第三章擴散工藝6

1、n擴散是微觀粒子（原子、分子等）的一種極為普遍擴散是微觀粒子（原子、分子等）的一種極為普遍的的熱運動形式熱運動形式，運動結果使?jié)舛确植稼呌诰鶆颉?，運動結果使?jié)舛确植稼呌诰鶆颉?條件條件： 濃度差濃度差 熱運動存在熱運動存在n集成電路制造中的固態(tài)擴散工藝簡稱集成電路制造中的固態(tài)擴散工藝簡稱擴散擴散，是將一是將一定數(shù)量的某種雜質摻入到硅晶體中或其他半導體晶定數(shù)量的某種雜質摻入到硅晶體中或其他半導體晶體中去，以改變電學性質，并使摻入的雜質數(shù)量、體中去，以改變電學性質，并使摻入的雜質數(shù)量、分布形式和深度等都滿足要求。分布形式和深度等都滿足要求。n擴散是摻雜的一種方法擴散是摻雜的一種方法。3.1 雜質的

2、擴散機構雜質的擴散機構n主要可分為以下兩種機構，主要可分為以下兩種機構， 替位式式擴散替位式式擴散和和間隙式擴散間隙式擴散。n存在于晶格間隙的雜質稱為存在于晶格間隙的雜質稱為間隙式雜質間隙式雜質n間隙式雜質從一個間隙位置到另一個間隙位間隙式雜質從一個間隙位置到另一個間隙位置上的運動稱為置上的運動稱為間隙式擴散間隙式擴散 間隙式雜質間隙式雜質 間隙式雜質主間隙式雜質主要是半徑小、且不要是半徑小、且不容易和硅原子鍵合容易和硅原子鍵合的原子，它們以的原子，它們以間間隙方式隙方式在晶體中作在晶體中作擴散運動。擴散運動。n占據(jù)晶體內(nèi)晶格格點上的正常位置的雜質原子，稱占據(jù)晶體內(nèi)晶格格點上的正常位置的雜質原

3、子，稱替位雜質替位雜質n替位雜質從一個晶格位置運動到另一個晶格位置上替位雜質從一個晶格位置運動到另一個晶格位置上稱為稱為替位式擴散替位式擴散n替位雜質的近鄰晶格上出現(xiàn)空位，替位雜質才能比替位雜質的近鄰晶格上出現(xiàn)空位，替位雜質才能比較容易的運動到近鄰空位上。當近鄰沒有空位時，較容易的運動到近鄰空位上。當近鄰沒有空位時，通過通過換位換位才能實現(xiàn)替位雜質從一個晶格位置運動到才能實現(xiàn)替位雜質從一個晶格位置運動到另一個晶格位置上，這種換位會引起周圍晶格發(fā)生另一個晶格位置上，這種換位會引起周圍晶格發(fā)生很大的畸變，需要相當大的能量，這個過程是難以很大的畸變，需要相當大的能量，這個過程是難以實現(xiàn)的。實現(xiàn)的。n

4、替位雜質的運動同間隙雜質相比一般來說更困難替位雜質的運動同間隙雜質相比一般來說更困難3.2 擴散系數(shù)與擴散方程擴散系數(shù)與擴散方程n擴散是隨機跳動產(chǎn)生的原子運動，如果擴散是隨機跳動產(chǎn)生的原子運動，如果存在存在雜質濃度梯度雜質濃度梯度則將產(chǎn)生雜質的則將產(chǎn)生雜質的凈擴凈擴散流。散流。n決定擴散運動重要因素：決定擴散運動重要因素： 濃度差、溫度、粒子大小、晶體結構、濃度差、溫度、粒子大小、晶體結構、缺陷濃度以及粒子運動方式缺陷濃度以及粒子運動方式n擴散的結果：擴散的結果： 粒子濃度趨于平衡粒子濃度趨于平衡n3.2.1 菲克第一定律菲克第一定律 1855年，菲克（年，菲克（Fick）提出描述物質擴散的第

5、一定律）提出描述物質擴散的第一定律, 他認為他認為,如果在一個有限的基體中存在雜質濃度梯度如果在一個有限的基體中存在雜質濃度梯度 ，則雜質將會產(chǎn)生，則雜質將會產(chǎn)生擴散運動，而且擴散方向是指向濃度低的方向。擴散運動，而且擴散方向是指向濃度低的方向。 菲克第一定律：菲克第一定律： 雜質的擴散流密度正比于雜質濃度梯度雜質的擴散流密度正比于雜質濃度梯度 擴散粒子密度擴散粒子密度J： 單位時間通過單位面積的雜質數(shù)單位時間通過單位面積的雜質數(shù) D為擴散系數(shù)，單位是為擴散系數(shù)，單位是cm2/s C(x,t)雜質濃度雜質濃度 負號表示粒子是從濃度高向濃度低處擴散即逆濃度梯度的方向負號表示粒子是從濃度高向濃度低

