《集成電路工藝原理》實驗四 高溫擴散技術(shù)

1、 PAGE 30實驗四 高溫擴散技術(shù)概述將雜質(zhì)元素加入到半導(dǎo)體中，通常有三種方法：一種是將雜質(zhì)原子摻入到基片，并與之形成共熔體，即合金法；第二種是采用固態(tài)擴散，簡稱擴散法；第三種是對雜質(zhì)進行離化，高能離子打入半導(dǎo)體靶材中，稱為離子注入。三者相比，擴散法有如下突出的優(yōu)點：（1）可以通過對溫度、時間等工藝條件的準確調(diào)節(jié)，來控制pn結(jié)的結(jié)深和晶體管的基區(qū)寬度，并能獲得平坦的結(jié)面。（2）可以通過對擴散工藝條件的調(diào)節(jié)和選擇，來控制擴散層表面的雜質(zhì)濃度及其分布，以滿足不同器件的要求。（3）與氧化、光刻技術(shù)相結(jié)合所形成的硅平面器件制造工藝，可以制作各種復(fù)雜的pn結(jié)結(jié)面，有利于改善晶體管、半導(dǎo)體集成電路等器件

2、的性能。（4）重復(fù)性、均勻性好，適合大量、成批的連續(xù)生產(chǎn)。由于擴散法具有以上優(yōu)點，在半導(dǎo)體器件制造中占主導(dǎo)地位。但是擴散法尚有不足之處，例如，擴散多在高溫進行，高溫過程往往使材料晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生二次缺陷，從而影響器件性能。又如，為了進一步提高晶體管工作頻率和集成電路規(guī)模，需在幾百埃范圍內(nèi)形成平坦、均勻的結(jié)面，這用擴散法是有困難的。離子注入摻雜技術(shù)較好地解決了這個問題。實驗?zāi)康谋緦嶒灥哪康氖窃趯W習和掌握擴散原理的基礎(chǔ)上，對擴散工藝中常用的擴散方法，包括液態(tài)源擴散、箱法擴散、氮化硼擴散、氧化物源擴散和乳膠源擴散有所了解；掌握高溫擴散爐的基本原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)，通過對具有一定代表性的擴散方法進行實

3、際操作，初步掌握擴散爐的操作方法和擴散工藝的操作步驟；對擴散結(jié)果進行測試與檢驗，比如薄層電阻測量、結(jié)深測量、表面雜質(zhì)濃度測量、pn結(jié)的擊穿特性和I-V特性測量、三區(qū)兩結(jié)結(jié)構(gòu)（雙極型晶體管）輸出特性測試等；了解影響擴散工藝質(zhì)量的關(guān)鍵因素和解決方法。實驗要求對于給定的半導(dǎo)體外延Si片材料，確定擴散工藝條件和工藝步驟，結(jié)合光刻和圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)，能夠完成定域擴散并最終形成PN結(jié)結(jié)構(gòu)和PNP（NPN）結(jié)構(gòu)，掌握擴散爐操作與使用，利用四探針法進行擴散薄層電阻測量與修正，熟練使用晶體管圖示儀進行pn結(jié)的I-V特性、擊穿特性測量和三區(qū)兩結(jié)結(jié)構(gòu)（雙極型晶體管）輸出特性曲線測試，對一些反常特性能夠結(jié)合理論知識進行初

4、步的探討，分析其與擴散工藝和質(zhì)量的關(guān)系。實驗內(nèi)容1、對于給定的n型（或p型）半導(dǎo)體外延Si片，結(jié)合實驗室的設(shè)備、材料和化學藥品，確定擴散雜質(zhì)種類和工藝條件；2、樣品的常規(guī)清洗；3、利用圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)制備掩膜圖形，以便實現(xiàn)定域擴散摻雜；4、半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)擴散技術(shù)，包括預(yù)淀積和再分布；5、擴散后樣品的測試與檢測，包括薄層電阻、結(jié)深、電學特性等。實驗原理（一）、擴散原理1、擴散的本質(zhì)擴散在日常生活中是常見的現(xiàn)象，晶體管的形成過程，就是擴散在平面制造工藝中的具體應(yīng)用。其本質(zhì)是一種由熱運動所引起的粒子（包括原子、分子或離子）的輸運過程。它能把一些粒子從一個位置輸運到另一個位置，不斷地把不同狀態(tài)的粒子混合

5、起來。根據(jù)對其規(guī)律性的觀察，當某物體內(nèi)部存在濃度或溫度梯度時，則會在物體中產(chǎn)生使?jié)舛然驕囟融呌诰鶆虻亩ㄏ驍U散運動。這就是所謂的熱擴散。概言之，擴散的較普遍的熱力學條件，是在所研究的系統(tǒng)中，存在化學勢梯度，這時就會產(chǎn)生定向的使之趨于均勻的擴散運動。在固態(tài)物質(zhì)中，若令粒子的濃度梯度為，穩(wěn)定時，由于擴散而產(chǎn)生的擴散流密度為： J= - （4.1）式中，D為擴散系數(shù)，單位是厘米2 秒-1；負號表示粒子是從濃度高處向濃度低處擴散，即逆濃度梯度的方向而擴散。這就是菲克第一定律的數(shù)學表達式。2、擴散系數(shù)從上面的討論知道，擴散的快慢與濃度梯度成正比。除此以外，從實驗得知，還同擴散雜質(zhì)的種類與擴散溫度有關(guān)。例如

6、，在同一溫度下，磷和砷在硅中的擴散快慢不一樣，即使同一種雜質(zhì)在硅中擴散，在不同溫度下快慢也不一樣。式（4.1）中的擴散系數(shù)D就是表征這一特性的重要參數(shù)。它的數(shù)值越大，表示擴散得越快，在相同時間內(nèi)，在晶體中擴散得越深。不同雜質(zhì)的D也是不同的。實驗表明，擴散系數(shù)D隨絕對溫度的倒數(shù)按指數(shù)式變化，其數(shù)學表達式為： （4.2）式中Ea擴散過程的激活能。D0溫度T為無窮大時，擴散系數(shù)D的表觀值。表4.1給出了幾種雜質(zhì)在（111）晶面硅中的D0和Ea的實驗值。圖4.1和圖4.2畫出了擴散系數(shù)對溫度的依賴性?？梢钥闯?，擴散系數(shù)隨溫度變化很迅速。溫度越高，擴散系數(shù)數(shù)值越大，雜質(zhì)在硅中的擴散就進行得越快。一般溫度

7、增加10，擴散系數(shù)將增加一倍左右，所以擴散系數(shù)在擴散工藝中是一個很重要的參數(shù)。圖4.1和圖4.2中，慢擴散元素和快擴散元素是以的標準按小時劃分的。表4.1 幾種雜質(zhì)在硅中的D0和Ea的數(shù)值雜質(zhì)元素D0（cm2/s）Ea（eV）適應(yīng)范圍（）雜質(zhì)元素 D0（cm2/s）Ea(eV)適應(yīng)范圍（）砷(As)68.64.231000-1350銦(In)16.53.91105-1360銻(Sb)12.93.981190-1398碳(C)0.332.921070-1400磷(P)10.53.69900-1300銅(Cu)410-21.0800-1100硼(B)253.511050-1350銀(Ag)210-

