第2章集成電路工藝原理

第2章集成電路工藝原理第一頁，共86頁。第四章擴(kuò)散(Diffusion)§4.1引言§4.2擴(kuò)散機(jī)理§4.3擴(kuò)散方程及其解§4.4影響雜質(zhì)分布的其他因素§4.5擴(kuò)散工藝參量與擴(kuò)散工藝條件的選擇§4.6擴(kuò)散方法§4.7擴(kuò)散層質(zhì)量檢驗(yàn)§4.8擴(kuò)散工藝常見的質(zhì)量問題及分析2第二頁，共86頁。第四章擴(kuò)散(Diffusion)§4.1引言一半導(dǎo)體中的摻雜方法合金法—雜質(zhì)摻入到基片熔體中;擴(kuò)散法—固–固擴(kuò)散、氣–固擴(kuò)散;離子注入;3第三頁，共86頁。二擴(kuò)散法優(yōu)點(diǎn)

1.通過對(duì)擴(kuò)散溫度、時(shí)間等工藝條件的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)來控制PN結(jié)的結(jié)深,并能獲得均勻、平坦的結(jié)面;2.通過對(duì)擴(kuò)散條件的調(diào)節(jié)和選擇來控制擴(kuò)散層表面的雜質(zhì)濃度及其分布,以滿足不同的要求;3.與氧化、光刻技術(shù)相結(jié)合形成硅平面工藝;4.重復(fù)性好,均勻性好,適合大生產(chǎn);4第四頁，共86頁?！?.2擴(kuò)散機(jī)理一擴(kuò)散的本質(zhì)微觀粒子的一種極為普遍的熱運(yùn)動(dòng)方式,是微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在集成電路工藝中，將一定數(shù)量和一定種類的雜質(zhì)摻入硅片中的工藝。

擴(kuò)散粒子總是從濃度高的地方向濃度低的地方移動(dòng);這種由粒子濃度梯度產(chǎn)生的粒子流密度(J)與粒子的濃度梯度(N)成正比,式中D為粒子的擴(kuò)散系數(shù)，菲克第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式則5第五頁，共86頁。慢擴(kuò)散雜質(zhì)在(111)硅中的擴(kuò)散系數(shù)快擴(kuò)散雜質(zhì)在(111)硅中的擴(kuò)散系數(shù)6第六頁，共86頁。二雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)D

D是描述雜質(zhì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)快慢的物理量,它與雜質(zhì)種類、擴(kuò)散溫度、氣氛以及襯底晶向等多種因素有關(guān);雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)對(duì)溫度的關(guān)系D隨溫度T變化迅速,T越高,D越大;一般溫度每升高10℃,D將增加一倍左右;3)D還與基片材料的晶向、晶格的完整性、基片材料本體雜質(zhì)濃度以及擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度有關(guān)；2)快慢擴(kuò)散雜質(zhì)元素以劃分;7第七頁，共86頁。三雜質(zhì)固溶度(dopantsolidsolubility)

固溶度(solidsolubility):在一定溫度下，雜質(zhì)能溶硅中而不發(fā)生反應(yīng)形成分凝相的最大濃度。雜質(zhì)的最大固溶度是表面雜質(zhì)濃度Ns的上限。幾種雜質(zhì)在硅中的固溶度8第八頁，共86頁。四硅體內(nèi)雜質(zhì)原子的擴(kuò)散機(jī)構(gòu)擴(kuò)散最基本的兩種機(jī)制1替位式擴(kuò)散雜質(zhì)原子進(jìn)入硅晶體以后，雜質(zhì)原子沿著晶格空位跳躍前進(jìn)的一種擴(kuò)散；替位式擴(kuò)散機(jī)構(gòu)的特征：雜質(zhì)原子占據(jù)晶體晶格格點(diǎn)的正常位置，不改變晶體結(jié)構(gòu)；替代式雜質(zhì)P，B，As,Al,Ga,Sb,Geint~3–4eV9第九頁，共86頁。

2間隙式擴(kuò)散雜質(zhì)原子在進(jìn)入硅晶體之后，從一個(gè)原子的間隙到另一個(gè)原子間隙逐次跳躍前進(jìn)的一種擴(kuò)散；間隙式擴(kuò)散機(jī)構(gòu)的特征：雜質(zhì)原子只存在于晶體原子的間隙之中，擴(kuò)散的速率一般較替位式要快；3有些雜質(zhì)同時(shí)具有替位式和間隙式兩種擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，它們的有效擴(kuò)散系數(shù)則由這兩個(gè)獨(dú)立的擴(kuò)散系數(shù)權(quán)重結(jié)合給出；間隙式雜質(zhì)：O,Au,Fe,Cu,Ni,Zn,Mgint