6、處擴散即逆濃度梯度的方向而擴散而擴散 xCD) t , x( JxC3.2.2擴散系數(shù)擴散系數(shù)Dn表征擴散能力的重要參數(shù)。表征擴散能力的重要參數(shù)。 它的數(shù)值越大，表示擴散得越快，在相同它的數(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其數(shù)學表達式時間內(nèi)，在晶體中擴散得越深其數(shù)學表達式為：為： D=D0exp（-E/kT） 式中式中 ： E擴散過程中的激活能，實際上就是雜質原子擴散擴散過程中的激活能，實際上就是雜質原子擴散時所必須克服的某種勢壘。時所必須克服的某種勢壘。 D0 ：溫度：溫度T為無窮大時，擴散系數(shù)為無窮大時，擴散系數(shù)D的表觀值。的表觀值。 k ：玻耳茲曼常數(shù)，其值為：玻

7、耳茲曼常數(shù)，其值為：8.62 10-5ev/0k T：絕對溫度（：絕對溫度（ k）。）。 幾種雜質在硅中的幾種雜質在硅中的D0和和 E的數(shù)值的數(shù)值 雜質元素雜質元素D D0 0（cmcm2 2/s/s） E E（evev）適用的溫度范圍（適用的溫度范圍（ C C）砷砷 （AsAs）68686 64 423231000100013501350銻銻 （SbSb）12129 93 398981190119013981398磷磷 （P P ）10105 53 3969690090013001300硼硼 （B B ）25253 351511050105013501350鋁鋁 （AlAl）4 48 83

8、336361050105013801380鎵鎵 （GaGa）4 412121130113013581358銦銦 （InIn）16165 53 390901105110513601360碳碳 （C C ）0 033332 292921070107014001400銅銅 （CuCu）4 4 10-10-2 21 10 080080011001100銀銀 （AgAg）2 20 0 1010-3-31 160601100110013501350金金 （AuAu）1 11 1 1010-3-31 1121280080012001200鐵鐵 （FeFe）6 62 2 1010-3-30 087871100

9、110012601260鋰鋰 （LiLi）2 25 5 1010-3-30 0655655252513501350 D=D0exp（-E/kT）n溫度越高，擴散系數(shù)溫度越高，擴散系數(shù)D越大，雜質在硅越大，雜質在硅中的擴散就進入得越快。中的擴散就進入得越快。 n溫度溫度一定，不同雜質在同一種材料中的一定，不同雜質在同一種材料中的D不同的，同一種雜質在不同材料中的不同的，同一種雜質在不同材料中的D不同的。不同的。n同時，同時，D還與襯底晶向，晶格完整性，還與襯底晶向，晶格完整性，襯底材料的本征濃度、擴散雜質的表面襯底材料的本征濃度、擴散雜質的表面濃度有關濃度有關3.2.3 擴散方程（擴散方程（第二

10、菲克定律第二菲克定律） 我們分析一下一維情況下，沿擴散方向，從我們分析一下一維情況下，沿擴散方向，從x到到x+x,面積面積為為S的一個小體積元內(nèi)的雜質數(shù)量隨時間的變化情況。的一個小體積元內(nèi)的雜質數(shù)量隨時間的變化情況。 在在t時刻，設體積元內(nèi)的雜質濃度為時刻，設體積元內(nèi)的雜質濃度為C(x,t) 在在t+t時刻，設體積元內(nèi)的雜質濃度為時刻，設體積元內(nèi)的雜質濃度為C(x,t+t)經(jīng)過經(jīng)過t，該體積元內(nèi)雜質變化量為：，該體積元內(nèi)雜質變化量為： C(x,t)Sx- C(x,t+t)Sx= -C(x,t+t)- C(x,t)Sx （3-10）經(jīng)過經(jīng)過t，該體積元內(nèi)雜質變化量是由通過，該體積元內(nèi)雜質變化量是