8、31.61100-1350鋁(Al)4.83.361050-1380金(Au)1.110-31.12800-1200鋰(Li)2.510-30.65525-1350鐵(Fe)6.210-30.871100-1260擴散系數(shù)除了與溫度有關(guān)外，還與基片材料的晶向、晶格的完整性、基片材料的本體雜質(zhì)濃度及擴散雜質(zhì)的表面濃度有關(guān)。試驗表明，當擴散雜質(zhì)濃度大于在擴散溫度下硅基片的本征載流子濃度（ni）時（如1100時ni約為1019/cm3數(shù)量級），擴散系數(shù)隨硅基片本體雜質(zhì)含量NB，表面雜質(zhì)濃度NS的增加而顯著增加。圖4.1 慢擴散雜質(zhì)在（111）硅中的擴散系數(shù) 圖4.2 快擴散雜質(zhì)在（111）硅中的擴散

9、系數(shù)由于存在多種影響擴散系數(shù)的因素，對圖4.1和圖4.2進行修正，如圖4.3所示。3、擴散機構(gòu)雜質(zhì)原子（或離子）在半導(dǎo)體晶片中的擴散結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但主要可分為以下兩種機構(gòu)：替位式擴散和間隙式擴散。 （1）替位式擴散機構(gòu)硅平面制造工藝中的硼、磷擴散都屬于替位式擴散。為了研究硼、磷雜質(zhì)原子是怎樣擴散進入硅片而形成替位式擴散的，就必須首先對硅片的結(jié)構(gòu)有所了解。硅片是由硅單晶體構(gòu)成，在理想的單晶體中，原子的周期性排列是非常規(guī)整的，在一定的溫度下，位于晶體格點上的硅原子都在圍繞著自己的平衡位置做不間斷的振動。由于原子振動的不均勻性，其中總會有一定數(shù)目的原子振動地比較厲害，以致有足夠的能量來克服周圍原子對

10、它的束縛，而脫離平衡位置運動到新的平衡位置上。這樣，就在原來的位置上留下一個“空位”。當雜質(zhì)原子擴散進入硅晶體時，就首先“占領(lǐng)”這些“空位”。由于“空位”在晶體中也是在不斷運動中，雜質(zhì)原子也同樣可以在晶體中沿“空位”運動的“足跡”，由一處轉(zhuǎn)移到另一處。由于晶體中的“空位”濃度是溫度的函數(shù)，隨溫度升高而增多，而且，溫度越高，擴進晶體的雜質(zhì)原子也越多。所以，進行固態(tài)擴散時，多采用較高的溫度。這種擴散方式的特點，是雜質(zhì)原子占據(jù)晶體內(nèi)晶格格點上的正常位置，而不改變其結(jié)構(gòu)，這就是替位式擴散。如圖4.4中（a）所示。元素周期表中III、族元素在半導(dǎo)體鍺、硅材料中的擴散多屬于替位式擴散。 圖4.3 擴散系數(shù)

11、的修正因子與硅基片濃度的關(guān)系（2）間隙式擴散機構(gòu) 由于晶體中原子間的相互作用，使晶體中原子間存在著間隙空間，有些雜質(zhì)（例如鎳和鎂）原子進入硅晶體后，能從一個原子間隙到另一個原子間隙，逐次跳躍前進，這種擴散機構(gòu)稱之為間隙式擴散。如圖4.4（b）所示。金屬在硅中的擴散多屬于間隙式擴散。金和銅在硅中的擴散機構(gòu)是非常復(fù)雜的，它不但進行間隙式擴散，又部分地進行著替位式擴散。它的“有效”擴散系數(shù)是由這兩個單獨的系數(shù)的權(quán)重結(jié)合而給出的。例如金的擴散機構(gòu)，目前較普遍的認為，金在硅中的擴散，以間隙替位分解擴散的方式進行，而擴散后大部分金原子占據(jù)替位式位置。所謂間隙替位分解擴散，是指當金在硅中擴散時，既有間隙式又

12、有替位式，當間隙式金原子遇到晶體空格時，可以被空位俘虜成為替位式金原子，同樣也存在著相反的過程。這就是間隙替位分解擴散。究竟是間隙式起控制作用還是替位式起控制作用，取決于硅中空位的數(shù)目和產(chǎn)生率，以及金的濃度。 (a)替位式 (b)間隙式 圖4.4 兩種擴散機構(gòu)示意圖對于缺陷密度大的晶體和金的濃度遠低于飽和狀態(tài)的金擴散，在擴散過程中，空位濃度基本不變，這時金的間隙行為起控制作用，其擴散系數(shù)比較靠近間隙式擴散。對于缺陷密度較小的完美晶體，且金的濃度遠低于飽和狀態(tài)的金擴散，間隙式金的濃度基本上保持不變，這時擴散過程的快慢主要由空位的產(chǎn)生和擴散來決定，而空位主要由較遠的硅片表面擴散而來，且空位的擴散遠

13、比金的間隙擴散要慢，這時晶體的替位式行為起著控制作用，其擴散系數(shù)比較靠近替位式擴散。間隙式擴散的擴散速率一般較之替位式要快，正如圖4.1、圖4.2分成了慢擴散元素與快擴散元素所示。其所以有快有慢，可能與他們的運動方式不同，克服周圍原子勢壘所需的能量不同有關(guān)。顯然，替位式擴散雜質(zhì)的原子，要轉(zhuǎn)移到新的平衡位置所需要克服勢壘的能量，比間隙式擴散的要大，所以擴散速率將慢一些。（二）、擴散方程雜質(zhì)在半導(dǎo)體晶體中進行固態(tài)擴散的運動規(guī)律，可由擴散方程來定量描述。下面先介紹菲克定律，從而得到擴散方程。然后根據(jù)常用的兩步擴散，確定兩組不同的邊界條件和初始條件，由擴散方程得到兩組不同的解，并討論其物理意義。擴散方

14、程的建立菲克第一定律的數(shù)學表達式為：J = 一DN其中，N是擴散粒子濃度，即單位體積中擴散粒子的數(shù)目；N是三維空間的擴散粒子濃度梯度。由于在平面工藝中所形成的pn結(jié)都是平行于表面的，故可以把擴散流近似地看作沿垂直于這一方向（X方向）進行。在雜質(zhì)擴散濃度不太深的情況下，這種近似很接近實際情況。式4.1可簡化為 （4.3）式中，J是通過平行于擴散表面的某平面（垂直于擴散流方向X方向）的擴散粒子流密度，單位是粒子數(shù)/厘米2秒。圖4.5定性地描述了硅片經(jīng)過雜質(zhì)擴散后，雜質(zhì)原子分布的情況。在單位面積上，相距dx的平面之間含有的雜質(zhì)原子數(shù)為Ndx,，N是與表面相距為x處的雜質(zhì)原子濃度，它是距離x和時間t的

