擴散工藝知識

1、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，如做在基極電極引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

2、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。二. 擴散機構(gòu)雜質(zhì)向半導(dǎo)體擴散主要以兩種形式進行：1 .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）、砷（As）等屬此種擴散。2. 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。

3、金、銅、銀等屬 此種擴散。三. 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：(3-1 )D 2N在一維情況下，即為:N2ND 2(3-2)tx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。四.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，引入擴散系數(shù)D這個物理量，D越大擴散越快。其表達式為:D°eKT(3-3)這里：D0 當溫度為無窮大時，D的表現(xiàn)值，通常為常數(shù);K玻爾茲曼常數(shù)，其值為x 10-5ev

4、/oK ;T絕對溫度，單位用“ oK'表示；E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M及擴散雜質(zhì)的表面濃度NS等有關(guān)。五.擴散雜質(zhì)分布在半導(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。1.恒定源擴散在恒定源擴散過

5、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 M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：N(x,t)Ns?erfcx2、Dt(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；M為表面處的雜質(zhì)濃度；D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：從圖上可見，在不同擴散時間表面濃度 2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，

6、隨離開硅表面的距離增加而減少。圖中2為襯底原始雜質(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，當表面濃度N、雜質(zhì)擴散系數(shù)D和擴散時Q1.13Ns Dt間t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)式中：Q為單位面積內(nèi)雜質(zhì)原子數(shù)或雜質(zhì)總量。2.限定源擴散在限定源擴散過程中，硅片內(nèi)的雜質(zhì)總量保持不變，它沒有外來雜質(zhì)的補充，只依 靠預(yù)沉積在硅片表面上的那一層數(shù)量有限的雜質(zhì)原子向硅內(nèi)繼續(xù)進行擴散，這就叫限定 源擴散或有限源擴散。其雜質(zhì)濃度分布表達式為：N(x,t)(3- 6)2

7、式中的e鳥為高斯函數(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。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)。 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.

8、 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：1. 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??；3. 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；4. 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；5. 在硅中的固溶度要高于所需要的表面雜質(zhì)濃度；6. 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

9、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：1. 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準化，以有利于生產(chǎn)線的管理。2. 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。3 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)

10、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(3-7)面的距離，用xj表示，單位是微米（m或）其表達式為:xjA Dt式中A是一個與N、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：2erfcNbNs(3-8)高斯分布時:1Ns 2A 2 n(3-9)Nb這里erfc -1為反余誤差函數(shù)，可以查反余誤差函數(shù)表。h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空曲線表直接查出。Nb實際生產(chǎn)中xj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。二方塊電阻擴散層的方塊電阻又叫薄層電阻，記作 F或FS,其

11、表示表面為正方形的擴散薄層在 電流方向(平行于正方形的邊)上所呈現(xiàn)的電阻。由類似金屬電阻公式RL可推出薄層電阻表達式為：SI1Rs 上一一b(3-10)XjL xj x式中：一、一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/表示。由于： 11(3-11 )q帀-q為電子電荷量，N(x)為平均雜質(zhì)濃度，為平均遷移率Rs可變換為：RsXj1q N (x) xj(3-12)式中：N(x) xj為單位表面積擴散薄層內(nèi)的凈雜質(zhì)總量 Q可見，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

12、電導(dǎo)率。實際生產(chǎn)中，Rs(Ro)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M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1 計算法若已知擴散預(yù)沉積雜質(zhì)擴散系數(shù)為 D,擴散時間t1，預(yù)沉積后表面濃度為 比1,再擴散的擴散系數(shù)D2,擴散時間t2,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

13、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：？代入上式即可得到2 fDitiNs2Ns2.（ 313）.D2t2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。2.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2與平均電導(dǎo)率的關(guān)系曲線。通過測出的RS和xj能得到一：戸（3-14）襯底材料電阻率 往往是已知的，從而可用手冊上Nb曲線查出襯

14、底濃度 2。當然也可以根據(jù)經(jīng)驗公式：(3-15)1Nbq算出Nb。有了和只要知道雜質(zhì)分布類型（恒定源還是限定源擴散），就可以通過和 已知襯底濃度Nb相應(yīng)的那組Ns曲線，查到從表面（X 0 ）到結(jié)（x= 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1片狀源擴散擴散法：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

15、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：2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

16、法存在很大局限性，目前硼磷擴散都不用它。雙極電路隱埋擴散現(xiàn) 在還用粉狀源三氧化二銻（SbO）。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 SbQ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2攜帶SbQ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：（ 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 2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

17、化學(xué)反應(yīng)，雜質(zhì)原子向片內(nèi)擴散，形成PN結(jié)。二固固擴散 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400C以下低溫下完成，所以引進有害雜質(zhì) 2+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 采用物

18、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

19、，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1 合金點：主要原因是表面雜質(zhì)濃度過高。2. 黑點或白霧： 主要是酸性沾污、水氣和顆粒沾污造成的。3. 表面凸起物： 大多由較大顆粒經(jīng)過高溫處理后形成。4. 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。5. 硅片表面滑移

20、線或硅片彎曲：是由高溫下的熱應(yīng)力引起，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?shù)葘?dǎo)致。6. 硅片表面劃傷、表面缺損等：通常是由于工藝操作不當產(chǎn)生。二. 方塊電阻偏差R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N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F偏大。相反

21、，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)F偏大或偏小，可在再擴散時通過適當改變通干氧、 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。三. 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。(1) 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)量的重要標準。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：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 SiO2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)的晶格缺陷中，引起電場集中，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)尖峰毛刺，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)生在這些 尖峰上。因此，制造良好的擴散表面，保持表面清潔，嚴格