擴散工藝知識

第三章擴散工藝在前面“材料工藝”一章，我們就曾經(jīng)講過一種叫“三重擴散”的工藝，那是對襯底而言相同導(dǎo)電類型雜質(zhì)擴散。這樣的同質(zhì)高濃度擴散，在晶體管制造中還常用來作歐姆接觸，如做在基極電極弓I出處以降低接觸電阻。除了改變雜質(zhì)濃度,擴散的另一個也是更主要的一個作用，是在硅平面工藝中用來改變導(dǎo)電類型，制造PN造PN結(jié)。第一節(jié)擴散原理擴散是一種普通的自然現(xiàn)象，有濃度梯度就有擴散。擴散運動是微觀粒子原子或分子熱運動的統(tǒng)計結(jié)果。在一定溫度下雜質(zhì)原子具有一定的能量，能夠克服某種阻力進入半導(dǎo)體，并在其中作緩慢的遷移運動。一?擴散定義在高溫條件下，利用物質(zhì)從高濃度向低濃度運動的特性，將雜質(zhì)原子以一定的可控性摻入到半導(dǎo)體中，改變半導(dǎo)體基片或已擴散過的區(qū)域的導(dǎo)電類型或表面雜質(zhì)濃度的半導(dǎo)體制造技術(shù)，稱為擴散工藝。.擴散機構(gòu)雜質(zhì)向半導(dǎo)體擴散主要以兩種形式進行：.替位式擴散一定溫度下構(gòu)成晶體的原子圍繞著自己的平衡位置不停地運動。其中總有一些原子振動得較厲害，有足夠的能量克服周圍原子對它的束縛，跑到其它地方，而在原處留下一個“空位”。這時如有雜質(zhì)原子進來，就會沿著這些空位進行擴散,這叫替位式擴散。硼（B）、磷（P）、珅（As）等屬此種擴散。.間隙式擴散構(gòu)成晶體的原子間往往存在著很大間隙，有些雜質(zhì)原子進入晶體后，就從這個原子間隙進入到另一個原子間隙，逐次跳躍前進。這種擴散稱間隙式擴散。金、銅、銀等屬此種擴散。.擴散方程擴散運動總是從濃度高處向濃度低處移動。運動的快慢與溫度、濃度梯度等有關(guān)。其運動規(guī)律可用擴散方程表示，具體數(shù)學(xué)表達式為：an ，、k=DV2N （3-1）at在一維情況下，即為：(3-2)式中：D為擴散系數(shù)，是描述雜質(zhì)擴散運動快慢的一種物理量；N為雜質(zhì)濃度；t為擴散時間；x為擴散到硅中的距離。.擴散系數(shù)雜質(zhì)原子擴散的速度同擴散雜質(zhì)的種類和擴散溫度有關(guān)。為了定量描述雜質(zhì)擴散速度，弓1入擴散系數(shù)D這個物理量，D越大擴散越快。其表達式為：AED=DektWord文檔

(3-3)這里：d——當(dāng)溫度為無窮大時，D的表現(xiàn)值，通常為常數(shù)；K——玻爾茲曼常數(shù)，其值為8.023x10-5ev/°K；T——絕對溫度，單位用“°K”表示；AE——有關(guān)擴散過程的激活能，實際上就是雜質(zhì)原子擴散時所必須克服的某種勢壘。擴散系數(shù)除與雜質(zhì)種類、擴散溫度有關(guān)，還與擴散氣氛、襯底晶向、晶格完整性、襯底材料、本體摻雜濃度N及擴散雜質(zhì)的表面濃度N等有關(guān)。.擴散雜質(zhì)分布 B S在半導(dǎo)體器件制造中，雖然采用的擴散工藝各有不同，但都可以分為一步法擴散和二步法擴散。二步法擴散分預(yù)沉積和再分布兩步。一步法與二步法中的預(yù)沉積屬恒定表面源擴散。而二步法中的再擴散屬限定表面源擴散。由于恒定源和限定源擴散兩者的邊界和初始條件不同，因而擴散方程有不同的解，雜質(zhì)在硅中的分布狀況也就不同。.