第三章擴(kuò)散工藝6

第三章擴(kuò)散工藝擴(kuò)散是微觀粒子（原子、分子等）的一種極為普遍的熱運(yùn)動形式，運(yùn)動結(jié)果使?jié)舛确植稼呌诰鶆颉?/p>

條件：濃度差熱運(yùn)動存在集成電路制造中的固態(tài)擴(kuò)散工藝簡稱擴(kuò)散，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足要求。擴(kuò)散是摻雜的一種方法。3.1雜質(zhì)的擴(kuò)散機(jī)構(gòu)主要可分為以下兩種機(jī)構(gòu)，替位式式擴(kuò)散和間隙式擴(kuò)散。存在于晶格間隙的雜質(zhì)稱為間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)從一個間隙位置到另一個間隙位置上的運(yùn)動稱為間隙式擴(kuò)散

間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)主要是半徑小、且不容易和硅原子鍵合的原子，它們以間隙方式在晶體中作擴(kuò)散運(yùn)動。占據(jù)晶體內(nèi)晶格格點(diǎn)上的正常位置的雜質(zhì)原子，稱替位雜質(zhì)替位雜質(zhì)從一個晶格位置運(yùn)動到另一個晶格位置上稱為替位式擴(kuò)散替位雜質(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)動到近鄰空位上。當(dāng)近鄰沒有空位時，通過換位才能實(shí)現(xiàn)替位雜質(zhì)從一個晶格位置運(yùn)動到另一個晶格位置上，這種換位會引起周圍晶格發(fā)生很大的畸變，需要相當(dāng)大的能量，這個過程是難以實(shí)現(xiàn)的。替位雜質(zhì)的運(yùn)動同間隙雜質(zhì)相比一般來說更困難3.2擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程擴(kuò)散是隨機(jī)跳動產(chǎn)生的原子運(yùn)動，如果存在雜質(zhì)濃度梯度則將產(chǎn)生雜質(zhì)的凈擴(kuò)散流。決定擴(kuò)散運(yùn)動重要因素：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)動方式擴(kuò)散的結(jié)果：粒子濃度趨于平衡3.2.1菲克第一定律1855年，菲克（Fick）提出描述物質(zhì)擴(kuò)散的第一定律,他認(rèn)為,如果在一個有限的基體中存在雜質(zhì)濃度梯度，則雜質(zhì)將會產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動，而且擴(kuò)散方向是指向濃度低的方向。

菲克第一定律：雜質(zhì)的擴(kuò)散流密度正比于雜質(zhì)濃度梯度擴(kuò)散粒子密度J：單位時間通過單位面積的雜質(zhì)數(shù)

D為擴(kuò)散系數(shù)，單位是cm2/sC(x,t)雜質(zhì)濃度負(fù)號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而擴(kuò)散3.2.2擴(kuò)散系數(shù)D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，在相同時間內(nèi)，在晶體中擴(kuò)散得越深其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：D=D0exp（-△E/kT）式中：△E擴(kuò)散過程中的激活能，實(shí)際上就是雜質(zhì)原子擴(kuò)散時所必須克服的某種勢壘。D0：溫度T為無窮大時，擴(kuò)散系數(shù)D的表觀值。k：玻耳茲曼常數(shù)，其值為：8.6210-5ev/0kT：絕對溫度（k）。

幾種雜質(zhì)在硅中的D0和E的數(shù)值

雜質(zhì)元素D0（cm2/s）E（ev）適用的溫度范圍（C）砷（As）68．64．231000～1350銻（Sb）12．93．981190～1398磷（P）10．53．96900～1300硼（B）253．511050～1350鋁（Al）4．83．361050～1380鎵（Ga）4．121130～1358銦（In）16．53．901105～1360碳（C）0．332．921070～1400銅（Cu）410-21．0800～1100銀（Ag）2．010-31．601100～1350金（Au）1．110-31．12800～1200鐵（Fe）6．210-30．871100～1260鋰（Li）2．510-30．65525～1350D=D0exp（-△E/kT）溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)D越大，雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散就進(jìn)入得越快。

溫度一定，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D不同的。同時，D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)的表面濃度有關(guān)3.2.3擴(kuò)散方程（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x到x+△x,面積為△S的一個小體積元內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量隨時間的變化情況。