~0.6–1.2eV10第十頁，共86頁?！?.3擴(kuò)散方程及其解擴(kuò)散是微觀粒子作無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,這種運(yùn)動(dòng)總是由粒子濃度較高的地方向濃度低的地方進(jìn)行，而使得粒子的分子逐漸趨于均勻。一擴(kuò)散的宏觀機(jī)制11第十一頁，共86頁。C:雜質(zhì)濃度，D:擴(kuò)散系數(shù),單位：cm2/s.負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散由高濃度處向低濃度處進(jìn)行的J為單位時(shí)間內(nèi)垂直擴(kuò)散通過單位面積的粒子數(shù)1，由費(fèi)克第一定律(Fick’sfirstlaw)

C1C2x

J=–DN(1)由于擴(kuò)散結(jié)平行于硅表面，且結(jié)淺，(1)式可簡(jiǎn)化為（2）12第十二頁，共86頁。如果D是常數(shù)，JoutCJinX質(zhì)量守恒2，根據(jù)物質(zhì)連續(xù)性的概念則,(3)(4)(5)式即為擴(kuò)散方程，稱為費(fèi)克第二定律；它把濃度分布和擴(kuò)散時(shí)間及空間位置聯(lián)系了起來；描述了擴(kuò)散過程中，硅片中各點(diǎn)的雜質(zhì)濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律；(5)則13第十三頁，共86頁。二擴(kuò)散方程的解恒定表面源擴(kuò)散(ConstantSource)

—預(yù)淀積(Predeposition)有限表面源擴(kuò)散(FiniteSource)

—雜質(zhì)推進(jìn)(Drivein)14第十四頁，共86頁。硅片表面的雜質(zhì)濃度始終不變,這種擴(kuò)散也叫預(yù)淀積擴(kuò)散(Predepositiondiffusion)1恒定表面源擴(kuò)散GasPhaseSource(FixedConcentration)ThickSolidSurfaceSource,e.g.P2O515第十五頁，共86頁。雜質(zhì)總量固定(FiniteSource)QTotal:atom/cm22有限表面源擴(kuò)散離子注入引入一定量的雜質(zhì)總量；在整個(gè)擴(kuò)散過程中，已形成的擴(kuò)散雜質(zhì)總量作為擴(kuò)散的雜質(zhì)源，不再有新源補(bǔ)充16第十六頁，共86頁。17第十七頁，共86頁。3恒定表面源擴(kuò)散方程的解邊界條件(BoundaryCondition)C(0,t)=Cs(雜質(zhì)固溶度)t≧0x=0時(shí)C(∞,t)=0t≧0x→∝時(shí)起始條件C(x,0)=0t=0x>0時(shí)18第十八頁，共86頁。式中，Cs是固定表面濃度,erf為誤差函數(shù)，Erfc為余誤差函數(shù)稱為特征擴(kuò)散長(zhǎng)度介為:余誤差函數(shù)分布(t>0)則19第十九頁，共86頁。分布曲線的特點(diǎn)硅片表面雜質(zhì)濃度Cs始終保持不變，它與時(shí)間無關(guān)，只與擴(kuò)散的雜質(zhì)和溫度有關(guān)；

Cs和D主要取決于摻雜元素和擴(kuò)散溫度；其中Cs由雜質(zhì)在硅內(nèi)的固溶度決定，雜質(zhì)的固溶度給擴(kuò)散的表面雜質(zhì)濃度設(shè)置了上限；

選定擴(kuò)散雜質(zhì)元素和擴(kuò)散溫度之后，Cs和D就定下來了，若再將t定下來，雜質(zhì)分布也就確定了；擴(kuò)散時(shí)間由對(duì)分布的要求來定，隨著t的增加，雜質(zhì)擴(kuò)散深度不斷增加，雜質(zhì)總量不斷增多；20第二十頁，共86頁。

擴(kuò)散結(jié)深:恒定表面源擴(kuò)散時(shí)硅片內(nèi)部的雜質(zhì)數(shù)量QT(t)可見，在固溶度范圍內(nèi):t↑,Q↑則，以C（xj,t)(擴(kuò)散雜質(zhì)濃度)=Csub(本體濃度)代入∵則21第二十一頁，共86頁。4限定表面源擴(kuò)散

其邊界條件為()(t>0)