恒定源擴散在恒定源擴散過程中，硅片的表面與濃度始終不變的雜質(zhì)(氣相或固相)相接觸，即在整個擴散過程中硅片的表面濃度Ns保持恒定，故稱為恒定源擴散。恒定源擴散的雜質(zhì)濃度分布的表達式是：一x一xN(x/)=N?e次.(3-4)式中：N(x,t)表示雜質(zhì)濃度隨雜質(zhì)原子進入硅體內(nèi)的距離x及擴散時間t的變化關(guān)系；N為表面處的雜質(zhì)濃度；DS為擴散系數(shù)。erfc為余誤差函數(shù)。因此恒定源擴散雜質(zhì)濃度分布也稱余誤差分布。圖3-1為恒定源擴散雜質(zhì)分布示意圖：XjlXj2Xj3 XXjlXj2Xj3 X圖3-1恒定源擴散余型差分布從圖上可見，在不同擴散時間表面濃度N的值不變。也就是說，N與擴散時間無關(guān)，但與擴散雜質(zhì)的種類、雜質(zhì)在硅內(nèi)的固溶度和擴散溫度有關(guān)；硅片內(nèi)的雜質(zhì)濃度隨時間增加而增加，隨離開硅表面的距離增加而減少。圖中N為襯Word文檔

底原始雜質(zhì)濃度，簡稱襯底濃度，其由單晶體拉制時雜質(zhì)摻入量決定。由恒定源擴散雜質(zhì)分布表達式中可知道，當(dāng)表面濃度NS、雜質(zhì)擴散系數(shù)D和擴散時間1三個量確定以后，硅片中的雜質(zhì)濃度分布也就確定。經(jīng)過恒定源擴散之后進入硅片單位面積內(nèi)的雜質(zhì)原子數(shù)量可由下式給出：(3-5)Q=2N,J,D=1.13NDDt? ?(3-5)\兀式中：Q為單位面積內(nèi)雜質(zhì)原子數(shù)或雜質(zhì)總量。.限定源擴散X2X24Dt(3-6)x2式中的e-五為高斯函數(shù)，故這種雜質(zhì)分布也叫高斯分布。圖3-2是限定源擴散雜質(zhì)分布示意圖。由于擴散過程中雜質(zhì)總量保持不變,圖中各條曲線下面的面積相等。當(dāng)擴散溫度恒定時，隨擴散時間t的增加，一方面雜質(zhì)擴散進硅片內(nèi)部的深度逐漸增加；另一方面，硅片表面的雜質(zhì)濃度將不斷下降。圖%2圖%2限定源擴散高斯分布在討論限定源擴散，即兩步法的再分布時,必須考慮的一個因素是分凝效應(yīng)。Word文檔在“氧化工藝”中曾經(jīng)分析過，由于熱氧化，在再分布時雜質(zhì)在硅片表面氧化層中會出現(xiàn)“吸硼排磷”現(xiàn)象，我們不能忽略這個因素；并且應(yīng)當(dāng)利用這些規(guī)律來精確的控制再分布的雜質(zhì)表面濃度。第二節(jié)擴散條件擴散條件選擇，主要包括擴散雜質(zhì)源的選擇和擴散工藝條件的確定兩個方面。一?擴散源的選擇選取什么種類的擴散雜質(zhì)源，主要根據(jù)器件的制造方法和結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。具體選擇還需要遵循如下原則：.導(dǎo)電類型與襯底相反；2,先擴散的擴散系數(shù)要比后擴散的?。?雜質(zhì)與掩模之間的配合要協(xié)調(diào)，擴散系數(shù)在硅中要比在掩模中大得多；.要選擇容易獲得高濃度、高蒸汽壓、且使用周期長的雜質(zhì)源；.在硅中的固溶度要高于所需要的表面雜質(zhì)濃度；.毒性小，便于工藝實施。從雜質(zhì)源的組成來看，有單元素、化合物和混合物等多種形式。