在t時刻，設(shè)體積元內(nèi)的雜質(zhì)濃度為C(x,t)在t+△t時刻，設(shè)體積元內(nèi)的雜質(zhì)濃度為C(x,t+△t)經(jīng)過△t，該體積元內(nèi)雜質(zhì)變化量為：C(x,t)·△S·△x-C(x,t+△t)·△S·△x=-[C(x,t+△t)-C(x,t)]·△S·△x（3-10）經(jīng)過△t，該體積元內(nèi)雜質(zhì)變化量是由通過x處和x+△x處兩界面的流量差造成的,有J(x+△x,t)△S·△t-J(x,t)△S·△t=[J(x+△x,t)-J(x,t)]·△S·△t（3-11）J2Δxx+ΔxxΔssJ1如果體積元內(nèi)的雜質(zhì)不產(chǎn)生也不消失，則（3-10）=（3-11）有第二菲克定律：描述了雜質(zhì)濃度隨時間變化的規(guī)律擴(kuò)散方程：(3-12)(3-13)(3-14)3.3擴(kuò)散雜質(zhì)的分布由擴(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)在硅中的分布也不同。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3.3.1恒定表面源擴(kuò)散

在整個擴(kuò)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。即表面的雜質(zhì)濃度Ns始終不變。邊界條件:C（0，t）=Csx=0初始條件：在擴(kuò)散的開始時間(t=0）,除了Si表面（x=0）與雜質(zhì)氣體接觸外，Si片內(nèi)部各點(diǎn)都沒有雜質(zhì)擴(kuò)進(jìn)去，即

C（x，0）=0t=0得到方程組：

C（0，t）=Csx=0

C（x，0）=0t=0解得：式中Cs為Si表面濃度，為常數(shù)恒定表面源擴(kuò)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(dāng)表面雜質(zhì)濃度Cs，雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)D，以及擴(kuò)散時間T確定時，雜質(zhì)的擴(kuò)散分布也就確定了.恒定表面源擴(kuò)散的特點(diǎn)1.雜質(zhì)分布形式：

Cs一定的情況下，擴(kuò)散的時間越長，雜質(zhì)擴(kuò)散就越深，擴(kuò)到硅片內(nèi)部的雜質(zhì)也越多。圖中各曲線下面所圍的面積，可直接反映硅片內(nèi)的雜質(zhì)總量。3.19恒定表面源擴(kuò)散其表面雜質(zhì)濃度Cs,基本上由該雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度900-1200℃下的固溶度所決定。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。在固溶度范圍內(nèi),隨著時間的增長,進(jìn)入基片的雜質(zhì)也不斷增多雜質(zhì)的最大固溶度給雜質(zhì)擴(kuò)散的表面雜質(zhì)濃度Cs設(shè)置了上限900-1200℃固溶度隨溫度變化不大,很難通過溫度控制表面雜質(zhì)濃度Cs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Si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。幾種在硅中的固容度

2.結(jié)深：

如果擴(kuò)散雜質(zhì)與襯底原有的導(dǎo)電類型不同，則在兩種雜質(zhì)濃度相等處形成pn結(jié)，其結(jié)的位置Xj即結(jié)深。結(jié)深是工藝的一個重要參數(shù)，由上式可以看到Xj與擴(kuò)散系數(shù)D和擴(kuò)散時間t的平方根成正比A是僅與CB/Cs有關(guān)的常數(shù)3.20

3.雜質(zhì)濃度梯度3.21梯度受Cs,t和D的影響，改變其中某個量，使?jié)舛忍荻葷M足要求p-n結(jié)處梯度為：3.22在Cs和CB一定的情況下,p-n結(jié)越深,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

如果擴(kuò)散之前在硅片表面淀積一層雜質(zhì)，在整個擴(kuò)散過程中這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散的雜質(zhì)源,不再有新源補(bǔ)充，這種擴(kuò)散方式稱有限源擴(kuò)散。擴(kuò)散方程的解和分布曲線

邊界條件：由于擴(kuò)散過程中，沒有外來雜質(zhì)補(bǔ)充，在Si片表面（X=0處）的雜質(zhì)濃度初始條件：Si片內(nèi)的雜質(zhì)總量保持不變CCCCC求解可以得有限源擴(kuò)散方程的解的表達(dá)式為：

式中Q：擴(kuò)散前存在于Si片表面無限薄層內(nèi)，單位表面積的雜質(zhì)總量，擴(kuò)散過程中Q為常數(shù)。高斯函數(shù)，上式所描繪的雜質(zhì)分布稱為高斯分布。