初始條件為結(jié)深的有限性22第二十二頁，共86頁。限定表面源擴(kuò)散方程的解是高斯分布表面濃度Cs隨時(shí)間而減少:擴(kuò)散結(jié)深:式中為高斯函數(shù)23第二十三頁，共86頁。雜質(zhì)總劑量固定表面濃度隨擴(kuò)散時(shí)間增加而減少擴(kuò)散長(zhǎng)度隨擴(kuò)散時(shí)間增加而增加這個(gè)過程被稱為再分布(redistribution)或者推進(jìn)(drive-in)過程24第二十四頁，共86頁。

限定表面源擴(kuò)散最終表面的雜質(zhì)濃度（二步擴(kuò)散）

再分布(限定表面源擴(kuò)散)后硅片表面的雜質(zhì)濃度：式中，CS1、CS2分別為預(yù)淀積和再分布時(shí)的表面雜質(zhì)濃度；D1和t1，D2和t2分別為預(yù)淀積和再分布時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散時(shí)間；(1)(2)(1)代(2)，則(3)

預(yù)淀積(恒定源擴(kuò)散)時(shí)的雜質(zhì)總量：25第二十五頁，共86頁?？梢姡?，C2與C1成正比，與D2、t2的平方根成反比；D2愈大（即T愈高）、t2愈長(zhǎng)，C2則愈低。2，結(jié)論：

欲通過有限表面源擴(kuò)散獲得一定要求的表面雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)分布，就必須在預(yù)淀積時(shí)獲得適量的雜質(zhì)總量Q，并控制好再分布擴(kuò)散的溫度時(shí)間。26第二十六頁，共86頁。幾種特征擴(kuò)散長(zhǎng)度下，(A)預(yù)淀積擴(kuò)散和(B)推進(jìn)擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度與深度的關(guān)系圖以為參變量的預(yù)淀積擴(kuò)散和推進(jìn)擴(kuò)散的分布圖27第二十七頁，共86頁?！?.4影響雜質(zhì)分布的其他因素

實(shí)際擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)通過窗口以垂直硅表面擴(kuò)散的同時(shí)，也將在窗口邊緣附近的硅中進(jìn)行平行表面的橫向擴(kuò)散，兩者是同時(shí)進(jìn)行的，但兩者的擴(kuò)散條件并不完全相同；

硅內(nèi)濃度比表面濃度低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上時(shí)，橫向擴(kuò)散的距離約為縱向擴(kuò)散距離的75－85%；氧化物窗口邊緣的擴(kuò)散等濃度線一橫向擴(kuò)散28第二十八頁，共86頁。

橫向擴(kuò)散的存在，實(shí)際擴(kuò)散區(qū)域要比窗口的尺寸大，造成擴(kuò)散區(qū)域之間的實(shí)際距離比由光刻版所確定的尺寸要小橫向擴(kuò)散對(duì)溝道長(zhǎng)度的影響橫向擴(kuò)散直接影響ULSI的集成度；并對(duì)結(jié)電容也將產(chǎn)生一定的影響；29第二十九頁，共86頁。二場(chǎng)助效應(yīng)(Electricfieldenhanced)擴(kuò)散時(shí)，在擴(kuò)散粒子自建場(chǎng)作用下，加速了雜質(zhì)原子擴(kuò)散的速度，這一現(xiàn)象稱為場(chǎng)助效應(yīng)電子由于具有很高的遷移率，因此移動(dòng)在前沿，這使帶正電荷的施主As離子在后面，這樣就建立了一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng),阻止電子進(jìn)一步擴(kuò)散，最后電子擴(kuò)散流量和電子漂移流量平衡。這個(gè)電場(chǎng)同樣施加在施主原子上，因此，增加了施主的擴(kuò)散率。30第三十頁，共86頁。有效擴(kuò)散系數(shù)由離子流密度改變得到修正公式：ni：本征雜質(zhì)濃度C：電離雜質(zhì)濃度當(dāng)：C<<ni時(shí)，Deff

D自建場(chǎng)沒影響；C>>ni時(shí)，Deff=2D自建場(chǎng)使D增加一倍。高濃度雜質(zhì)擴(kuò)散易產(chǎn)生場(chǎng)助效應(yīng)式中31第三十一頁，共86頁。這種場(chǎng)助效應(yīng)對(duì)于低濃度的B雜質(zhì)影響更大！32第三十二頁，共86頁。三擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度有關(guān)，只有當(dāng)雜質(zhì)濃度比擴(kuò)散溫度下的本征載流子濃度ni(T)低時(shí)，才可以認(rèn)為擴(kuò)散系數(shù)是與摻雜濃度無關(guān)的函數(shù)，這時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)稱為本征擴(kuò)散系數(shù)，用Di表示；