從雜質(zhì)源的狀態(tài)來看，有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)多種。二.擴散條件的確定擴散的目的在于形成一定的雜質(zhì)分布，使器件具有合理的表面濃度和結(jié)深，而這也是確定工藝條件的主要依據(jù)。此外如何使擴散結(jié)果具有良好的均勻性、重復(fù)性也是選擇工藝條件的重要依據(jù)。具體講有：Word文檔?溫度對擴散工藝參數(shù)有決定性影響。對淺結(jié)器件一般選低些；對很深的PN結(jié)選高些。此外還需根據(jù)工藝要求實行不同工藝系列的標(biāo)準(zhǔn)化，以有利于生產(chǎn)線的管理。.時間調(diào)節(jié)工藝時間往往是調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的主要手段，擴散時間的控制應(yīng)盡量減少人為的因素。.氣體流量流量是由摻雜氣體的類別和石英管直徑確定的，只有使擴散的氣氛為層流型，才能保證工藝的穩(wěn)定性，流量控制必須采用質(zhì)量流量控制器MFC。第三節(jié)擴散參數(shù)及測量擴散工藝中有三個參數(shù)非常重要，它們是擴散結(jié)深、薄層電阻及表面濃度，三者之間有著一個十分密切的有機聯(lián)系。一?擴散結(jié)深結(jié)深就是PN結(jié)所在的幾何位置，它是P型與N型兩種雜質(zhì)濃度相等的地方到硅片表面的距離，用xj表示，單位是微米(四m或日)其表達式為：xj=A7~D (3-7)式中A是一個與Ns、Nb等有關(guān)的常數(shù)，對應(yīng)不同的雜質(zhì)濃度分布，其表達式不同。余誤差分布時：，-。NA=2erfc-1—BNs(3-8)Word文檔

高斯分布時:高斯分布時:(3-9)N(3-9)A=2入。nNBB」這里erfc-i為反余誤差函數(shù)，可以查反余誤差函數(shù)表。In為以e為底的自然對數(shù)，可以查自然對數(shù)表。此外，A也可以通過半導(dǎo)體手冊A?N曲線表直接查出。Nb實際生產(chǎn)中與直接通過測量顯微鏡測量。具體方法有磨角染色法、滾槽法、陽極氧化法等。二?方塊電阻RS=PRS=PLp1擴散層的方塊電阻又叫薄層電阻，記作1或RS，其表示表面為正方形的擴xL xj x.bJ(3-10)式中：P、b分別為薄層電阻的平均電阻率和電導(dǎo)率。為區(qū)別于一般電阻，其單位用Q/口表示。由于：1(3-11)p= (3-11)q?N(x__pq為電子電荷量，妝為平均雜質(zhì)濃度，P為平均遷移率。Word文檔RS可變換為：X.J(3-12)式中：Nx廠X為單位表面積擴散薄層內(nèi)的凈雜質(zhì)總量Q?？梢?，方塊電阻與方塊內(nèi)凈雜質(zhì)總量成反比。方塊電阻不僅十分直觀地反映了雜質(zhì)在擴散過程中雜質(zhì)總量的多少，還可以結(jié)合結(jié)深方便地算出擴散后的平均電阻率或平均電導(dǎo)率。實際生產(chǎn)中，Rs（RJ用四探針測試儀測量。三.表面雜質(zhì)濃度擴散后的表面雜質(zhì)濃度NS是半導(dǎo)體器件設(shè)計制造和特性分析的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，它可以采取放射性示蹤技術(shù)通過一些專門測試儀器直接測量，但是實際生產(chǎn)中是先測出結(jié)深xj和方塊電阻R□，再用計算法或圖解法間接得出。.