11、由通過x處和處和 x+x處兩界面處兩界面的流量差造成的的流量差造成的,有有 J(x+x,t)St- J(x,t)St= J(x+x,t) - J(x,t)St （3-11）J2xx+xx ssJ1n如果體積元內(nèi)的雜質不產(chǎn)生也不消失，則如果體積元內(nèi)的雜質不產(chǎn)生也不消失，則（3-10）=（3-11）有）有 22x) t , x(CDt) t , x(C第二菲克定律：描述了雜質濃度隨時間變化的規(guī)律第二菲克定律：描述了雜質濃度隨時間變化的規(guī)律擴散方程：擴散方程：x) t , x( Jt) t , x(C),(),(xtxCDxttxC(3-12)(3-12)(3-13)(3-13)(3-14)(3-1

12、4)3.3 擴散雜質的分布擴散雜質的分布n由擴散方程以及邊界條件和初始條件不由擴散方程以及邊界條件和初始條件不同，擴散方程的解不同，雜質在硅中的同，擴散方程的解不同，雜質在硅中的分布也不同。分布也不同。n目前，擴散分布主要有兩種：目前，擴散分布主要有兩種： 恒定表面源擴散、有限表面源擴散恒定表面源擴散、有限表面源擴散 3.3.1恒定表面源擴散恒定表面源擴散 n在整個擴散過程中，硅片表面始終暴露在在整個擴散過程中，硅片表面始終暴露在具有恒定而均勻的雜質源的氣氛里。即表具有恒定而均勻的雜質源的氣氛里。即表面的雜質濃度面的雜質濃度Ns始終不變。始終不變。n邊界條件邊界條件: C（0，t）=Cs x=

13、0n初始條件：在擴散的開始時間初始條件：在擴散的開始時間(t=0）,除了除了Si表面（表面（x=0）與雜質氣體接觸外，）與雜質氣體接觸外，Si片片內(nèi)部各點都沒有雜質擴進去，即內(nèi)部各點都沒有雜質擴進去，即 C（x，0）= 0 t=0得到方程組：得到方程組：C（0，t）=Cs x=0C（x，0）=0 t=0dxxCDdxtC22DtxerfcCDtxerfCdeCtxCSSDtxS2)21 (21 (),(202解得：解得：式中Cs為Si表面濃度，為常數(shù)表示。為余誤差函數(shù)用表示，為誤差函數(shù)用符號DtxerfcDtxerfDtxerfdeDtx22122202n恒定表面源擴散在恒定表面源擴散在硅片內(nèi)

14、部形成的雜硅片內(nèi)部形成的雜質分布是余誤差函質分布是余誤差函數(shù)分布。當表面雜數(shù)分布。當表面雜質濃度質濃度Cs，雜質擴，雜質擴散系數(shù)散系數(shù)D，以及擴，以及擴散時間散時間T確定時，確定時，雜質的擴散分布也雜質的擴散分布也就確定了就確定了. 恒定表面源擴散的特點恒定表面源擴散的特點n1.雜質分布形式：雜質分布形式： Cs一定的情況下，一定的情況下，擴散的時間越長，雜質擴散的時間越長，雜質擴散就越深，擴到硅片擴散就越深，擴到硅片內(nèi)部的雜質也越多。內(nèi)部的雜質也越多。 圖中各曲線下面所圍圖中各曲線下面所圍的面積，可直接反映硅的面積，可直接反映硅片內(nèi)的雜質總量片內(nèi)的雜質總量。DtxdDtxerfcDtCdxD

15、txerfcCdxtxCQSS2222),(000DtCDtCQSS13. 123.193.19n恒定表面源擴散其表面雜質濃度恒定表面源擴散其表面雜質濃度CsCs, ,基本上由該雜質在擴散溫度基本上由該雜質在擴散溫度900-900-12001200下的下的固溶度所決定固溶度所決定。n固溶度是指雜質在一定溫度下能夠固溶度是指雜質在一定溫度下能夠溶入固體硅中的最大濃度。溶入固體硅中的最大濃度。n在固溶度范圍內(nèi)在固溶度范圍內(nèi), ,隨著時間的增長隨著時間的增長, ,進入基片的雜質也不斷增多進入基片的雜質也不斷增多n雜質的雜質的最大固溶度最大固溶度給雜質擴散的表給雜質擴散的表面雜質濃度面雜質濃度CsCs