15、函數(shù)，即N(x, t)。在這個區(qū)域內(nèi)的雜質(zhì)原子，在單位時間內(nèi)增加或減少的數(shù)目為 （4.4）它可用通過這兩個平面的流量差來表示。在單位時間內(nèi)，流進平面1的流量為J，從平面2流出的流量為 （4.5） 圖4.5 雜質(zhì)原子從硅片表面擴散進入內(nèi)部的示意圖(a) 雜質(zhì)原子擴散示意圖 (b) 雜質(zhì)濃度分布示意圖因而單位時間內(nèi)流進該區(qū)域的凈增（或凈減）雜質(zhì)原子數(shù)為，上式根據(jù)菲克第一定律可寫成 （4.6）按照原子數(shù)守恒定律（在相距為dx的兩個平面之間，單位時間內(nèi)，雜質(zhì)原子數(shù)的變化量等于通過這兩個平面的流量差），式4.4和式4.6應(yīng)相等：化簡得 (4.7)這就是菲克第二定律，也就是通常所說的擴散方程。擴散是物質(zhì)運

16、動的一種形式，方程4.7描述了這種運動形式。對于硅平面器件工藝中的雜質(zhì)擴散來說，它描述了在擴散過程中，硅片中各點的雜質(zhì)濃度隨時間變化的規(guī)律。根據(jù)擴散的不同情況，可定出不同的邊界條件和初始條件，代入擴散方程可得到不同的解，從而解出雜質(zhì)濃度N隨距離x和時間t在硅片中的分布。2、擴散方程解的物理意義在晶體管和集成電路的制造過程中，雖然采用的擴散工藝各有不同，但從擴散的結(jié)果來看，大體可歸納為兩種類型的擴散，也就是前面提到的兩步擴散，即預(yù)淀積和再分布。這兩種擴散方式的不同之處在于擴散時表面源不同。前者屬恒定表面源擴散，后者屬有限表面源擴散，由于二者邊界和初始條件不同，擴散方程的解不同，雜質(zhì)在硅片中的分布

17、也不同。恒定表面源擴散恒定表面源擴散，在當前平面晶體管及集成電路工藝中，如隱埋擴散，隔離擴散的硼預(yù)淀積，基區(qū)擴散的硼預(yù)淀積，發(fā)射區(qū)擴散的通磷源擴散階段，都近似于這一類擴散。這類擴散的特點是：在整個擴散過程中，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。在一定的擴散溫度下，雜質(zhì)原子從氣相擴散到固相的硅片里而形成一定的雜質(zhì)分布。這種分布可通過對擴散方程求解來獲得。根據(jù)恒定表面源擴散的特點，可以寫出以下邊界條件和初始條件：邊界條件：由于在整個擴散過程中，硅片的表面濃度Ns保持恒定，即在x=0處，在任何時刻都存在 初始條件：在擴散的開始時刻（t=0），除了硅片表面（x=0）與雜質(zhì)氣體接觸外，硅片

18、內(nèi)部各點都沒有雜質(zhì)擴進去，即當t=0時，在x0處有 N(x,0)=0按上述的邊界條件和初始條件，方程4.7通過一定的數(shù)學求解，可以得到恒定表面源擴散方程解的表達式： （4.8） （4.9） （4.10）式中，NS為硅片的表面濃度，上式中NS為常數(shù)。 為誤差函數(shù)，縮寫符號為erf。 為余誤差函數(shù)，縮寫為erfc。余誤差函數(shù)值由誤差函數(shù)積分上限 決定。 由式4.10分析得知，恒定表面源擴散在硅片內(nèi)部形成的雜質(zhì)分布是余誤差函數(shù)分布。當表面雜質(zhì)濃度NS、雜質(zhì)擴散系數(shù)D以及擴散時間t確定時，雜質(zhì)的擴散分布也就確定了。這種分布如圖4.6所示。 表4.2 余誤差函數(shù)性質(zhì)表 誤差函數(shù)：余誤差函數(shù)： 圖中分布曲

19、線的特點是，硅片表面雜質(zhì)濃度NS始終保持不變，它與時間無關(guān)，只與擴散的雜質(zhì)和擴散的溫度有關(guān)。硅片內(nèi)部的雜質(zhì)濃度則隨時間增加而增加，隨距離增加而減少。當表面雜質(zhì)濃度NS，雜質(zhì)擴散系數(shù)D和擴散時間t這三個量確定后，在硅片中雜質(zhì)的濃度分布也就確定了。下面分別對它們進行討論。圖4.6恒定表面源擴散的雜質(zhì)分布NS、D、t中，前二者是與時間t無關(guān)的量。NS和D主要取決于不同的雜質(zhì)元素和擴散的溫度。關(guān)于D的性質(zhì)前面已有過討論。下面著重介紹NS。表面雜質(zhì)濃度NS，主要與不同雜質(zhì)在硅內(nèi)的固態(tài)溶解度（簡稱固溶度）有關(guān)。固溶度是指雜質(zhì)在一定的溫度下，能溶入固體硅中的最大濃度，因此，雜質(zhì)的最大固溶度給雜質(zhì)擴散的表面雜

20、質(zhì)濃度設(shè)置了上限。如果擴散所要求的表面雜質(zhì)濃度大于某雜質(zhì)元素在硅中的最大固溶度，那么就無法用這種元素來獲得所希望的雜質(zhì)分布。雜質(zhì)在硅中的固溶度是溫度的函數(shù)。圖4.7畫出了幾種雜質(zhì)元素在硅中的固溶度曲線。從圖中可以看出，磷的最大固溶度為1021/cm3，而純硅每立方厘米中有51022個原子，因而磷在硅中的最大濃度約為2%。III、V族元素在硅中的固溶度幅度較寬，從而為兩種擴散分布提供了選擇的余地，是比較理想的雜質(zhì)源。 圖4.7 幾種雜質(zhì)在硅中的固溶度選定雜質(zhì)元素和擴散溫度之后，NS和D就基本上定了下來。若再將擴散時間t定下來，雜質(zhì)分布也就定下來。時間如何定與對分布的要求有關(guān)。從圖4.7看出，不同

21、的擴散時間，分布曲線不同，其擴散的深度不同，即擴散的結(jié)深不同，擴散進入硅片內(nèi)的雜質(zhì)總量也不同。雜質(zhì)總量可以用分布曲線下面的面積來表示，即 由余誤差函數(shù)積分表可以查出： 所以擴散入硅片單位表面的雜質(zhì)總量為： （4.11）由此可見，在固溶度的范圍內(nèi)，隨著預(yù)淀積時間的增長，進入基片的雜質(zhì)也不斷增多。有限表面源擴散在平面晶體管及集成電路工藝中，隔離擴散的再分布，基區(qū)擴散的再分布，發(fā)射區(qū)擴散的再分布（也稱三次氧化），都近似于這類擴散。這類擴散的特點是：在整個擴散過程中，硅片內(nèi)的雜質(zhì)總量保持不變，沒有外來雜質(zhì)補充，只依靠擴散前在硅片表面上已淀積的那一薄層內(nèi)有限數(shù)量的雜質(zhì)原子，向硅片體內(nèi)進行擴散，這時表面雜

22、質(zhì)濃度與擴散雜質(zhì)深度都在發(fā)生變化，由此可以確定：邊界條件：由于擴散過程中，沒有外來雜質(zhì)補充，在硅片表面（x=0處）的雜質(zhì)流密度 ，即初始條件： 根據(jù)以上邊界條件和初始條件，對擴散方程（4.7）求解，可得有限源擴散方程解的表達式為 （4.12）式中：Q擴散前存在于硅片表面有限薄層內(nèi)單位表面積的雜質(zhì)總量，擴散過程中Q為常量；高斯函數(shù)。式（4.12）所描繪的雜質(zhì)分布稱為高斯分布，如圖4.8（a）和（b）所示。從圖4.8（a）可以看出，當擴散溫度T保持恒定時，隨擴散時間t的增加，表面雜質(zhì)濃度不斷下降，但擴散雜質(zhì)總量保持不變（即三條分布曲線下面所包圍的面積相等）。從圖4.8（b）同樣可以得到類似的規(guī)律性