計算法若已知擴散預(yù)沉積雜質(zhì)擴散系數(shù)為D1，擴散時間（，預(yù)沉積后表面濃度為NS1，再擴散的擴散系數(shù)D2,擴散時間1，忽略再分布時的雜質(zhì)分凝效應(yīng)，如何利用有關(guān)公式，計算求出再擴散后表面雜質(zhì)濃度Ns2?（提示：表面處x=0）計算步驟如下：再擴散雜質(zhì)濃度遵循了高斯分布。根據(jù)公式（3-6）,且考慮到x=0，于是有：？由于忽略分凝效應(yīng)，再擴散時雜質(zhì)總量等于預(yù)沉積后的雜質(zhì)總量。預(yù)沉積是恒定表面源擴散，根據(jù)公式（3-4）可知其擴散后進入硅片單位面積內(nèi)雜質(zhì)總量為：？Word文檔代入上式即可得到NSNS2二二Ns兀互氣可(3—13)事實上表達式（3-13）也就是一個常用的擴散雜質(zhì)濃度計算公式。如果不忽略表面氧化層分凝效應(yīng)，則磷擴散時實際表面濃度應(yīng)高于（3-13）計算結(jié)果；反之若是硼擴散，實際表面濃度比計算數(shù)據(jù)要低。.圖解法半導(dǎo)體手冊上都能方便地查到不同襯底雜質(zhì)濃度nb下不同雜質(zhì)分布的表面濃度NS與平均電導(dǎo)率b的關(guān)系曲線。通過測出的Rs和Xj能得到b：1RS.Xj(3-14)襯底材料電阻率P襯底材料電阻率P往往是已知的從而可用手冊上P~NB曲線查出襯底濃度nb。當(dāng)然也可以根據(jù)經(jīng)驗公式:NB=(3-15)算出N。有了仁和N，只要知道雜質(zhì)分布類型（恒定源還是限定源擴散），就可B B以通過和已知襯底濃度Nb相應(yīng)的那組Ns~b曲線，查到從表面（x=0）到結(jié)（x二xj）之間任意一點x處的雜質(zhì)濃度。第四節(jié)擴散方法擴散方法很多。常用的主要有：液態(tài)源擴散氣一固擴散 粉態(tài)源擴散片狀源擴散Word文檔擴散法:— 乳膠源擴散固一固擴散——CVD摻雜擴散—PVD蒸發(fā)擴散這是以擴散中雜質(zhì)源與硅片（固態(tài)）表面接觸時的最終狀態(tài)是氣態(tài)還是固態(tài)來劃分的。另外，按擴散系統(tǒng)來分，有開管式、閉管式和箱法三種；按雜質(zhì)本來形態(tài)分有固態(tài)源、液態(tài)源、氣態(tài)源三種。生產(chǎn)中習(xí)慣以雜質(zhì)源類型來稱呼擴散方法。一.氣-固擴散液態(tài)或固態(tài)擴散雜質(zhì)源最終呈現(xiàn)氣態(tài)，與固態(tài)硅表面接觸實現(xiàn)雜質(zhì)擴散，叫氣-固擴散。1.液態(tài)源擴散用保護性氣體（如n2）通過液態(tài)源瓶（鼓泡或吹過表面）把雜質(zhì)源蒸氣帶入高溫石英管中，經(jīng)高溫?zé)岱纸馔杵砻姘l(fā)生反應(yīng)，還原出雜質(zhì)原子并向硅內(nèi)擴散。液態(tài)源擴散的優(yōu)點是PN結(jié)均勻平整，成本低，效率高，操作方便，重復(fù)性好。通常液態(tài)源硼擴散，用硼酸三甲脂；液態(tài)源磷擴散，用三氯氧磷。它們的反應(yīng)方程式分別如下：B（CH3O）3 500℃以上>B2O3+CO2+H2O+C+ 2B2O3+3Si-500°C以上43SiO2+4BJ5POCl3—600°c以上>3PCl3+P2O52P2O5+5Si-900°C以上45SiO2+4PJ2.