16、設置了上限設置了上限n900-1200900-1200固溶度固溶度隨溫度變化不大隨溫度變化不大, ,很難通過溫度控制很難通過溫度控制表面雜質濃度表面雜質濃度CsCsn如果擴散所要求的表面雜質濃度大如果擴散所要求的表面雜質濃度大于某雜質元素在于某雜質元素在SiSi中的最大固溶度，中的最大固溶度，那么就無法用這種元素來獲得所希那么就無法用這種元素來獲得所希望的雜質分布。望的雜質分布。幾種在硅中的固容度幾種在硅中的固容度 2.結深：結深： 如果擴散雜質與襯底原有的導電類型不同，則在兩如果擴散雜質與襯底原有的導電類型不同，則在兩種雜質濃度相等處形成種雜質濃度相等處形成pn結，其結的位置結，其結的位置X

17、j即結深。即結深。DtxCserfctxC2),(BjCtxCxx），（時當)1 (21SBCCerfcADtAxj 結深是工藝的一個重要參數(shù)，由上式可以看結深是工藝的一個重要參數(shù)，由上式可以看到到X Xj j與擴散系數(shù)與擴散系數(shù)D D和擴散時間和擴散時間t t的平方根成正比的平方根成正比A A是僅與是僅與C CB B/Cs/Cs有關的常有關的常數(shù)數(shù)3.203.20 3.雜質濃度梯度雜質濃度梯度),(4,2DtxstxeDtCxtxC3.213.21梯度受梯度受Cs,tCs,t和和D D的影響，改變其中某個量，使?jié)舛忍荻葷M足要求的影響，改變其中某個量，使?jié)舛忍荻葷M足要求p-np-n結處梯度為：

18、結處梯度為：sBsBjsxCCerfcCCerfcxCxtxCj12)exp(12),(3.223.22在在CsCs和和C CB B 一定的情況下一定的情況下,p-n,p-n結越深結越深, ,在結處的雜質濃度梯度越小在結處的雜質濃度梯度越小3.3.2 有限表面源擴散有限表面源擴散 如果擴散之前在硅片表面淀積一層雜如果擴散之前在硅片表面淀積一層雜質，在整個擴散過程中這層雜質作為擴散質，在整個擴散過程中這層雜質作為擴散的雜質源的雜質源,不再有新源補充，這種擴散方不再有新源補充，這種擴散方式稱式稱有限源擴散有限源擴散。擴散方程的解和分布曲線擴散方程的解和分布曲線n邊界條件：由于擴散過程中，沒有外來雜

19、質補邊界條件：由于擴散過程中，沒有外來雜質補充，在充，在Si片表面（片表面（X=0處）的雜質濃度處）的雜質濃度n初始條件：初始條件： SiSi片內(nèi)的雜質總量保持不變片內(nèi)的雜質總量保持不變C CC CC CC CC C求解可以得有限源擴散方程的解求解可以得有限源擴散方程的解的表達式為：的表達式為： DtxeDtQtxC42),(式中式中Q Q：擴散前存在于：擴散前存在于SiSi片表面無限薄層內(nèi)，單位表面積的片表面無限薄層內(nèi)，單位表面積的雜質總量，擴散過程中雜質總量，擴散過程中Q Q為常為常數(shù)。數(shù)。Dtxe42高斯函數(shù)，上式所描繪的雜質分布稱為高斯分布。高斯函數(shù)，上式所描繪的雜質分布稱為高斯分布。

20、 有限源擴散的特點有限源擴散的特點1.雜質分布形式：雜質分布形式： 在整個擴散過程中在整個擴散過程中,Si片片內(nèi)的雜質總量保持不變，內(nèi)的雜質總量保持不變，沒沒有外來雜質補充，只依靠擴有外來雜質補充，只依靠擴散前在散前在Si片表面上已淀積了片表面上已淀積了那一薄層內(nèi)有限數(shù)量的雜質那一薄層內(nèi)有限數(shù)量的雜質原子原子,向硅片體內(nèi)擴散。隨著向硅片體內(nèi)擴散。隨著擴散時間的增長擴散時間的增長,表面雜質濃表面雜質濃度不斷下降度不斷下降,并不斷地向內(nèi)部并不斷地向內(nèi)部推進擴散推進擴散,這時表面雜質濃度這時表面雜質濃度與擴散雜質深度都在發(fā)生變與擴散雜質深度都在發(fā)生變化化,由此可確定。由此可確定。 有限表面源擴散表面