把依賴于摻雜濃度的擴(kuò)散系數(shù)稱為非本征擴(kuò)散系數(shù)，用De表示；當(dāng)雜質(zhì)濃度增加時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)增大。33第三十三頁，共86頁。擴(kuò)散系數(shù)的修正因子與硅基片濃度的關(guān)系34第三十四頁，共86頁。四，基區(qū)下陷效應(yīng)(EmitterPusheffect)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在P發(fā)射區(qū)下的B擴(kuò)散比旁邊的B擴(kuò)散快，使得基區(qū)寬度改變。35第三十五頁，共86頁。

產(chǎn)生原因：

由于P的擴(kuò)散使得大量間隙遷移到發(fā)射區(qū)下方基區(qū)，加快了硼的擴(kuò)散，即原子半徑差異較大的高濃度雜質(zhì)進(jìn)入造成晶格畸變，產(chǎn)生失配位錯(cuò)，使基區(qū)沿位錯(cuò)處擴(kuò)散增強(qiáng)－基區(qū)下陷;解決辦法：尋求一種與基區(qū)雜質(zhì)原子半徑相接近的原子以減小晶格的應(yīng)變;36第三十六頁，共86頁。

五，基區(qū)外表面擴(kuò)散速率的影響

恒定表面源擴(kuò)散時(shí)，假設(shè)邊界條件為C(0,t)=Cs

實(shí)際上，擴(kuò)散時(shí)表面濃度由0→Cs由（1）雜質(zhì)從氣源到硅片表面的輸運(yùn),（2）雜質(zhì)從硅外表面到體內(nèi)的固態(tài)擴(kuò)散,兩個(gè)過程的相對(duì)速率決定；若嚴(yán)格地分析邊界條件，則邊界條件需作必要的修正；37第三十七頁，共86頁。六雜質(zhì)的分凝效應(yīng)

作為雜質(zhì)再分布的限定源擴(kuò)散過程，都與氧化結(jié)合在一起，同樣存在邊界條件的偏差。

形成這一偏差的原因：不同雜質(zhì)在Si－SiO2界面的分凝系數(shù)m不同m=Csi/CSiO2

雜質(zhì)在氧化層一側(cè)的擴(kuò)散系數(shù)的影響；隨SiO2的增厚Si－SiO2的界面隨時(shí)間而移動(dòng)；

工藝中利用氧化速率大小來控制、調(diào)整再分布后硅片中的雜質(zhì)總量和基區(qū)表面雜質(zhì)濃度；38第三十八頁，共86頁。基區(qū)摻硼、發(fā)射區(qū)摻磷時(shí)晶體管中雜質(zhì)的分布狀況39第三十九頁，共86頁?！?.5擴(kuò)散工藝參量與擴(kuò)散工藝條件的選擇一擴(kuò)散結(jié)深(diffusionjunctiondepth)1，結(jié)深Xj的定義:PN結(jié)結(jié)深的位置定義在摻入的雜質(zhì)濃度與硅片本體雜質(zhì)濃度相等的地方；即,x=xj處

Cx(擴(kuò)散雜質(zhì)濃度)=Cb(本體濃度)

40第四十頁，共86頁。2，結(jié)深的表達(dá)式將N(xj,t)=Nb代入上式，則（2）有限表面源擴(kuò)散∵則統(tǒng)一表示式：（1）恒定表面源擴(kuò)散∵41第四十一頁，共86頁。例，某晶體管的硼再分布的擴(kuò)散溫度為1180℃，擴(kuò)散時(shí)間共用了40分鐘，所用N型外延片的電阻率為0.4Ω?cm，硼擴(kuò)散的表面濃度Ns≌5×1018/cm3,試求擴(kuò)散結(jié)深。則則介：由電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系曲線查0.4Ω?cm對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)濃度Nb＝1.5×1016/cm3

由A值與Ns/Nb的關(guān)系曲線查出對(duì)應(yīng)的A,則A＝4.8再由雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散系數(shù)曲線圖中查出1180℃下硼的擴(kuò)散系數(shù)D=1.2×10-12cm2/sec42第四十二頁，共86頁。