固態(tài)源擴散（1）粉狀源這種擴散從擴散系統(tǒng)上看主要采取箱法擴散。待擴散的硅片與雜質(zhì)源同放在一個石英或硅制的箱內(nèi)，在氮氣保護下，源蒸氣與硅反應(yīng)生成含雜質(zhì)的氧化層，再進行高溫雜質(zhì)擴散。由于這種方法存在很大局限性，目前硼磷擴散都不用它。Word文檔雙極電路隱埋擴散現(xiàn)在還用粉狀源三氧化二銻（Sb2O3）。但也不再用“箱”法，而改用雙溫區(qū)擴散系統(tǒng)，二步法擴散兩個溫區(qū)分別控制雜質(zhì)蒸氣壓和主擴散，所以能使用純Sb2O3粉狀源而避免了箱法擴散中燒源的麻煩，雜質(zhì)源置于低溫區(qū)，Si片放在高溫區(qū)，預(yù)沉積時n2攜帶Sb2O3蒸氣由低溫區(qū)進入高溫區(qū)沉積于硅片表面，再進行反應(yīng)生成銻向硅中擴散。再分布時將源舟取出。反應(yīng)方程式為：2Sb2O3+3Si——>3SiO2+4SbJ（2）平面片狀源把片狀雜質(zhì)源（氮化硼片、硼或磷微晶璃片等）與硅片相間地放置在石英舟的，V”型槽上，并保持平行，用高純度的n2保護，利用雜質(zhì)源表面。揮發(fā)出來的雜質(zhì)蒸氣，濃度梯度，在高溫下經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)，雜質(zhì)原子向片內(nèi)擴散，形成PN結(jié)。二.固一固擴散雜質(zhì)源與硅片是固體與固體接觸狀態(tài)下進行擴散。在硅片表面沉積（化學(xué)氣相沉積CVD；物理氣相沉積PVD）或者涂布一層雜質(zhì)或摻雜氧化物，再通過高溫實現(xiàn)雜質(zhì)向硅中的擴散。（1）低溫沉積摻雜氧化層法（CVD法）分兩步進行。第一步在硅片表面沉積。一層具有一定雜質(zhì)含量的二氧化硅薄膜作為第二步擴散時的雜質(zhì)源；第二步是將已沉積過的硅片在高溫下進行擴散。由于沉積，摻雜氧化膜是在400℃以下低溫下完成，所以弓［進有害雜質(zhì)N；等以及缺陷的幾率很小，因此這種方法也是完美單晶工藝（PCT）或半完美單晶工藝（1/2PCT）的重要環(huán)節(jié)之一。（2）蒸發(fā)源擴散Word文檔采用物理氣相沉積的方法，先在硅片背面蒸發(fā)上一層雜質(zhì)源金，然后再放進爐中擴散。這是開關(guān)晶體管的一道典型工藝，旨在減少晶體管集電區(qū)少子壽命，縮短儲存時間，提高開關(guān)速度。開關(guān)二極管以及雙極型數(shù)字邏輯電路，生產(chǎn)中也普遍使用這種擴散。（3）二氧化硅乳膠源涂布擴散先在硅片表面涂敷一層含擴散雜質(zhì)的乳膠狀的源再進行擴散。這種方法只用一步擴散就可以同時達到所需的表面濃度和結(jié)深，具有濃度范圍寬、高溫時間短、離子沾污小、晶格完整性好的優(yōu)點，同樣具備PCT的工藝特征。各種不同的擴散方法只是供源方式不同，其擴散主體系統(tǒng)是一樣的。從設(shè)備上看，擴散與氧化的區(qū)別，差不多也只在此。因此，擴散系統(tǒng)裝置，我們就不再介紹，以避免與氧化雷同。第五節(jié)擴散質(zhì)量及常見質(zhì)量問題擴散質(zhì)量對半導(dǎo)體器件芯片的好壞有著決定性影響，其具體體現(xiàn)在表面質(zhì)量、擴散結(jié)深、方塊電阻和表面雜質(zhì)濃度幾個方面。