21、濃度計算有限表面源擴散表面濃度計算nSiSi表面（表面（X=0X=0處）雜質濃度處）雜質濃度可見可見C C與與CsCs成正比，與成正比，與D D，t t的平方根成反比。的平方根成反比。n有限表面源擴散雜質分布形式有限表面源擴散雜質分布形式C C C CC CDtxeDtQtxN42),(C CDtxsDtxetCeDtQtxC4422)(),(D D愈大（擴散溫度越高）愈大（擴散溫度越高）t t愈長，愈長，CsCs則愈低。則愈低。2.結深結深21)(ln2BSCCA DtAxjC CS S（x,tx,t）= = C CB B x=xj3.30A與與Cs/CB 有關有關 ，如圖，如圖3.7在雜質

22、分布形式相同的情況下在雜質分布形式相同的情況下CB越大，結深越淺越大，結深越淺np-n結處梯度為：結處梯度為：3.雜質濃度梯度雜質濃度梯度),(2),(,txCDtxxtxCtx3.32BBjsxCCsCCsxCxtxCj/)/ln(2),(n雜質濃度梯度將隨擴散深度的增加而減小雜質濃度梯度將隨擴散深度的增加而減小兩步擴散的意義兩步擴散的意義為什么一般都采用為什么一般都采用“兩步擴散工藝兩步擴散工藝” n對于限定源擴散來說，其特點是在整個擴散過程中，對于限定源擴散來說，其特點是在整個擴散過程中，雜質總量保持不變，而隨擴散時間的增長，表面濃雜質總量保持不變，而隨擴散時間的增長，表面濃度不斷下降，

23、擴散深度不斷加深，因此，采用有限度不斷下降，擴散深度不斷加深，因此，采用有限表面源擴散時，既能表面源擴散時，既能控制表面濃度又能控制擴散深控制表面濃度又能控制擴散深度。度。n但采用有限源擴散時，擴散前必須在但采用有限源擴散時，擴散前必須在Si片表面沉積片表面沉積足夠量的雜質源，并且必須具有較高的表面濃度，足夠量的雜質源，并且必須具有較高的表面濃度，才能使限定源擴散獲得符合要求的表面濃度和擴散才能使限定源擴散獲得符合要求的表面濃度和擴散深度。實踐表明，深度。實踐表明，采用恒定表面濃度擴散即能比較采用恒定表面濃度擴散即能比較準確地控制擴散硅表面的雜質總量，又能獲得高的準確地控制擴散硅表面的雜質總量

24、，又能獲得高的表面濃度并且操作方便表面濃度并且操作方便。因此，在當前硅平面器件。因此，在當前硅平面器件工藝中普遍采用兩步擴散工藝。工藝中普遍采用兩步擴散工藝。兩步擴散的意義兩步擴散的意義n預淀積（預淀積（恒定表面擴散恒定表面擴散）的主要目的是）的主要目的是為了控制擴散入為了控制擴散入Si片表面的雜質總量，片表面的雜質總量，為第二步的再分布創(chuàng)造必要的條件。為第二步的再分布創(chuàng)造必要的條件。n再分布（再分布（有限表面源擴散有限表面源擴散）的目的，是）的目的，是控制整個擴散的表面濃度和結深，使它控制整個擴散的表面濃度和結深，使它符合器件設計要求。符合器件設計要求。3.5 擴散工藝擴散工藝n按原始雜質源

25、在室溫下的相狀態(tài)加以分類：按原始雜質源在室溫下的相狀態(tài)加以分類： 固態(tài)源擴散、液態(tài)源擴散、氣相源擴散固態(tài)源擴散、液態(tài)源擴散、氣相源擴散n固態(tài)源擴散：固態(tài)源擴散：開管擴散、箱法擴散、涂源法開管擴散、箱法擴散、涂源法擴散擴散雜質的化合物與硅反應，生成單質雜質的化合物與硅反應，生成單質的雜質原子向硅內(nèi)擴散的雜質原子向硅內(nèi)擴散n液態(tài)源擴散液態(tài)源擴散攜帶氣體通過源瓶，把雜質攜帶氣體通過源瓶，把雜質源蒸氣帶入擴散爐管內(nèi)，與與硅反應，生成源蒸氣帶入擴散爐管內(nèi)，與與硅反應，生成單質的雜質原子向硅內(nèi)擴散單質的雜質原子向硅內(nèi)擴散n氣態(tài)源擴散氣態(tài)源擴散氣態(tài)雜質一般先在硅表面進氣態(tài)雜質一般先在硅表面進行化學反應生成摻