計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)值偏大，其原因有：由可見，結(jié)深Xj主要由擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間決定；（1）硅片進(jìn)爐時(shí)爐溫有所下降；（2）實(shí)際擴(kuò)散分布與理想高斯分布有一定的偏離；（3）擴(kuò)散系數(shù)D的精確度有一定局限性；理論計(jì)算對(duì)實(shí)際工作具有一定的指導(dǎo)意義，但當(dāng)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值發(fā)生偏差時(shí)，應(yīng)以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)；3，影響結(jié)深的因素Xj還與A值，即Ns/Nb的大小有關(guān)；43第四十三頁，共86頁。二薄層電阻(sheetresistance)Rs1定義:層厚為Xj（即擴(kuò)散結(jié)深），長(zhǎng)寬相等的一個(gè)擴(kuò)散薄層在電流方向所呈現(xiàn)的電阻;薄層電阻也稱方塊電阻,用/表示;

Rs與正方形邊長(zhǎng)L無關(guān)；44第四十四頁，共86頁。2，物理意義式中,為載流子遷移率，n為載流子濃度,并假定溫室下雜質(zhì)全部電離,則載流子濃度=雜質(zhì)濃度(n=N)；對(duì)于擴(kuò)散層，層內(nèi)雜質(zhì)有一定的分布，當(dāng)采用平均值的概念時(shí)：在雜質(zhì)均勻分布的半導(dǎo)體中45第四十五頁，共86頁。假設(shè)遷移率為常數(shù)，則，R=nRSxjaL

式中，Q為從表面到結(jié)邊界這一方塊薄層中單位面積上雜質(zhì)總量；可見

，擴(kuò)散層中擴(kuò)進(jìn)的雜質(zhì)總量越多，Rs就越??；在集成電路中的應(yīng)用：則46第四十六頁，共86頁。三，表面雜質(zhì)濃度NS恒定表面源擴(kuò)散表面雜質(zhì)濃度NS取決于擴(kuò)散溫度下雜質(zhì)在硅中的固溶度；有限表面源擴(kuò)散擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)總量Q保持不變，而表面濃度隨擴(kuò)散時(shí)間的增長(zhǎng)而下降;即，再分布的表面濃度由預(yù)淀積的雜質(zhì)總量Q和再分布的溫度和時(shí)間決定；47第四十七頁，共86頁。

在結(jié)深相同的情況下，預(yù)淀積的雜質(zhì)總量越大，再分布后的表面濃度NS2就越大；雜質(zhì)總量Q對(duì)再分布表面濃度NS2的影響48第四十八頁，共86頁。再分布過程中，擴(kuò)散與氧化同時(shí)進(jìn)行，有一部分雜質(zhì)Q2要積聚到所生長(zhǎng)的SiO2層中；則，表面濃度可由預(yù)淀積雜質(zhì)總量Q和積聚到氧化層中的雜質(zhì)總量Q2來控制；如生產(chǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)基區(qū)硼擴(kuò)散預(yù)淀積雜質(zhì)總量過大（即RS1太?。瑒t可以縮短開始通干氧的時(shí)間，使更多的雜質(zhì)積聚到SiO2層中，以使再分布后的基區(qū)表面濃度NS2符合設(shè)計(jì)要求；49第四十九頁，共86頁。四擴(kuò)散溫度與擴(kuò)散時(shí)間的選擇(一)確定擴(kuò)散溫度T和時(shí)間t的依據(jù)保證擴(kuò)散層的表面濃度NS和結(jié)深Xj;使擴(kuò)散結(jié)果具有良好的均勻性和重復(fù)性；

以晶體管的硼擴(kuò)散為例：硼擴(kuò)散采用預(yù)淀積和再分布兩部擴(kuò)散法1預(yù)淀積溫度T和時(shí)間t是如何確定的？（1）預(yù)淀積的目的：使硅片表面擴(kuò)入足夠的雜質(zhì)—再分布能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的NS2和Xj的先決條件；50第五十頁，共86頁。（2）預(yù)淀積時(shí)擴(kuò)入單位面積的雜質(zhì)總量Q1由NS2和Xj決定。確定程序是：所以，預(yù)淀積雜質(zhì)總量要求達(dá)到：ⅲ，由得ⅱ，因Xj已知，由計(jì)算得到RS2ⅰ，由（平均電導(dǎo)率）的關(guān)系曲線查得51第五十一頁，共86頁。

擴(kuò)散溫度T和擴(kuò)散時(shí)間t的選擇除考慮表面濃度和結(jié)深的要求，還必須考慮達(dá)到所要求的均勻性和重復(fù)性在工藝上的控制性；（5）t1的確定，則由（3）NS1可間接確定，原則：NS1>>NS2；由NS1確定T。一般認(rèn)為NS1是相應(yīng)擴(kuò)散溫度下的固溶度，由雜質(zhì)固溶度曲線選定要達(dá)到NS1的擴(kuò)散溫度；（4）由選定的T，查出相應(yīng)的D1；52第五十二頁，共86頁。2，再分布溫度T和時(shí)間t是如何確定的？

