨于均勻。固相擴散工藝固相擴散工藝v微電子工藝中的擴散，是雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴散，是微電子工藝中的擴散，是雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴散，是固相擴散工藝。固相擴散工藝。v固相擴散是通過微觀粒子一系列隨機跳躍來實現(xiàn)的，固相擴散是通過微觀粒子一系列隨機跳躍來實現(xiàn)的，這些跳躍在整個三維方向進行，主要有三種方式這些跳躍在整個三維方向進行，主要有三種方式 間隙式擴散間隙式擴散 替位式擴散替位式擴散 間隙間隙替位式擴散替位式擴散擴散的微觀機制擴

5、散的微觀機制(a) 間隙式擴散（間隙式擴散（interstitial） (b) 替位式擴散（替位式擴散（substitutional）間隙擴散間隙擴散雜質(zhì)：雜質(zhì)：O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg替位擴散替位擴散雜質(zhì)雜質(zhì)：As， Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的運動一般是以近鄰替位原子的運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，一般作為替代式擴散雜質(zhì)，實際情況更復雜，散雜質(zhì)，實際情況更復雜，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用，稱填隙式或推填式擴散散間隙式擴散間隙式擴散間隙原子擴散勢場示意圖間隙原子擴散勢場示意圖Wi=0.6-1

6、.2eV 按照玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，獲得大于能過按照玻爾茲曼統(tǒng)計規(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替位式擴散替位式擴散 產(chǎn)生替位式擴散必需存在空位。產(chǎn)生替位式擴散必需存在空位。 晶體中空位平衡濃度相當?shù)?，晶體中空位平衡濃度相當?shù)?，室溫下，替位式擴散跳躍率約每室溫下，替位式擴散跳躍率約每1045年一次。年一次。eV430sv)/kTW(WvWWevPsWs空位

7、濃度空位濃度kTWvNen/間隙間隙-替位式擴散替位式擴散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-替位式擴散。替位式擴散。v這類擴散雜質(zhì)的跳躍率隨這類擴散雜質(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-替位式擴散替位式擴散雜質(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晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學方程晶體中擴散的基本特點與宏觀動力學方程固體中的擴散基本特點v（1）固體中明顯的質(zhì)點擴散常開始于較

8、高的溫度，但實際上又往往低于固體的熔點。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)點每一步遷移的方向和自由行程。5.2.2 擴散方程擴散方程v在單位時間內(nèi)通過在單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向垂直于擴散方向的的單位面積單位面積上的擴散物質(zhì)流量為上的擴散物質(zhì)流量為擴散通量擴散通量（Diffusion flux，kg / m2 s），用），用J表示。表示。v擴散通量擴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)在襯底中的擴散系數(shù)。定義為雜質(zhì)在襯底中的擴散系數(shù)。Fick第一擴散定律第一擴散定律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散，即濃度向低濃度擴散，即逆濃度梯度方向擴散逆濃度梯度方向擴散菲克第二定律菲克第二定律 當擴散處于非穩(wěn)態(tài)，即各點的濃度隨時間當擴散處于非穩(wěn)態(tài)，即各點的濃度隨時間而改變時，利用第一定律不容易求出。而改變時，利用第一定律不容易求出。 通常的擴散過程大都是非穩(wěn)態(tài)擴散，為便通常的擴散過程大都是非穩(wěn)態(tài)擴散，為便于求出，還要從物質(zhì)的平衡關系著手，建立第于求出，還要從物質(zhì)的平衡關系著手，建立第二個微分方程式。二個微分方程式。 討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴散時間的關系，討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴散時間的關系，又稱又稱Fick第二定律。第二定律。FickFick第二擴散定律第二擴散定律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)擴散過程中，在距離x處，雜質(zhì)原子濃度隨擴散時間t的變化率 如果擴散系數(shù)D與濃度無關，則由Fick第一定律可得5.2.3 擴散系數(shù)擴散系數(shù)vD0為表觀擴散系數(shù)為表觀擴散系數(shù)vEa為擴散激活能為擴散激活能vP,taxaC2vP,taxaC2(cm2/s)Ea/kT)(D)/kTw(wvaDPaDxC(x,t)PaP,taxaCP,taxaCJvsvvvv