23、。（a）擴散溫度相同擴散時間不同 (b)擴散時間相同擴散溫度不同圖4.8有限源擴散的雜質(zhì)濃度分布硅片通過有限表面源擴散，最終表面雜質(zhì)濃度應(yīng)是多少？可做如下計算：由于再分布時的雜質(zhì)總量，就是預(yù)淀積的雜質(zhì)總量Q，這時的雜質(zhì)總量為 （4.13）再分布后，硅片表面（x=0）雜質(zhì)濃度可從式4.12中得到：（4.14）式中，Ns1、Ns2分別為預(yù)淀積和再分布時的表面雜質(zhì)濃度；D1和t1、D2和t2分別為預(yù)淀積及再分布的擴散系數(shù)和擴散時間。以上二式中的雜質(zhì)總量Q應(yīng)是同一數(shù)值，將式4.13代入4.14得（4.15）Ns2與Ns1成正比，與D2，t2的平方根成反比。D2愈大（擴散溫度愈高），t2愈長，Ns2則愈

24、低。由此，不難得出如下結(jié)論：欲通過有限表面源擴散，獲得一定要求的表面雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)分布，就必須在前一步擴散（預(yù)淀積）時獲得一適量的Q值和控制好再分布擴散的溫度與時間。3、實際分布與理論分布存在差異的討論一般說來，上述兩種理論分布對于實際工藝兩步擴散所形成的雜質(zhì)分布有很好的近似，能夠較好地反映實際分布所遵循的客觀規(guī)律，對實際工作有指導(dǎo)作用。但由于在理論推算中，往往對工藝條件做了某些理想化的假設(shè)，而在實際工作中影響因素往往是多方面的，所以實際分布與理論分布在不同條件下，會出現(xiàn)一定的偏離，主要有以下幾方面的原因。（1）場助效應(yīng)的影響擴散進入硅基片的雜質(zhì)（施主或受主雜質(zhì)）是以離化的施主（或受主）和電子

25、（或空穴）同時存在并進行運動的。無論何時，只要具有不同遷移率的兩種荷電粒子同時進行運動，就會產(chǎn)生一個自建場，這個場可以幫助這兩種粒子中較慢的那種粒子加速前進，這種現(xiàn)象一般稱為場助效應(yīng)。如磷擴散，當雜質(zhì)源進入硅晶體時就被離化，離化后的施主雜質(zhì)離子與電子同時向前擴散，但電子的擴散速度較施主雜質(zhì)離子塊，因而產(chǎn)生了空間電荷層，產(chǎn)生了自建電場，它對施主雜質(zhì)離子起到了加速作用，從而使磷的擴散系數(shù)較正常的數(shù)值為大。其修正值可以同通過對離子流密度的改變來得到，其修正公式可以參照下式進行計算：式中，J為離子流密度；N為離子濃度。上式也可寫成如下形式： 其中Deff是雜質(zhì)有效擴散系數(shù)，自建場影響也包括在內(nèi)。它是雜

26、質(zhì)離子濃度的函數(shù)。從有效擴散系數(shù)的表達式可以看出，當雜質(zhì)離子濃度比較低時，即N ni， 這時自建場使擴散系數(shù)增加了一倍。實驗結(jié)果觀察到，當硼在硅中擴散時，在不同表面雜質(zhì)濃度情況下，得到如圖4.9所示結(jié)果。當表面雜質(zhì)濃度較低時（N1018厘米-3）,分布很接近余誤差函數(shù)分布：當表面雜質(zhì)濃度超過1019厘米-3時，分布開始偏離余誤差函數(shù)的形狀。當擴散溫度為1100C時，硅中ni近似為1019厘米-3，這時實際分布的偏離可用圖4.9 不同表面雜質(zhì)濃度下的實驗測量結(jié)果場助效應(yīng)來解釋。但硼的表面濃度超過1020厘米-3，就不能完 全用場助效應(yīng)來解釋，而要從其他方面尋求原因。磷擴散也有類似情況，圖4.10

27、就是通過實驗，在不同的本體雜質(zhì)源濃度和表面雜質(zhì)濃度的硅片里進行磷擴散所得到的結(jié)果，可以由圖獲取磷擴散系數(shù)的修正值。圖4.10 磷擴散系數(shù)與硅基片NB、NS的關(guān)系(2)發(fā)射區(qū)下陷效應(yīng)的影響這一效應(yīng)也是擴散工藝中由于表面雜質(zhì)濃度超過一定數(shù)量而造成反常現(xiàn)象的重要原因，稱之為晶格應(yīng)變效應(yīng)。它是指在硅基片擴散層中的某些區(qū)域，又摻入第二種高濃度雜質(zhì)時，在這一區(qū)域的原擴散層將會發(fā)生“加強擴散”。這在平面工藝連續(xù)兩次擴散的情況下是經(jīng)常發(fā)生的。因為第二次進行發(fā)射區(qū)磷擴散的表面雜質(zhì)濃度很高，一般將達到1021數(shù)量級。這就使磷表面擴散區(qū)域下面的硼擴散結(jié)面向下推移一段距離，如圖4.11所示。圖4.11 發(fā)射區(qū)下陷效應(yīng)

28、造成這一效應(yīng)的原因有多種，一般認為比較合理的解釋是：由于高濃度雜質(zhì)進入晶體而造成的晶格應(yīng)變。這給制造薄基區(qū)的半導(dǎo)體器件（如高頻晶體管等）帶來了困難。解決的辦法是設(shè)法尋找一種雜質(zhì)的原子半徑與基片物質(zhì)的原子半徑相接近，以減小晶格的應(yīng)變。（3）基片外表面擴散速率的影響 在恒定表面源擴散的討論中，曾確定邊界條件之一為，即假定表面雜質(zhì)濃度NS在整個預(yù)淀積時間內(nèi)是常量。但實際情況是：基片在一開始是沒有雜質(zhì)的，表面雜質(zhì)濃度為零，濃度由零到最后為常量有一個建立的過程，需要一個建立的時間，這一時間的長短將由以下兩個過程的相對速率來決定：（a）雜質(zhì)從氣體內(nèi)部到基片表面的輸運；（b）從表面到基片體內(nèi)的固態(tài)擴散。這樣

29、，雜質(zhì)在基片外表面的輸運速率將直接影響擴散的過程。前面假定的邊界條件也將修正為：該式說明，在基片外表面，由于氣體的質(zhì)量轉(zhuǎn)移而達到表面的粒子流，應(yīng)等于通過向基片內(nèi)部擴散而離開表面的粒子流。h是用固體中濃度來表示的氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。解如下式：這個解是余誤差函數(shù)值減去一個修正值。在修正項中，（）值的大小將起著重要作用，當其數(shù)值很大時，修正項趨于零。計算結(jié)果如圖4.12所示。從圖4.12可以看出，當（）值接近10左右時，這個解就和余誤差函數(shù)趨于一致。這時對建立平衡需要的時間t 可作一簡單的估算。由于，h 值可用氣相轉(zhuǎn)移系數(shù)來表示h=hG/HkT，故hG=5厘米/秒，并按硼的數(shù)據(jù)取亨利定律常數(shù)值H=21