有限源擴(kuò)散的特點(diǎn)1.雜質(zhì)分布形式：在整個擴(kuò)散過程中,Si片內(nèi)的雜質(zhì)總量保持不變，沒有外來雜質(zhì)補(bǔ)充，只依靠擴(kuò)散前在Si片表面上已淀積了那一薄層內(nèi)有限數(shù)量的雜質(zhì)原子,向硅片體內(nèi)擴(kuò)散。隨著擴(kuò)散時間的增長,表面雜質(zhì)濃度不斷下降,并不斷地向內(nèi)部推進(jìn)擴(kuò)散,這時表面雜質(zhì)濃度與擴(kuò)散雜質(zhì)深度都在發(fā)生變化,由此可確定。有限表面源擴(kuò)散表面濃度計(jì)算Si表面（X=0處）雜質(zhì)濃度可見C與Cs成正比，與D，t的平方根成反比。有限表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布形式CCCCD愈大（擴(kuò)散溫度越高）t愈長，Cs則愈低。2.結(jié)深CS（x,t）=CB

x=xj3.30A與Cs/CB有關(guān)，如圖3.7在雜質(zhì)分布形式相同的情況下CB越大，結(jié)深越淺p-n結(jié)處梯度為：3.雜質(zhì)濃度梯度3.32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

為什么一般都采用“兩步擴(kuò)散工藝”

對于限定源擴(kuò)散來說，其特點(diǎn)是在整個擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)總量保持不變，而隨擴(kuò)散時間的增長，表面濃度不斷下降，擴(kuò)散深度不斷加深，因此，采用有限表面源擴(kuò)散時，既能控制表面濃度又能控制擴(kuò)散深度。但采用有限源擴(kuò)散時，擴(kuò)散前必須在Si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，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，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，又能獲得高的表面濃度并且操作方便。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。兩步擴(kuò)散的意義預(yù)淀積（恒定表面擴(kuò)散）的主要目的是為了控制擴(kuò)散入Si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。再分布（有限表面源擴(kuò)散）的目的，是控制整個擴(kuò)散的表面濃度和結(jié)深，使它符合器件設(shè)計(jì)要求。3.5擴(kuò)散工藝按原始雜質(zhì)源在室溫下的相狀態(tài)加以分類：

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：開管擴(kuò)散、箱法擴(kuò)散、涂源法擴(kuò)散——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)散液態(tài)源擴(kuò)散——攜帶氣體通過源瓶，把雜質(zhì)源蒸氣帶入擴(kuò)散爐管內(nèi)，與與硅反應(yīng)，生成單質(zhì)的雜質(zhì)原子向硅內(nèi)擴(kuò)散氣態(tài)源擴(kuò)散——?dú)鈶B(tài)雜質(zhì)一般先在硅表面進(jìn)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)散液態(tài)源擴(kuò)散裝置

1—N22—純化系統(tǒng)3—濾球4—流量5—節(jié)流器6—三通7—源瓶8—熱電偶9—擴(kuò)散爐液態(tài)源擴(kuò)散

硼擴(kuò)散工藝原理液態(tài)源硼擴(kuò)散采用的雜質(zhì)源有：硼酸三甲酯[B（CH3O)3]，硼酸三丙酯[B（CH3CH2CH2O)3]和三溴化硼[BBr3]等，其中用得較多的是硼酸三甲酯。硼酸三甲酯是無色透明的液體，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：

B（CH3O）3+3H2OH3BO3+3（H3OH）硼酸三甲酯在高溫（500℃以上）下，發(fā)生熱分解

B（CH3O）3B2O3+CO2+C+H2O分解出的三氧化二硼，在900℃左右與硅起化學(xué)反應(yīng)，生成硼原子，并淀積在Si片的表面，其反應(yīng)為：

2B2O3+Si3SiO2+4B

此預(yù)淀積反應(yīng)，在Si表面上易形成硼硅玻璃，用還原出來的B原子向硅片內(nèi)部擴(kuò)散。

B擴(kuò)預(yù)沉積工藝條件步驟預(yù)沉積條件：爐溫為930℃，源溫為室溫（25℃左右）,予沉積前先在930℃下通源15-20min，使石英管含硼量達(dá)到飽和狀態(tài)（新處理石英管40-60min）B再分布工藝條件步驟當(dāng)爐溫升高至預(yù)定溫度（1180℃）后通干氧20min，以排除管道內(nèi)的空氣，同時加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石英舟再推入爐子恒溫壓，先通5min干氧，30min濕氧，最后通5min干氧。時間到后即可把硅片拉出石英管道。3.6擴(kuò)散層的質(zhì)量分析與檢驗(yàn)