在第三節(jié)中我們曾經(jīng)就xj，R□和Ns進行了較為詳細的介紹，下面對有關(guān)擴散工藝中常見的一些質(zhì)量問題作些簡要的闡述。一.表面不良.合金點：主要原因是表面雜質(zhì)濃度過高。.黑點或白霧：主要是酸性沾污、水氣和顆粒沾污造成的。.表面凸起物：大多由較大顆粒經(jīng)過高溫處理后形成。.玻璃層：會造成光刻脫膠。擴散溫度過高，時間過長造成。工藝過程中要控制好擴散溫度、時間以及氣體流量，并保證擴散前硅片表面干凈干燥。Word文檔.硅片表面滑移線或硅片彎曲：是由高溫下的熱應(yīng)力弓1起，一般是由于進出舟速度過快、硅片間隔太小、石英舟開槽不適當(dāng)?shù)葘?dǎo)致。.硅片表面劃傷、表面缺損等：通常是由于工藝操作不當(dāng)產(chǎn)生。二?方塊電阻偏差R□一定程度上反映了擴散到Si片中的雜質(zhì)總量的多少，與器件特性密切相關(guān)。攜源n2中有較多的水份和氧氣，Si片進爐前未烘干；雜質(zhì)源中含水量較多,光刻沒有刻干凈，留有底膜，使擴散區(qū)域表面有氧化層影響了雜質(zhì)擴散；擴散源使用時間過長，雜質(zhì)量減少或源變質(zhì)；擴散系統(tǒng)漏氣或源蒸氣飽和不充分；攜源氣體流量小而稀釋氣體流量大，使系統(tǒng)雜質(zhì)蒸氣壓偏低；擴散溫度偏低，擴散系數(shù)下降；擴散時間不足，擴散雜質(zhì)總量不夠等等原因會造成R口偏大。相反，雜質(zhì)蒸氣壓過大，溫度偏高，時間過長會導(dǎo)致R□偏小。如果在預(yù)沉積時發(fā)現(xiàn)R□偏大或偏小，可在再擴散時通過適當(dāng)改變通干氧、濕氧的先后次序或時間來進行調(diào)整，而這正是兩步法擴散的一大優(yōu)點。.結(jié)特性參數(shù)異常擴散工藝過程中要測單結(jié)和雙結(jié)特性。根據(jù)單結(jié)和雙結(jié)測試情況及時改變工藝條件。測單結(jié)主要看反向擊穿電壓和反向漏電流；測雙結(jié)主要為調(diào)電流放大參數(shù)hFE。PN結(jié)的反向擊穿電壓和反向漏電流，是晶體管的兩個重要參數(shù)；也是衡量擴散層質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。它們是兩個不同的物理概念，但實際上又是同一個東西，反向漏電大，PN結(jié)擊穿電壓低。工藝中常見的不良反向擊穿主要有：Word文檔

鼓泡比雙線表面缺陷過多或表面吸附了水份或其他離子，會使表面漏電增大。氧化時由溝邊市穿出身蠕變鼓泡比雙線表面缺陷過多或表面吸附了水份或其他離子，會使表面漏電增大。氧化時由溝邊市穿出身蠕變5-負，料性2,低擊靠于清洗不好，有一些金屬離子進入氧化層，如鈉離子，從而增加漏電降低擊穿。二氧化硅表面吸附了氣體或離子以及二氧化硅本身的缺陷如氧空位等,使得802帶上了電荷，形成了表面溝道效應(yīng)，增大了反向漏電流。硅片表面上沾污有重金屬雜質(zhì)，在高溫下，很快擴散進Si片體內(nèi)，沉積在硅內(nèi)的品格缺陷中，弓［起電場集中，發(fā)生局部擊穿現(xiàn)象，造成很大的反向漏電流。此外，如光刻時圖形邊緣不完整，出現(xiàn)尖峰毛剌，表面有合金點、破壞點，引起了縱向擴散不均勻，PN結(jié)出現(xiàn)尖峰會形成電場集中，擊穿將首先發(fā)生在這