30、025大氣壓厘米-3，可得到h210-6厘米秒-1，或約為70微米小時-1。如果D1微米2小時-1，即可得到t0.02小時，比1分鐘稍長些。由于預(yù)淀積過程一般也不過幾分鐘時間，所以氣相速率限制的影響是不能被忽略的。圖4.12 基片外表面擴散速率對雜質(zhì)預(yù)淀積的影響（4）熱氧化過程中雜質(zhì)再分布的影響在討論有限表面源擴散時，即兩次擴散的再分布階段，往往都與氧化結(jié)合在一起進行，同樣存在著實際條件與原定邊界條件的偏差。因為原定邊界條件是基于二氧化硅膜對大多數(shù)雜質(zhì)存在掩蔽作用，即雜質(zhì)在二氧化硅中的擴散較之在硅中要慢得多。這樣，擴入硅中的雜質(zhì)就被認為是全部存留在二氧化硅膜下面的硅基片內(nèi)，但實際情況并非如此。

31、因為，在二氧化硅和硅界面存在著雜質(zhì)按照分配系數(shù)進行的再分布，如硼的分配系數(shù)小于1，進行再分布和氧化時，將會有硼原子在硅/二氧化硅界面處，從硅一側(cè)遷入二氧化硅一側(cè)，造成硅片中雜質(zhì)總量的減少，使硼在硅片中的雜質(zhì)分布曲線偏離理論的高斯分布。形成這一偏離的因素一般可歸納成以下三點：（a）不同雜質(zhì)在硅/二氧化硅界面處的分配系數(shù)不同；（b）雜質(zhì)在氧化層一側(cè)的擴散系數(shù)D，其值小時影響不大，其值大時將會顯著地影響硅中雜質(zhì)的分布；（c）由于氧化層不斷增厚，硅/二氧化硅界面也一直隨著時間而移動。這種移動速率和擴散速率相比，其相對大小對雜質(zhì)的再分布的程度有重要的影響。 但應(yīng)注意，即使當某些雜質(zhì)的分配系數(shù)為1時，在硅

32、基片中仍會發(fā)生雜質(zhì)的再分布。這是因為熱氧化生長的氧化層占有的空間比在氧化過程用去的硅要大。氧化過程中消耗的硅的厚度與氧化物的厚度之比為0.45。因此，同樣數(shù)量的雜質(zhì)將分布在一個較大的體積內(nèi)，從而引起在硅/二氧化硅界面處，硅一側(cè)表面雜質(zhì)的某種耗盡。下面根據(jù)雜質(zhì)在硅基片中由于熱氧化進行再分布可能出現(xiàn)的四種情況，選擇了一些典型的實例作圖如下，供讀者參考。圖4.13硅中雜質(zhì)由于熱氧化進行再分布的四種情況在生產(chǎn)實踐中，人們往往利用這些規(guī)律來控制雜質(zhì)在硅片中的含量。如硼在熱氧化過程中有向二氧化硅層中遷移的趨勢，通過改變氧化中的干氧、濕氧時間來控制氧化速率，以調(diào)整再分布后硼在硅片中的雜質(zhì)總量和基區(qū)的表面雜質(zhì)

33、濃度，實踐證明這樣做效果比較好。（三）、擴散方法 在擴散工藝中，常用的擴散方法很多，下面對硅平面工藝中使用比較多，并具有一定代表性的擴散方法進行簡要的、原理性的介紹。擴散方法的分類多以雜質(zhì)源來區(qū)分，從雜質(zhì)源的組成來看，有單質(zhì)元素，化合物和混合物多種形式，而從雜質(zhì)在常溫下所處狀態(tài)來看，則有固態(tài)，液態(tài)和氣態(tài)之分（參見表4.3）。所以擴散也分為液態(tài)源擴散，固態(tài)源擴散和氣態(tài)源擴散。下面將著重介紹五種擴散方法，即液態(tài)源擴散，箱法擴散，氮化硼擴散，氧化物源擴散和乳膠源擴散。表4.3 幾種常用的雜質(zhì)源施主受主雜質(zhì)名稱化學式室溫狀態(tài)雜質(zhì)名字化學式室溫狀態(tài)紅磷五氧化二鱗磷鈣玻璃三氯氧磷三氯化磷磷酸三甲酯磷化氫三

34、氧化二銻四氧化二銻五氯化銻銻化氫砷硅化合物P固固固液液液氣固固液氣固三氧化二砷三氯化砷砷化氫硼硅混合物三氧化二硼硼硅玻璃氮化硼硼酸三甲酯硼酸三丙酯三溴化硼三氯化硼乙硼烷BN固夜氣固固固固液液液氣氣液態(tài)源擴散液態(tài)源擴散是硅平面器件生產(chǎn)中應(yīng)用較廣的一種擴散方法。晶體管生產(chǎn)中的基區(qū)硼擴散，發(fā)射區(qū)磷擴散均多用此法。液態(tài)源擴散是利用保護性氣體（如氮氣）通過液態(tài)雜質(zhì)源，攜帶雜質(zhì)蒸氣進入反應(yīng)室，這些雜質(zhì)蒸氣在高溫下分解，并同硅表面發(fā)生反應(yīng)，生成雜質(zhì)的單質(zhì)原子，在硅片四周形成飽和的雜質(zhì)蒸氣壓，經(jīng)過硅片表面向內(nèi)部擴散。這種擴散方法具有操作簡便，重復(fù)性較好等優(yōu)點。下面分別對硼擴散，磷擴散進行介紹。液態(tài)源硼擴散采用

35、的雜質(zhì)源有：硼酸三丙酯（），三溴化硼（）和硼酸三甲酯（）等，其中用的較多的是硼酸三甲酯。圖4.14是液態(tài)源硼預(yù)淀積裝置示意圖。圖4.14 液態(tài)源硼雜質(zhì)預(yù)淀積裝置示意圖硼酸三甲酯是無色透明的液體，在室溫下?lián)]發(fā)性強，具有較高的飽和蒸汽壓，本身易水解，生成硼酸和甲醇，起反應(yīng)如下: (4.16)硼酸三甲酯在高溫（500以上）下，發(fā)生熱分解反應(yīng)：（4.17）分解出的三氧化二硼，在900左右，與硅起化學反應(yīng)，生成硼原子，并淀積在硅片的表面，起反應(yīng)如下： （4.18）此預(yù)淀積反應(yīng)，在硅表面上易形成硼硅玻璃，用還原出來的硼原子向硅片內(nèi)部擴散，液態(tài)源硼擴散，也采取兩步擴散方式。以上敘述的化學反應(yīng)過程屬預(yù)淀積，由