26、雜氧化層，雜質再由氧化行化學反應生成摻雜氧化層，雜質再由氧化層向硅中擴散層向硅中擴散液態(tài)源擴散裝置液態(tài)源擴散裝置 1N2 21N2 2純化系統(tǒng)純化系統(tǒng) 33濾球濾球 44流量流量 55節(jié)流器節(jié)流器66三通三通 77源瓶源瓶 88熱電偶熱電偶 99擴散爐擴散爐液態(tài)源擴散液態(tài)源擴散 硼擴散工藝原理硼擴散工藝原理n 液態(tài)源硼擴散采用的液態(tài)源硼擴散采用的雜質源雜質源有：硼酸三甲酯有：硼酸三甲酯BB（CHCH3 3O)O)3 3 ，硼，硼酸三丙酯酸三丙酯BB（CHCH3 3CHCH2 2CHCH2 2O)O)3 3 和三溴化硼和三溴化硼B(yǎng)BrBBr3 3 等，其中用得較等，其中用得較多的是硼酸三甲酯。多

27、的是硼酸三甲酯。n 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氣，本身易水解，生成硼酸和甲醇基反應式如下：的飽和蒸氣，本身易水解，生成硼酸和甲醇基反應式如下： B B（CHCH3 3O O）3 3+3H+3H2 2O OH H3 3BOBO3 3+3+3（H H3 3OHOH） 硼酸三甲酯在高溫（硼酸三甲酯在高溫（500500以上）下，發(fā)生熱分解以上）下，發(fā)生熱分解 B B（CHCH3 3O O）3 3B B2 2O O3 3+CO+CO2 2+C+H+C+H2 2O O 分解出的三氧化二硼，在分解出的三氧化二硼，在9009

28、00左右與硅起化學反應，生成硼左右與硅起化學反應，生成硼原子，并淀積在原子，并淀積在SiSi片的表面，其反應為：片的表面，其反應為： 2B2B2 2O O3 3+Si+Si3SiO3SiO2 2+4B+4B 此預淀積反應，在此預淀積反應，在SiSi表面上易形成硼硅玻璃，用還原出來表面上易形成硼硅玻璃，用還原出來的的B B原子向硅片內(nèi)部擴散。原子向硅片內(nèi)部擴散。 B擴預沉積工藝條件步驟擴預沉積工藝條件步驟n預沉積條件：爐溫為預沉積條件：爐溫為930，源溫為室，源溫為室溫（溫（25左右）左右）, 予沉積前先在予沉積前先在930下下通源通源15-20min，使石英管含硼量達到飽，使石英管含硼量達到飽

29、和狀態(tài)（新處理石英管和狀態(tài)（新處理石英管40-60min）B再分布工藝條件步驟再分布工藝條件步驟n當爐溫升高至預定溫度（當爐溫升高至預定溫度（1180）后通干）后通干氧氧20min，以排除管道內(nèi)的空氣，同時加，以排除管道內(nèi)的空氣，同時加熱水溶并使水溶溫度達到預定值（熱水溶并使水溶溫度達到預定值（95）一切就緒后，即可將正片和陪片一起裝入一切就緒后，即可將正片和陪片一起裝入石英舟再推入爐子恒溫壓，先通石英舟再推入爐子恒溫壓，先通5min干氧，干氧，30min濕氧，最后通濕氧，最后通5min 干氧。時間到后干氧。時間到后即可把硅片拉出石英管道。即可把硅片拉出石英管道。3.6 3.6 擴散層的質量分

30、析與檢驗擴散層的質量分析與檢驗 1.結深的討論與測試結深的討論與測試 DtAxj)1 (21SBCCerfcA余誤差函數(shù)分布余誤差函數(shù)分布21)(ln2BSCCA 高斯函數(shù)分布高斯函數(shù)分布 在工藝生產(chǎn)中，控制擴散工藝條件的在工藝生產(chǎn)中，控制擴散工藝條件的主要目的在主要目的在于控制擴散的雜質分布于控制擴散的雜質分布。具體的說就是控制各次擴散。具體的說就是控制各次擴散的的結深、表面濃度結深、表面濃度，結深可以直接測量，而表面濃度，結深可以直接測量，而表面濃度則是通過對擴散層的薄層電阻和結深推算出來的，則是通過對擴散層的薄層電阻和結深推算出來的，因因此結深、薄層電阻、表面濃度是評價擴散層質量的三此結