11、expexp2200222擴散系數(shù)(Diffusion coefficient)D是描述擴散速度的重要物理量，它相當于濃度梯度為1時的擴散通量 。（以替位式擴散推導）（以替位式擴散推導）v在低濃度下硅和砷化鎵中各種摻雜劑雜質(zhì)的實測擴散系數(shù) 根據(jù)雜質(zhì)在晶體中的擴散系數(shù)分v快擴散雜質(zhì)快擴散雜質(zhì)：H，Li, Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, v慢擴散雜質(zhì)慢擴散雜質(zhì)：Al, P, B, Ga, Ti, Sb，Asv在高溫工藝中，如擴散、外延，摻雜元素的擴散系數(shù)小些好一些雜質(zhì)在硅111面中的擴散系數(shù)5.35.3雜質(zhì)的擴散摻雜雜質(zhì)的擴散摻雜v擴散工藝擴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散到襯底硅的特定位置，得到所需擴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：恒定表面源擴散恒定表面源擴散和和限定表面源擴散限定表面源擴散 v擴散工藝重要的工藝參數(shù)包括：擴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)總量恒定表面源擴散恒定表面源擴散v恒定表面源恒定表面源是指在擴散過程中，硅片是指在擴散過程中，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恒定表面源擴散恒定表面源擴散指硅一直處于雜質(zhì)氛指

13、硅一直處于雜質(zhì)氛圍中，硅片表面達到了該擴散溫度的圍中，硅片表面達到了該擴散溫度的固溶度固溶度Cs。v解擴散方程：解擴散方程：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恒定表面源擴散雜質(zhì)分布情況恒定表面源擴散雜質(zhì)分布情況2sxC x,tC erfcDt22CCxDtxCBCsxj1 xj2 xj3C(x,t)t1t2t30t3t2t1恒定表面源擴散恒定表面源擴散verfc稱為余誤差函數(shù)。稱為余誤差函數(shù)。v恒定源擴散雜質(zhì)濃度服從恒定源擴散雜質(zhì)濃度服從余誤差分布余誤差分布，延長擴散時間：，延長擴散時間： 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； 擴入雜質(zhì)總量擴入雜質(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散有限表面源擴散 v指雜質(zhì)源在擴散前積累于硅指雜質(zhì)源在擴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，解擴散方程：面積雜質(zhì)總量，解擴散方程：邊界條件邊界條件:C(x,0)=Q/ , 0 x000 ,CQdxxDtxeDtQtxC42,n有限表面源擴散雜質(zhì)分布情況有限表面源擴散雜質(zhì)分布情況XXj

15、1 Xj2 Xj3CsCsCs”t1t2t3C(x,t)CB0 t3t2t1有限表面源擴散有限表面源擴散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有限源擴散雜質(zhì)濃度是一種高斯函數(shù)分布。有限源擴散雜質(zhì)濃度是一種高斯函數(shù)分布。v延長擴散時間延長擴散時間(提高擴散溫度提高擴散溫度T )： 雜質(zhì)表面濃度雜質(zhì)表面濃度迅速減??；迅速減?。浑s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散，雜質(zhì)分是惰性氣氛下的恒定源擴散，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 分為預淀積（預擴散）、再分布（主分為預淀積（預擴散）、再分布（主擴散）兩步。擴散）兩步。預淀積預淀積是惰性氣氛下的是惰性氣氛下的恒定源擴散恒定源擴散，目的是在擴散窗，目的是在擴散窗口硅表層擴入總量口硅表層擴入總量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散有限源擴散，將窗口，將窗口雜質(zhì)再進一步向片內(nèi)擴散，目的是使雜質(zhì)在硅中具有雜質(zhì)再進一步向片內(nèi)擴散，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）、且達到一定的結(jié)深）、且達到一定的結(jié)深xj，有時還需生長氧化層。有時

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

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

19、原因氧化增強擴散產(chǎn)生的原因v硅氧化時，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)擴散的同時不斷與空位復合（銻主要靠空位機制擴散，氧化時會降低銻的擴散），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。當間隙硼鄰近晶格沒有空位時間隙硼以間隙方式運動。如果間隙硼近鄰有空位時，間隙硼又可以進入空位變?yōu)樘嫖慌?。雜質(zhì)硼以替位間隙交替的方式運動，其擴散速度比單純由替位到替位要快。氧化阻滯擴散氧化阻滯擴散v銻擴散是以替位方式進行，氧化堆垛層錯帶來的自填隙硅填充銻擴散是以替位方式進行，氧化堆垛層錯帶來的自填隙

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散卻被阻滯。銻在氧化氣氛中的擴散卻被阻滯。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有限源擴散有限源擴散CBD（111）晶格缺欠越多，擴散速率也越大。晶格缺欠越多，擴散速率也越大。5.5擴散工藝條件與方法擴散工藝條件與方法v擴散設備擴散設備多是爐絲加熱的熱壁式擴散爐。多是爐絲加熱的熱壁式擴散爐。和氧化爐相類似。和氧化爐相類似。v擴散方法：開管擴散，閉管擴散；箱法擴擴散方法：開管擴散，閉管擴散；箱法擴散；散；v根據(jù)擴散源的不同有三種根據(jù)擴散源的不同有三種擴散工藝擴散工藝：固態(tài)：固態(tài)源擴散，液