36、于在高溫下三氧化二硼的蒸氣壓很高。只要精確控制擴散溫度，擴散時間，攜帶雜質(zhì)的氣體流量，完全可以達到預(yù)期的表面雜質(zhì)濃度。在平面晶體管生產(chǎn)中，預(yù)淀積一般控制在930-950，足以使硼在硅片中達到該溫度下的最高固溶度，使預(yù)淀積后硅片的表面雜質(zhì)濃度達到51020/厘米2。這對基區(qū)來說，濃度是太高了，不過，經(jīng)過再分布，表面雜質(zhì)濃度會有所降低。如通過1180熱處理（與氧化同時進行）可使表面雜質(zhì)濃度降低到61018/厘米2，從而保證達到一定的結(jié)深并滿足晶體管參數(shù)的要求。為了保證擴散質(zhì)量，下面有三點說明：首先，預(yù)淀積時，欲使系統(tǒng)真正達到硼的飽和蒸氣壓，必須考慮石英管壁的充分吸附，為此在使用新的石英管時或每天擴

37、散前都應(yīng)先通源一段時間。其次，考慮到硼酸三甲酯在熱分解中有碳生成，在高溫下對石英管和二氧化硅層均有腐蝕作用，為此，在滿足要求的情況下，應(yīng)盡量縮短通源時間和減小通源氮氣的流量。最后，鑒于硼酸三甲酯極易水解，必須注意到系統(tǒng)的密閉性和氮氣的含水量。液態(tài)源磷擴散多用于雙極晶體管發(fā)射結(jié)的形成。選用的雜質(zhì)源有：三氯氧磷（POCl3），三氯化磷（PCl3）和三溴化磷（PBr3）。磷擴散雖然也分兩步進行，但與硼擴散不同。后一步擴散溫度較前一步低，所以，磷擴散在前一步經(jīng)過通源和擴散兩個階段后，發(fā)射結(jié)已基本形成；后一步（三次氧化）主要為了生長一定厚度的氧化膜，并調(diào)節(jié)基區(qū)寬度和電流放大系數(shù)，因而磷擴散在晶體管制造中

38、起著關(guān)鍵的作用。目前用得較多的液態(tài)磷雜質(zhì)源是三氯氧磷，室溫下它是無色透明的液體，具有刺激性氣味，有毒，比重為1.67，熔點是1.25，沸點是107，常溫時就有很高的飽和蒸氣壓，對制作高表面濃度的發(fā)射區(qū)很適用。它在600以上發(fā)生熱分解，其反應(yīng)如下： （4.19）生成的五氧化二磷在擴散溫度下繼續(xù)與硅反應(yīng)得到磷原子，起反應(yīng)式如下：（4.20）磷在1100左右，在硅中的固溶度為1.31021/厘米3，由于磷的飽和蒸氣壓很高，淀積在硅片表面的磷原子完全可以在這一固濃度下達到飽和，并不斷擴散進硅本體內(nèi)，形成高濃度的發(fā)射區(qū)。一般在磷擴散通入雜質(zhì)源的同時，都通入少量氧氣，可改善表面并促使源充分分解。否則表面經(jīng)

39、常發(fā)烏，光刻不易腐蝕。原因可能是三氯氧磷分解不充分而淀積在硅片表面，也可能是分解反應(yīng)生成的五氯化磷對硅有一定的腐蝕作用。所以要通入少量氧氣，使五氧化磷氧化成五氧化二磷，繼續(xù)與硅起反應(yīng)生成磷。其反應(yīng)如下： （4.21）液態(tài)源磷預(yù)淀積的裝置如圖4.15所示，三次氧化裝置相同。使用三氯氧磷做擴散源時，應(yīng)注意以下三個問題。首先，由于三氯氧磷有毒，所以要求系統(tǒng)必須有很高的密封性，由系統(tǒng)排出的氣體應(yīng)通進排風管道，不要泄漏在室內(nèi)。其次，由于三氯氧磷在室溫下蒸氣壓很高，為了保持蒸氣壓穩(wěn)定，擴散時須將源瓶放在0oC的冰水混合物中。第三，因為三氯氧磷易吸潮變質(zhì)，其反應(yīng)如下： （4.22）所以系統(tǒng)一定要保持清潔干燥

40、，通入的氣體也必須干燥，不然源的顏色一旦由無色變成淡黃色，即說明已變質(zhì)。圖4.15磷預(yù)淀積裝置示意圖液態(tài)源擴散已普遍用于各種半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)。這種方法有很多優(yōu)點，如設(shè)備簡單，操作簡便，適合大批量生產(chǎn)，擴散質(zhì)量的均勻性和重復(fù)性較好，工藝比較成熟等。但也存在一些缺點：如擴散溫度較高，不利于保持基片晶格的完整性，擴散必須分多步進行，表面濃度不便做大范圍的調(diào)節(jié)等。2、箱法擴散主要是箱法銻擴散。用于雙極型半導(dǎo)體集成電路的埋層擴散工藝。雜質(zhì)源選用固態(tài)粉末狀三氧化二銻和二氧化硅的混合物，二者重量比的范圍較寬，常選用的配比Sb2O3：SiO2=1：4。擴散是在石英箱中進行，如圖4.16所示。雜質(zhì)源可平鋪在箱底

41、，也可放于小石英杯內(nèi)置于箱底，待擴散的大圓硅片則平放在雜質(zhì)源上面。擴散前，先將配比好的雜質(zhì)源攪拌均勻，加溫至1220oC，脫水20分鐘，并通入氮氣（須含有少量氧氣，一般控制在0.150.40%之間）。脫水后方能將硅片放入石英箱，蓋好箱蓋（留一點縫，可減少合金點），加溫（1200oC），通氮（含少量氧），擴散2.5小時左右，擴散反應(yīng)如下： （4.23）反應(yīng)生成的銻原子將擴入硅片體內(nèi)。埋層擴散一般要求表面濃度（多用方塊電阻表示）Rs小于20/。箱法銻擴散時，主要應(yīng)注意對氮氣中氧含量的控制。實驗結(jié)果表明，當氧含量超過0.70%時，硅片表面嚴重氧化，使表面雜質(zhì)濃度過低；若含量少于0.10%時，則表面常

42、常出現(xiàn)合金點。圖4.16 箱法銻擴散石英箱示意圖3、固態(tài)氮化硼擴散的趨勢固態(tài)氮化硼擴散的優(yōu)點是設(shè)備簡單（裝置示意如圖4.17），操作方便，生產(chǎn)效率高，均勻性、重復(fù)性好，有取代液態(tài)源硼擴散的趨勢。圖4.17片狀氮化硼擴散裝置示意圖固態(tài)氮化硼源，有粉末狀和片狀氮化硼兩種。粉末狀氮化硼可以放在石英箱中進行擴散，將源燒結(jié)在箱蓋上；片狀氮化硼則可以與硅片間隔、等距離立放在石英舟內(nèi)，將石英舟放入石英管內(nèi)，通氮氣保護，進行加熱擴散。固態(tài)氮化硼多用于半導(dǎo)體集成電路的基區(qū)擴散和隔離擴散，工藝過程一般如下：源的活化，預(yù)淀積擴散和再分布擴散。 o 固態(tài)氮化硼源的活化，是指擴散前將源在950下通氧三十分鐘，使源表層的