1.結(jié)深的討論與測試

余誤差函數(shù)分布高斯函數(shù)分布

在工藝生產(chǎn)中，控制擴(kuò)散工藝條件的主要目的在于控制擴(kuò)散的雜質(zhì)分布。具體的說就是控制各次擴(kuò)散的結(jié)深、表面濃度，結(jié)深可以直接測量，而表面濃度則是通過對擴(kuò)散層的薄層電阻和結(jié)深推算出來的，因此結(jié)深、薄層電阻、表面濃度是評價擴(kuò)散層質(zhì)量的三個重要的工藝指標(biāo)。一、結(jié)深的測量:磨角法:1）原理：它是利用P區(qū)和N區(qū)在染色上的差異，使P-N結(jié)的界面顯現(xiàn)出來，測量其結(jié)深。當(dāng)在結(jié)面上滴染色液時，由于結(jié)兩側(cè)的Si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。CuSO4+Si→CuN→紅色P→無色2）方法：先將陪片固定在特別的磨角器上，使Si片磨出一個具有一定角度(1°～5°)的斜截面，如圖所示：

（1）測擴(kuò)散結(jié)較深結(jié)的方法Xj=l·sinθCuSO4+Si→CuN→紅色P→無色推導(dǎo)：

避免θ變化引起誤差（2）測量較淺結(jié)方法

采用雙光干涉法，只要在硅片表面加一塊平板玻璃（與Si片表面要貼緊）干涉條紋是平板玻璃的下面反射的光線和Si片表面反射光線相干涉所產(chǎn)生的。m:條紋數(shù)目

λ:光波長二、薄層（方塊）電阻的測量

在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中擴(kuò)散層薄層電阻是反映擴(kuò)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。對應(yīng)于一對確定數(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，把薄層電阻的測量同結(jié)深的測量結(jié)合起來，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。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)行薄層電阻的測試。所以深入地了解薄層電阻的定義，物理意義和測試方法，對我們控制擴(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。二、薄層(方塊)電阻的測量1）薄層電阻定義薄層電阻：表面為正方形的半導(dǎo)體薄層，在電流方向[電流方向平行正方形的邊]所呈現(xiàn)的電阻。擴(kuò)散層的薄層電阻也稱方塊電阻，常分別用Rs或R□表示。由上式可見，薄層電阻的大小與薄層的平均電阻率成正比，與薄層的厚度成反比，而與正方形的邊長無關(guān)。其單位為歐姆。為了表示薄層電阻不同于一般電阻，其單位常用[歐姆/方塊]或/□表示。薄層(方塊)電阻的物理意義

對于擴(kuò)散薄層來說，在擴(kuò)散方向上各處的雜質(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：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：為電子電荷量：為載流子遷移率C：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)總量薄層電阻Rs與單位表面積薄層內(nèi)的凈雜質(zhì)總量成反比。因此，薄層(方塊)電阻的大小直接反映了擴(kuò)入Si片內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量的多少。薄層電阻越小，表示擴(kuò)入Si片的凈雜質(zhì)總量越多。反之，擴(kuò)入Si片的凈雜質(zhì)總量越少。計(jì)算擴(kuò)散電阻計(jì)算擴(kuò)散電阻當(dāng)計(jì)算一條狀擴(kuò)散層一端到另一端的電阻值時，只要將串聯(lián)的方塊數(shù)乘上Rs,或用并聯(lián)方塊數(shù)去除Rs，就可以得到條狀擴(kuò)散電阻值。LaIR=Rs·L/aR=Rs·a/L3）方塊電阻的測量目前在生產(chǎn)中測量擴(kuò)散層薄層電阻Rs，廣泛使用四探針法。測量裝置圖如圖所示：四探針采用排成直線彼此相距為S的四根鎢絲構(gòu)成。測量時將針尖壓在Si片的表面上外面兩根針通電流I，測量中間兩根探針的電壓，如果被測Si片很大，（即它的長度L和寬度a比探針間距S大很多時，則薄層電阻采用下面公式進(jìn)行計(jì)算

1—電位差計(jì)2—檢流計(jì)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。因此薄層電阻的普遍公式的表達(dá)式為：式中C稱為修正因子，其數(shù)值的大小除與被測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)散等因素有關(guān)。為使用方便，我們把各種情況下修正因子C的數(shù)值列表中以便查閱。三、表面雜質(zhì)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)濃度的方法比較復(fù)雜，常采用間接的方法獲得1.表面濃度的控制CCs1Cs2Cs3CBCCs1Cs2Cs3CBt1<t2<t3