選定了T和t后，即可作投片試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果適當(dāng)修正，最終確定一合適的T和t；（2）T確定后，查表找出相應(yīng)的D2則，式中，A是再分布的表面濃度與外延層濃度的函數(shù)，可由A與NS/Nb的關(guān)系曲線查得；T和t由Xj的要求確定：（1）根據(jù)擴(kuò)散周期長(zhǎng)短、擴(kuò)散的均勻性和重復(fù)性等諸方面因素綜合考慮，適當(dāng)選擇T;53第五十三頁，共86頁。(二）擴(kuò)散雜質(zhì)的選擇1，選擇擴(kuò)散雜質(zhì)的主要依據(jù)：（1）在硅中的固溶度—要求發(fā)射區(qū)的表面濃度比基區(qū)的表面濃度高2－3個(gè)數(shù)量級(jí)，以使發(fā)射結(jié)具有足夠大的注入比；（2）在硅中的擴(kuò)散系數(shù)—要求先行擴(kuò)散雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)比后擴(kuò)散雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)小，可以減小后面擴(kuò)散對(duì)已形成的雜質(zhì)分布的影響；（3）SiO2的掩蔽問題；54第五十四頁，共86頁。2，可供選擇的P型雜質(zhì)有In、Al、Ga和B，其中：In：在硅中的束縛能級(jí)較深，通常不全電離；Al：擴(kuò)散系數(shù)較大，不易控制；Ga：在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)很大，SiO2不能有效地掩蔽；

B：擴(kuò)散系數(shù)較小，易控，在硅中的最大固溶度為5×1020/cm3,完全滿足表面濃度在1018/cm3的要求；3，可供選擇的N型雜質(zhì)有P和As，它們?cè)诠柚械墓倘芏榷驾^大，前者為1.3×1021/cm3,后者為2×1021/cm3,都能滿足發(fā)射區(qū)擴(kuò)散要求，其中：55第五十五頁，共86頁。As：蒸汽壓高，不易控制，且擴(kuò)散系數(shù)比B小，有劇毒，使用不便；

P：蒸汽壓較低，易于控制，且擴(kuò)散系數(shù)比B略大，毒性也小；

相比之下P是比較理想的N型發(fā)射區(qū)擴(kuò)散雜質(zhì)；4，在淺結(jié)擴(kuò)散中，為避免基區(qū)陷落效應(yīng)，有時(shí)也采用砷擴(kuò)散作超高頻器件的擴(kuò)散源，這是因?yàn)槠浒霃脚c硅相同，在高摻雜情況下不會(huì)引起畸變；5，由于Sb在硅中的擴(kuò)散系數(shù)很小，常用作隱埋層的擴(kuò)散源；56第五十六頁，共86頁?！?.6擴(kuò)散方法從雜質(zhì)組分看有：?jiǎn)钨|(zhì)元素、化合物和混合物擴(kuò)散

從雜質(zhì)在常溫下所處的狀態(tài)看有：固態(tài)源擴(kuò)散、液態(tài)源擴(kuò)散和涂布源擴(kuò)散等銻擴(kuò)散箱示意圖常用的幾種擴(kuò)散方法一固態(tài)源擴(kuò)散1，銻的箱法擴(kuò)散:硅片與擴(kuò)散源同放一箱內(nèi)，在N2保護(hù)下擴(kuò)散;

擴(kuò)散方法分類：多以雜質(zhì)來源區(qū)分57第五十七頁，共86頁。

源：Sb2O3:SiO2=1:4(粉末重量比)2Sb2O3+3Si=4Sb+3SiO2

要求：Rs<20Ω/?

問題：源易粘片、硅片易變形、重復(fù)性差、產(chǎn)量小、硅片表面易產(chǎn)生合金點(diǎn)，影響外延質(zhì)量，難獲高的表面濃度;

改進(jìn)：采用SbCl3、Sb(C2H5O)3和乳膠源擴(kuò)散，改善了表面質(zhì)量，但高濃度擴(kuò)散仍難以達(dá)到；58第五十八頁，共86頁。