43、氮化硼與氧反應(yīng)形成三氧化二硼，其反應(yīng)如下： （4.24）活化的目的就是使源的表面有足夠的二氧化二硼，供下一步擴散用。為此，除了定期進行高溫且較長時間的活化外，每天擴散前也須活化一次（30分鐘）?；罨笃瑺罟虘B(tài)源，與硅片間隔等距離安放在反應(yīng)室內(nèi)，加熱（960）擴散，其反應(yīng)為 （4.25）反應(yīng)生成的硼原子在氮氣保護下淀積在硅片表面，這就是預(yù)淀積的過程。將預(yù)淀積后的硅片在稀氫氟酸中漂去硼硅玻璃層，即可繼續(xù)進行再分布擴散。其條件與一般氧化類同。4、氧化物源擴散在硅片表面淀積一層摻雜的氧化物（濃度可以人為地進行調(diào)節(jié)）做雜質(zhì)源，通過加熱處理，向硅片體內(nèi)進行雜質(zhì)擴散，這種方法稱為氧化物源擴散。由于這種擴散過

44、程是使雜質(zhì)從一個固體（二氧化硅層）擴散到另一個固體（硅片）內(nèi)部，所以也稱為固固擴散法。氧化物源擴散一般分為兩步進行：第一步是在硅片表面淀積一層具有一定雜質(zhì)含量的二氧化硅薄層，這一薄層就成為第二步擴散時的雜質(zhì)源。淀積薄層的方法是將雜質(zhì)源（常用的有硼酸三丙酯或硼酸三甲酯）與有機硅烷（正硅酸乙酯）按一定比例組成混合物，使之進入真空反應(yīng)室進行熱分解反應(yīng)。反應(yīng)室溫度控制在700800，真空度控制在2510-2托。熱分解反應(yīng)的結(jié)果，在硅片表面淀積了一層含有一定雜質(zhì)量的氧化膜。雜質(zhì)含量的多寡由雜質(zhì)源與有機硅烷的比例來決定。如欲獲得51020/厘米-3含硼的表面雜質(zhì)濃度，硼酸三丙酯與正硅酸乙酯的體積比必須大于

45、20%，硼的氧化物源擴散淀積裝置如圖4.18所示。第二步是將已淀積摻雜氧化層的硅片，放入11001200的高溫爐中，在氮氣保護下進行開管擴散。擴散裝置與氧化裝置相同，只是不用氧氣，而用干氮。淀積的典型條件為：硅片溫度為780，開源時間5分鐘，可獲得3000埃的摻雜氧化層。擴散的典型條件為：在1150下擴散30分鐘，結(jié)果擴散層方塊電阻為150/，結(jié)深為1.2微米，表面濃度達31019/厘米-3。圖4.18 硼固固擴散淀積裝置示意圖圖4.19為氧化物源擴散與液態(tài)源擴散之比較。氧化物源擴散過程中，氧化層與硅片體內(nèi)雜質(zhì)分布變化見圖4.20（m為分配系數(shù)）。當t=0,即擴散前硅中無雜質(zhì)，氧化層中雜質(zhì)濃度

46、為。由于t1到t2這段時間里，雜質(zhì)不斷的向硅內(nèi)擴散，由于中的雜質(zhì)濃度基本不便，所以這段時間內(nèi)，NSS（界面處一側(cè)的濃度）和NS也基本不變。在t2以后，由于中的雜質(zhì)濃度開始顯著減少，NSS開始下降，所以硅表面NS濃度也下降。t=t3時，NS已經(jīng)明顯降低。圖4.19 液態(tài)源擴散與固-固擴散過程的比較 當表面雜貨濃度維持不變時，NS的數(shù)值可由下式計算： （4.26）式中，是氧化層中的雜質(zhì)濃度；D1、D2分別為雜質(zhì)在氧化層和硅中的擴散系數(shù)；m是雜質(zhì)在氧化層和硅之間的分配系數(shù)，既圖4.20中的NS/NSS。一般淀積的摻雜氧化層總是足夠厚，在擴散時間內(nèi)，可以維持NS不便。根據(jù)式4.22，只要控制淀積氧化層

47、中的摻雜濃度，就可控制硅片擴散層的表面雜質(zhì)濃度NS。氧化物源擴散法具有晶格缺陷少，表面狀態(tài)較好，均勻性、重復(fù)性好及表面雜質(zhì)濃度可調(diào)范圍寬等優(yōu)點。圖4.20 硼、磷固-固擴散過程中雜質(zhì)分布變化示意圖5、二氧化硅乳膠源涂層擴散二氧化硅乳膠源涂層擴散，是從氧化物源擴散演變發(fā)展起來的一種擴散工藝。（1）由于與氧化物源擴散的機理相同，所以具有與氧化物源擴散的相同優(yōu)點。（2）由于僅需要高溫擴散一次，所以與液態(tài)源的“兩步擴散”相比，工藝簡單。（3）適用于在非硅襯底的器件表面進行各種雜質(zhì)的擴散。（4）由于在高溫擴散時雜質(zhì)很少逸出表面，所以在進行有毒雜質(zhì)（如砷）的擴散時，更顯其優(yōu)越性。二氧化硅乳膠源的擴散工藝，

48、分涂膠，預(yù)烘和擴散三個過程。涂膠：在硅片表面涂一層摻有雜質(zhì)的二氧化硅乳膠源。預(yù)烘：涂膠后，需進行預(yù)烘處理，使膠膜中的有機溶劑揮發(fā)掉，形成與硅片附著牢固的疏松的二氧化硅層。預(yù)烘溫度可在100800，并通入適量的氧氣或氮氣，時間約為30分鐘。擴散：涂膠硅片在高溫（1200左右）下擴散，擴散后的表面濃度和擴散結(jié)深，可以通過改變二氧化硅乳膠源中的雜質(zhì)含量，涂敷膠膜的厚度，擴散溫度，擴散時間及氣氛的比例等條件進行調(diào)節(jié)。二氧化硅乳膠是烷氧基硅烷的水解聚合物，能溶于乙醇，乙酯及醋酸等有機溶劑，其溶液具有一定粘度。若在其中摻有硼、磷、砷等雜質(zhì)，便成為摻雜乳膠源。它在人工條件下會發(fā)生聚合，在靜止條件下也會自然聚

49、合，所以乳膠源不宜存放時間過久，否則會析出固態(tài)二氧化硅顆粒，使用時必須濾除之。（四）、擴散層的質(zhì)量分析與檢驗在晶體管和半導(dǎo)體集成電路的制作過程中，擴散層質(zhì)量是個關(guān)鍵問題。質(zhì)量的要求主要體現(xiàn)在擴散層的深度（結(jié)深），擴散層的表面雜質(zhì)濃度，單結(jié)和雙結(jié)特性等方面。此處著重討論這些參數(shù)的定義、計算和測量方法。結(jié)深Xj結(jié)深是指在硅片中摻入不同導(dǎo)電類型的雜質(zhì)時，在距離硅片表面Xj的地方，摻入的雜質(zhì)濃度與硅片的本體雜質(zhì)濃度相等，即在這一位置形成了pn結(jié)。Xj稱為結(jié)深。（1）結(jié)深的表達式根據(jù)余誤差分布和高斯分布兩種分布形式，可分別計算出兩種不同結(jié)深的定量表達式。 這就是余誤差分布的結(jié)深表達式。同樣可以求得高斯分