21、態(tài)源擴散，氣態(tài)源擴散。源擴散，液態(tài)源擴散，氣態(tài)源擴散。v選擇源選擇源必需滿足必需滿足固溶度固溶度、擴散系數(shù)擴散系數(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)源擴散固態(tài)源擴散v擴散方式擴散方式開管擴散開管擴散箱式擴散箱式擴散涂源擴散涂源擴散閉管擴散閉管擴散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接排風閥和流量計閥和流量計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)源擴散開管固態(tài)源擴散系統(tǒng)系統(tǒng)擴散工藝箱法擴散

23、；把雜質(zhì)源和硅片裝在由石英或者硅做成的箱內(nèi)，在氮氣或氬氣保護下擴散。涂源法擴散：把溶于溶劑中的雜質(zhì)源直接涂在待擴散的硅片表面，在高溫下由惰性氣體保護下進行擴散。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)源擴散液態(tài)源擴散v液態(tài)源液態(tài)源 POCl3、BBr3、B(CH3O)3 （TMB）接排風接排風閥和流量計閥和流量計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散系統(tǒng)液相源擴散系統(tǒng)液態(tài)源由攜帶氣體（N2）通過源瓶，把雜質(zhì)蒸氣帶入擴散爐管內(nèi)。盛放液體源的密封容器浸在一個恒溫槽中。有POCl3，B

24、Br3等。POCl3+O2P2O5+Cl2（無氧時POCl3分解為PCl5，腐蝕性強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，導致?lián)诫s不均并難去除，影響器件接觸電阻。缺點：腐蝕性高、有爆炸危險，易形成硅化物氣態(tài)源擴散氣態(tài)源擴散v氣態(tài)源氣態(tài)源 BCl3、B2H6、PH3、AsH3石英管石英管接排風接排風閥和質(zhì)量閥和質(zhì)量流量計流量計氣氣源源石英舟和硅片石英舟和硅片氣態(tài)源擴散系統(tǒng)氣態(tài)源擴散系統(tǒng)運輸方便、純凈度高、污染少、但有劇毒，使用時應非常小心5.5.3 常用雜質(zhì)的擴散工藝

25、常用雜質(zhì)的擴散工藝NPN管的硼擴散管的硼擴散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特點特點 B與與Si原子半徑相差較大，有伴生應力缺陷，原子半徑相差較大，有伴生應力缺陷，能造成晶格損傷。硼在硅中的最大固溶度達能造成晶格損傷。硼在硅中的最大固溶度達4*1020/cm3，但濃度在，但濃度在1020/cm3以上有結(jié)團現(xiàn)象。以上有結(jié)團現(xiàn)象。v工藝工藝 兩步工藝，預淀積為恒定源擴散，用氮氣保兩步工藝，預淀積為恒定源擴散，用氮氣保護，再分布有限源擴散，生長氧化層（

26、干氧護，再分布有限源擴散，生長氧化層（干氧-濕氧濕氧-干氧）干氧）900-1100 B擴散工藝流程擴散工藝流程v預淀積，一般預淀積溫度較低，時間也較短。氮預淀積，一般預淀積溫度較低，時間也較短。氮氣保護。氣保護。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，時間也較長。通氧氣，直接再分布，溫度較高，時間也較長。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管的磷擴散管的磷

27、擴散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特點特點 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)濃度可達雜質(zhì)濃度可達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 與硼擴相近兩步工藝，不漂磷硅玻璃。與硼擴相近兩步工藝，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：擴：D1t1D2t25.

28、6 擴散工藝質(zhì)量與檢測擴散工藝質(zhì)量與檢測v工藝指標工藝指標雜質(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散方程獲得工藝條件，目前用計算機模擬獲得解析擴散方程獲得工藝條件，目前用計算機模擬獲得工藝參數(shù)。工藝參數(shù)。擴散質(zhì)量檢測擴散質(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的標準電極電位低于的標準電極電位低于P型型Si的標準電極電位，因此會先在的標準電極電位，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準測用的標準測電阻率方法，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格要狀無嚴格要求等優(yōu)點。求等優(yōu)點。 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擴散工藝的發(fā)展擴散工藝的發(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，同時摻雜劑發(fā)生反應產(chǎn)硅片快速均勻地加熱，同時摻雜劑發(fā)生反應產(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)，固相擴散，能形成表面吸附的固態(tài)，固相擴散，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)擴散，雜質(zhì)分布是非理想的指數(shù)形式，類似固態(tài)擴散，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)的玻快速氣相摻雜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，通過液相擴散（比在固相通過液相擴散（比在固相快約快約8個數(shù)量級），雜質(zhì)個數(shù)量級），雜質(zhì)快速并均勻地擴散到整個快速并均勻地擴散到整個熔化層中。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氣體浸沒激光摻雜特點v特點特點；在液體中