Sb擴(kuò)散較理想的方法：

采用兩個(gè)恒溫區(qū)的擴(kuò)散系統(tǒng)；擴(kuò)散分預(yù)淀積和再分布的雙溫區(qū)兩部擴(kuò)散法

優(yōu)點(diǎn)：有二個(gè)恒溫區(qū)，可用純Sb2O3粉狀源，避免了燒源的麻煩；表面質(zhì)量好，缺陷密度??；表面濃度為常規(guī)工藝的三倍；59第五十九頁，共86頁。2,固－固擴(kuò)散硼固－固擴(kuò)散淀積裝置示意圖源：硅基片上的摻雜固體薄膜；種類：摻雜氧化物、氮化物、多晶硅或它們的組合；其中，摻雜氧化物工藝較成熟；60第六十頁，共86頁。對(duì)源的要求：摻雜層應(yīng)滿足恒定表面源的條件，具有足夠的厚度和濃度式中,Dox和t分別為雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散時(shí)間，一般d在250－600nm；氧化層中的雜質(zhì)含量（濃度）直接影響擴(kuò)散的參數(shù),必須精確控制；氧化層中雜質(zhì)含量與其他工藝參數(shù)，如反應(yīng)氣體成份、流量、排氣速率和淀積溫度等由計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)找出最佳方案；61第六十一頁，共86頁。3.片狀源擴(kuò)散BN片和B、P微晶玻璃片

預(yù)淀積過程：源片與硅片相間插在石英舟內(nèi)；在一定擴(kuò)散溫度下，雜質(zhì)蒸汽借助于濃度梯度氣相轉(zhuǎn)移到硅片表面，并與硅發(fā)生反應(yīng)，生成雜質(zhì)原子，雜質(zhì)原子向硅體內(nèi)擴(kuò)散;源片不斷揮發(fā)雜質(zhì)，擴(kuò)散不斷進(jìn)行；

再分布時(shí)，去掉源后，在較高溫度下進(jìn)行；

源片的處理:BN片的活化處理：900C1h.通O2

4BN+3O2

2B2O3+2N2

擴(kuò)散2B2O3+3Si3SiO2+4B

62第六十二頁，共86頁。

B、P微晶玻璃的處理無需活化處理，只需脫脂、烘干即可使用片狀源擴(kuò)散裝置示意圖63第六十三頁，共86頁。

利用氣體(如N2)通過液態(tài)雜質(zhì)源，攜帶著雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入高溫?cái)U(kuò)散反應(yīng)管，雜質(zhì)蒸汽在高溫下分解，并與硅表面硅原子發(fā)生反應(yīng)，釋放出雜質(zhì)原子向硅中擴(kuò)散。磷預(yù)淀積裝置示意圖二、液態(tài)源擴(kuò)散64第六十四頁，共86頁。源：B—B(CH3O)3;P—POCl3

反應(yīng)方程：P:5POCl3=P2O5+3PCl52P2O5+5Si=5SiO2+4P4PCl5+5O2=2P2O5+10Cl2↑B:2B(CH3O)3+9O2=B2O3+6CO2↑+9H2O2B2O3+3Si=3SiO2+4B特點(diǎn)：自動(dòng)化程度高，雜質(zhì)量控制精確65第六十五頁，共86頁。三、涂布摻雜法(spin-on-glass)

用法：在相對(duì)濕度30－60%的涂膠臺(tái)內(nèi)，用涂布法在Si表面涂布一層均勻的摻雜二氧化硅乳膠源，然后在200－400℃下烘焙15－30分鐘，以去除薄膜上殘留的溶劑,初步形成疏松的SiO2薄膜，最后作高溫?cái)U(kuò)散。源：As (arsenosilica)；Sb

(antimonysilica)；B (borosilica)；P (phosphorosilica);根據(jù)Rs和Xj要求決定擴(kuò)散溫度和時(shí)間特點(diǎn)：摻雜元素多、濃度范圍廣；特別適合砷（As）擴(kuò)散66第六十六頁，共86頁。一、薄層電阻的測(cè)量

1，四探針法條件：待測(cè)樣品的長(zhǎng)、寬比探針間距大很多條件：待測(cè)樣品的長(zhǎng)、寬比探針間C由樣品指針間距S、樣品長(zhǎng)度L、樣品寬度a、樣品厚度d等尺寸決定； 用二探針來測(cè)量會(huì)造成金半接觸少子注入，接觸處有較大附加壓降等問題；§4.7擴(kuò)散層質(zhì)量檢驗(yàn)條件：待測(cè)樣品的長(zhǎng)、寬比探針間距大很多67第六十七頁，共86頁。2，范德堡測(cè)試圖