31、深、薄層電阻、表面濃度是評價擴散層質量的三個重要的工藝指標個重要的工藝指標。一、結深的測量一、結深的測量:磨角法磨角法:n1）原理：）原理： 它是利用它是利用P區(qū)和區(qū)和N區(qū)在染色上的差異，使區(qū)在染色上的差異，使P-N結的界面顯現(xiàn)出來，測量其結深。當在結的界面顯現(xiàn)出來，測量其結深。當在結面上滴染色液時，由于結兩側的結面上滴染色液時，由于結兩側的Si與染色與染色液形成微電池，兩個極區(qū)反應不同，染色也液形成微電池，兩個極區(qū)反應不同，染色也有差異，于是結面被顯示出來。有差異，于是結面被顯示出來。 CuSO4+SiCu N 紅色紅色 P 無色無色n2）方法：）方法： 先將陪片固定在特別的磨角器上，使先將

32、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片磨出一個具有一定角度 (15)的的斜截面，如圖所示：斜截面，如圖所示： （1）測擴散結較深結的方法）測擴散結較深結的方法Xj=Xj=lsinsinCuSOCuSO4 4+SiCu N +SiCu N 紅色紅色 P P 無色無色n推導：推導： 避免避免變化引起誤差變化引起誤差（2）測量較淺結方法）測量較淺結方法 采用雙光干涉法，只要在硅片表面加一塊平板玻璃采用雙光干涉法，只要在硅片表面加一塊平板玻璃（與（與SiSi片表面要貼緊）干涉條紋是平板玻璃的下面反片表面要貼緊）干涉條紋是平板玻璃的下面反射的光線和射的光線和SiSi片表面反射光線相干涉

33、所產(chǎn)生的。片表面反射光線相干涉所產(chǎn)生的。mxj2m: 條紋數(shù)目條紋數(shù)目 :光波長光波長二、薄層（方塊）電阻的測量二、薄層（方塊）電阻的測量 在半導體器件生產(chǎn)中擴散層薄層電阻是反映擴在半導體器件生產(chǎn)中擴散層薄層電阻是反映擴散層質量符合設計要求與否的重要工藝指標之一。散層質量符合設計要求與否的重要工藝指標之一。 對應于一對確定數(shù)值的結深和薄層電阻，擴對應于一對確定數(shù)值的結深和薄層電阻，擴散層的雜質分布是確定的，也就是說，把薄層電阻散層的雜質分布是確定的，也就是說，把薄層電阻的測量同結深的測量結合起來，我們就能夠了解到的測量同結深的測量結合起來，我們就能夠了解到擴散入硅片內(nèi)部雜質的具體分布。擴散入硅

34、片內(nèi)部雜質的具體分布。 因此在晶體管和集成電路生產(chǎn)中，幾乎每一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行薄層電阻的測試。所以次予淀積再分布后都要進行薄層電阻的測試。所以深入地了解薄層電阻的定義，物理意義和測試方法，深入地了解薄層電阻的定義，物理意義和測試方法，對我們控制擴散條件和提高產(chǎn)品質量具有十分重要對我們控制擴散條件和提高產(chǎn)品質量具有十分重要的現(xiàn)實意義。的現(xiàn)實意義。二、薄層二、薄層(方塊方塊)電阻的測量電阻的測量1）薄層電阻定義）薄層電阻定義薄層電阻薄層電阻：表面為正方形表面為正方形的半導體薄層，在電流方的半導體薄層，在電流方向向 電流方向平行正方形的電流方向平行正方形

35、的邊邊 所呈現(xiàn)的電阻。所呈現(xiàn)的電阻。擴散層的薄層電阻也稱方塊電擴散層的薄層電阻也稱方塊電阻，常分別用阻，常分別用Rs或或R表示。表示。jjSxxllslR1由上式可見，薄層電阻的大小由上式可見，薄層電阻的大小與薄層的平均電阻率成與薄層的平均電阻率成正比，與薄層的厚度成反比正比，與薄層的厚度成反比，而與正方形的邊長無關。而與正方形的邊長無關。其單位為歐姆。為了表示薄層電阻不同于一般電阻，其單位為歐姆。為了表示薄層電阻不同于一般電阻，其單位常用其單位常用 歐姆歐姆/ /方塊方塊 或或 / /表示。表示。薄層薄層(方塊方塊)電阻的物理意義電阻的物理意義 對于擴散薄層來說，在擴散對于擴散薄層來說，在擴