50、布的結(jié)深表達式如下：（2）結(jié)深的測量擴散法形成的結(jié)深，多在微米數(shù)量級。由于在硅片側(cè)面直接測量讀數(shù)是有困難的，因此常用以下三種方法：磨角法、滾槽法和陽極氧化法。磨角法它和滾槽法都是利用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，測量其結(jié)深。當在結(jié)面上滴染色液時，由于結(jié)兩側(cè)的硅與染色液形成微電池，兩個極區(qū)反應(yīng)不同，染色也有差異，于是結(jié)面被顯示出來。為了使結(jié)深測量比較準確，應(yīng)把硅片固定在特制的磨角器上，使硅片磨出一個具有特定角度（1-5度）的斜截面，如圖4.21所示。其中是已知的小角度。由圖知： （4.27）用精確的測距顯微鏡讀出，即可得出Xj。圖4.21 磨角法顯示PN結(jié)滾槽法用磨角法測淺結(jié)

51、時，為了準確，必須磨出一個盡量小的角度。但角度太小難以磨準，于是出現(xiàn)了滾槽法，即在硅片表面磨出一道柱槽，其剖面如圖4.22所示。圖4.22 滾槽法測結(jié)深示意圖用染色液顯示出pn結(jié)后，就能在顯微鏡下比較清晰地辨出弧AB、弧BC和弧CD各弧。以M為原點，測得x1、x2、x3、x4四點，分別求x、y的平均值：由幾何關(guān)系可得結(jié)深的表達式為： （4.28）所以 （4.29）陽極氧化剝層法 上述兩種方法，往往測量誤差較大（一般在10001500埃）。隨著晶體管向超高頻方向發(fā)展，淺結(jié)的測量日益重要。因而出現(xiàn)了陽極氧化剝層法，它能較好地滿足這些要求。其原理和方法參考本書實驗一中的附錄一。2、薄層電阻（1）方塊

52、電阻擴散層的薄層電阻也叫方塊電阻，它是標志擴散層質(zhì)量的一個重要參數(shù)，一般為Rs或R表示，單位是歐/方（/）。詳情請見本書實驗一中的相關(guān)內(nèi)容。（2）方塊電阻的測量用四探針法來測量方塊電阻，裝置見本書實驗一。四探針是指四根彼此等距為S的鎢絲探針，其針尖保持在一條直線上，且以等量壓力壓在硅片的表面。（3）方塊電阻計算公式的推導(dǎo) 見本書實驗一中的實驗原理部分。3、表面雜質(zhì)濃度擴散雜質(zhì)在半導(dǎo)體基片中的表面濃度，是半導(dǎo)體器件設(shè)計、制造中的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，用Ns表示。目前直接測定表面雜質(zhì)濃度的方法，有放射性示蹤技術(shù)等，但比較繁雜。因此，在生產(chǎn)中，多采用間接的查圖求解法。擴散進入硅基片的雜質(zhì)總量與方塊電阻成

53、反比關(guān)系，同時也與表面雜質(zhì)濃度和結(jié)深有關(guān)。如只測出方塊電阻，它并不能全面反映表面雜質(zhì)濃度的大小。圖4.23畫出了兩種情況，第一種情況（圖4.23（a）是結(jié)深相同，而表面雜質(zhì)濃度不同；第二種情況（圖4.23（b）是參雜總量Q相同（方塊電阻值相同），而表面雜質(zhì)濃度與結(jié)深不同。由圖可知，對于一定的結(jié)深，雜質(zhì)總量越大，則Rs越小，Ns越大。對于固定的參雜總量，Rs相同，擴散層越深，Ns越??；（a）Xj相同； （b）Q相同4.23 Ns與Xj、Q的關(guān)系 反之亦然。因此，只有在結(jié)深相同的情況下，Rs才能反映出表面雜質(zhì)濃度的大小。為了求知Ns,往往先求出表面平均電導(dǎo)率，然后通過查表得到。表面平均電導(dǎo)率（）可

54、用Rs于Xj乘積的倒數(shù)來表示： （4.30）表面雜質(zhì)濃度與表面平均電導(dǎo)率具有正比關(guān)系，其具體數(shù)值可以查圖求解。在實際應(yīng)用中，硅片都已摻雜，擴散層的表面雜質(zhì)濃度與硅片的本體雜質(zhì)濃度Ns有關(guān)。因此，Ns與 都有關(guān)。若已知 ,就可以從Ns、的關(guān)系曲線中求出Ns。4、擊穿電壓pn結(jié)的擊穿電壓和反向漏電流，既是晶體管的重要直流參數(shù)，也是評價擴散層質(zhì)量的重要標志。這里僅就與工藝有關(guān)的一些現(xiàn)象進行介紹。（1）軟擊穿當pn結(jié)加反向偏壓時，在伏安特性曲線上，沒有明顯的轉(zhuǎn)折點，如圖4.24所示。這時，一般規(guī)定取反向電流達到某一數(shù)值（如100微安）時的電壓為擊穿電壓。產(chǎn)生的原因往往與圖4.24 軟擊穿特性曲線pn結(jié)

55、附近的表面狀態(tài)、晶格缺陷以及結(jié)附近的雜質(zhì)濃度等有關(guān)。當pn結(jié)的表面被水汽和雜質(zhì)沾污時，就引進了復(fù)合中心。硅/二氧化硅界面處的界面態(tài)，也起著復(fù)合中心的作用。由于表面復(fù)合中心的存在，必然會引起表面復(fù)合電流，特別當表面離子沾污嚴重時，會直接增加半導(dǎo)體表面的導(dǎo)電能力，這相當于在結(jié)上并聯(lián)了一個電阻，在外加電壓下，電流不再流經(jīng)體內(nèi)具有高阻值的反向pn結(jié)，而直接從表面流走，形成了表面漏電流。也有可能是由于擴散雜質(zhì)濃度過低，尚未形成良好的pn結(jié)。若用外延片做基片，當外延層的雜質(zhì)補償嚴重時，也會出現(xiàn)軟擊穿。避免的辦法主要是加強工藝衛(wèi)生和減少表面態(tài)密度。（2）表面溝道效應(yīng)圖4.25所示的擊穿特性曲線，形狀象個靠背

56、椅子，俗稱“靠背擊穿”。在很小的反向偏壓下，反向電流就上升到一個飽和值（約為幾百微安到幾毫安），隨著反向偏壓繼續(xù)增加，最后出現(xiàn)擊穿。這種擊穿主要是由于表面溝道效應(yīng)所引起的。消除的途徑有二：一是改進工藝衛(wèi)生，防止二氧化硅膜沾污；二是對沾污的雜質(zhì)離子，特別是鈉離子等，進行有效的消除或固定。如在反應(yīng)室內(nèi)通入氯化氫氣體，或通磷蒸汽，在表面生成一層磷硅玻璃等，都會取得一定效果。（3）分段擊穿分段擊穿也稱管道型擊穿，是生產(chǎn)中較為常見的一種pn結(jié)異常擊穿現(xiàn)象。在圖示儀上可以看到如圖4.26所示的擊穿特性曲線，這種擊穿是局部作用引起的擊穿。產(chǎn)生的原因，多是由于在基片內(nèi)存在局部薄弱點，如外延層材料中的層錯、位錯密度過高；光刻圖形邊緣圖4.25 表面溝道效應(yīng)的擊穿特性曲線 圖4.26 分段擊穿不整齊；表面存