ⅰ，參數(shù)結(jié)果準(zhǔn)確；ⅱ，適用范圍廣，可以測(cè)量常規(guī)方法難以獲得的一些工藝參數(shù)；ⅲ，占用面積不大；ⅳ，測(cè)試方法簡(jiǎn)單；范德堡圖形圖中，正十字的中心部分是測(cè)試其方塊電阻的有效區(qū)域由中心伸出的四條邊稱為引出臂68第六十八頁，共86頁。二、結(jié)深Xj測(cè)量

常用磨角法和滾槽法直接測(cè)量染色原理：當(dāng)在結(jié)面上滴有染色液時(shí)，結(jié)兩側(cè)的硅與染色液形成微電池，兩個(gè)極區(qū)反應(yīng)不同，于是染色出現(xiàn)差異，結(jié)面被顯示出來；這兩種方法都是利用P區(qū)和N區(qū)在染色上的差異，使PN結(jié)的界面顯現(xiàn)出來，測(cè)量其深度；1，磨角法69第六十九頁，共86頁。

干涉法測(cè)量λ：光源波長(zhǎng)N：干涉條紋數(shù)

滾槽法D:滾槽直徑X、Y由顯微鏡讀出70第七十頁，共86頁。

染色方法：化學(xué)染色濃HNO3滴入0105％（體積）的HF，制成染色液，樣品放入幾分鐘，P區(qū)會(huì)變暗；化學(xué)鍍CUSO4·5H2O:HF(48％)H2O5克2ml50ml浸沒硅片，光照約30；由于，n型硅的電化學(xué)勢(shì)比Cu高，置換出Cu淀積在n型硅的表面，呈紅色。PN結(jié)顯示技術(shù)71第七十一頁，共86頁。三、摻雜分布測(cè)量1.C－V測(cè)量(Capacitance-VoltageMeasurement)從測(cè)量結(jié)的反偏電容和電壓的關(guān)系可以測(cè)得擴(kuò)散層的摻雜分布。對(duì)于突變結(jié)，結(jié)電容由下式給出：

C(V)=[qsNB/2]1/2[VbiVR-(2KT/q)]1/2

式中，s為硅的介電常數(shù)，Nb為襯底摻雜濃度，Vbi為結(jié)的內(nèi)建勢(shì)，VR為反偏電壓；72第七十二頁，共86頁。2.擴(kuò)展電阻測(cè)量用擴(kuò)展電阻法配合磨角法可在斜面上逐點(diǎn)測(cè)量擴(kuò)展電阻，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可自動(dòng)換算成電阻率和雜質(zhì)濃度分布，并可自動(dòng)繪制出分布曲線;利用金屬探針與半導(dǎo)體材料接觸，從電流－電壓曲線原點(diǎn)附近的特性來定出材料電阻率的一種方法。a：為經(jīng)驗(yàn)校正因子；73第七十三頁，共86頁。用高能離子束轟擊樣品，使其產(chǎn)生正負(fù)二次離子，將這些二次離子引入質(zhì)譜儀進(jìn)行分析，再由檢測(cè)系統(tǒng)收集，據(jù)此識(shí)別樣品的組分。3.二次離子質(zhì)譜(SecondaryIonMassSpectrascopy:SIMS)74第七十四頁，共86頁。75第七十五頁，共86頁?！?.8擴(kuò)散工藝常見的質(zhì)量問題及分析一，硅片表面不良1，表面合金點(diǎn)—主要是表面濃度太高所致（1）預(yù)淀積時(shí)攜帶源的氣體流量過大，或在通氣時(shí)發(fā)生氣體流量過沖；（2）源溫過高，使擴(kuò)散源的蒸汽壓過高；（3）源的純度不高,含有雜質(zhì)或水分；（4）預(yù)淀積時(shí)擴(kuò)散溫度過高，時(shí)間過長(zhǎng)；為改善高濃度擴(kuò)散的表面，常在濃度較高的預(yù)淀積氣氛中加一點(diǎn)氯氣，以防止合金點(diǎn)產(chǎn)生；76第七十六頁，共86頁。2，表面黑點(diǎn)或白霧（1）表面清洗不良，有殘留的酸性水汽；（2）純水或試劑過濾孔徑過大，含有大量的懸浮小顆粒；（3）預(yù)淀積氣體中含有水分(包括擴(kuò)散攜帶氣體N2)；（4）擴(kuò)散前硅片在空氣中時(shí)間過長(zhǎng)，表面吸附酸性氣氛；3，表面凸起物—主要由較大粒徑的顆粒污染物經(jīng)高溫處理后形成的；77第七十七頁，共86頁。4，表面氧化層顏色不一致—通常是用CV