36、散 方向上各處的雜質濃度方向上各處的雜質濃度C（X）是不相等的，所以載流子的遷移率是不相等的，所以載流子的遷移率 的數(shù)值也不相同。則擴散的數(shù)值也不相同。則擴散薄層的平均電阻率與平均雜質濃度之間關系：薄層的平均電阻率與平均雜質濃度之間關系：Cq11 在雜質均勻分布的半導體中，電阻率與雜質濃度之間有如下關系：q q：為電子電荷量：為電子電荷量 ：為載流子遷移率：為載流子遷移率 C C：為均勻摻雜半導體中雜質濃度：為均勻摻雜半導體中雜質濃度為單位表面積擴散薄層內(nèi)的凈雜質總量為單位表面積擴散薄層內(nèi)的凈雜質總量)(1xCqjxjSxCqxR)(1jxxC)(n薄層電阻薄層電阻Rs與單位表面積薄層內(nèi)的凈雜

37、質總與單位表面積薄層內(nèi)的凈雜質總量成反比。量成反比。 因此，因此，薄層薄層(方塊方塊)電阻的大小直接反映了電阻的大小直接反映了擴入擴入Si片內(nèi)部的凈雜質總量的多少。片內(nèi)部的凈雜質總量的多少。薄層電阻薄層電阻越小，表示擴入越小，表示擴入Si片的凈雜質總量越多。反之，片的凈雜質總量越多。反之，擴入擴入Si片的凈雜質總量越少。片的凈雜質總量越少。n計算擴散電阻計算擴散電阻jxjSxCqxR)(1計算擴散電阻計算擴散電阻n當計算一條狀擴散層一端到另一端的電當計算一條狀擴散層一端到另一端的電阻值時，只要將串聯(lián)的方塊數(shù)乘上阻值時，只要將串聯(lián)的方塊數(shù)乘上Rs,或或用并聯(lián)方塊數(shù)去除用并聯(lián)方塊數(shù)去除Rs，就可以

38、得到條狀，就可以得到條狀擴散電阻值。擴散電阻值。LaIR= RsL/aR= Rsa/L3） 方塊電阻的測量方塊電阻的測量目前在生產(chǎn)中測量擴散層薄層電阻目前在生產(chǎn)中測量擴散層薄層電阻RsRs，廣泛使用四探針法。測量，廣泛使用四探針法。測量裝置圖如圖所示：裝置圖如圖所示：四探針采用排成直線彼此相距為四探針采用排成直線彼此相距為S S的四根鎢絲構成。測量時將針的四根鎢絲構成。測量時將針尖壓在尖壓在SiSi片的表面上外面兩根針通電流片的表面上外面兩根針通電流I I，測量中間兩根探針的，測量中間兩根探針的電壓，如果被測電壓，如果被測SiSi片很大，（即它的長度片很大，（即它的長度L L和寬度和寬度a a

39、比探針間距比探針間距S S大很多時，則薄層電阻采用下面公式進行計算大很多時，則薄層電阻采用下面公式進行計算IVIVRS53. 42ln11電位差計電位差計 22檢流計檢流計n由于生產(chǎn)中，所用樣品的面積都比較小，因此由于生產(chǎn)中，所用樣品的面積都比較小，因此上式中的系數(shù)必須加以適當修正。因此薄層電上式中的系數(shù)必須加以適當修正。因此薄層電阻的普遍公式的表達式為：阻的普遍公式的表達式為：IVCRS式中式中C C稱為修正因子，其數(shù)值的大小除與被測樣品的形稱為修正因子，其數(shù)值的大小除與被測樣品的形狀和大小有關外還與樣品是單面擴散還是雙面擴散等狀和大小有關外還與樣品是單面擴散還是雙面擴散等因素有關。為使用方

40、便，我們把各種情況下修正因子因素有關。為使用方便，我們把各種情況下修正因子C C的數(shù)值列表中以便查閱。的數(shù)值列表中以便查閱。三、表面雜質濃度三、表面雜質濃度n 擴散雜質在半導體基片中的表面濃度，擴散雜質在半導體基片中的表面濃度，是半導體器件設計，制造的一個重要結構是半導體器件設計，制造的一個重要結構參數(shù)，用參數(shù)，用Ns表示。表示。n 目前直接測定表面雜質濃度的方法比較目前直接測定表面雜質濃度的方法比較復雜，常采用間接的方法獲得復雜，常采用間接的方法獲得1.表面濃度的控制表面濃度的控制 C CCsCs1 1CsCs2 2CsCs3 3C CB B C CCsCs1 1CsCs2 2CsCs3 3C CB Bt1 t2 t3t1 t2 t3C CC CB BC CS S2. Cs Xj Rs三者的關系三者的關系n三者決定雜質的分布三者決定雜質的分布（a a）X