半導(dǎo)體制造工藝

擴(kuò)散半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)本章重點(diǎn)摻雜的目的；摻雜的方法；恒定源擴(kuò)散；有限源擴(kuò)散；摻雜：摻雜技術(shù)是在高溫條件下，將雜質(zhì)原子以一定的可控量摻入到半導(dǎo)體中，以改變半導(dǎo)體硅片的導(dǎo)電類型或表面雜質(zhì)濃度。形成PN結(jié)、電阻磷(P)、砷(As)——N型硅硼(B)——P型硅什么是摻雜擴(kuò)散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要方式。高溫?cái)U(kuò)散：雜質(zhì)原子通過(guò)氣相源或摻雜過(guò)的氧化物擴(kuò)散到硅片的表面，這些雜質(zhì)濃度將從表面到體內(nèi)單調(diào)下降，而雜質(zhì)分布主要是由高溫與擴(kuò)散時(shí)間來(lái)決定。形成深結(jié)擴(kuò)散工藝的優(yōu)越性：

（1）可以通過(guò)對(duì)溫度、時(shí)間等工藝條件的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，來(lái)控制PN結(jié)面的深度和晶體管的基區(qū)寬度，并能獲得均勻平坦的結(jié)面。

（2）可以通過(guò)對(duì)擴(kuò)散工藝條件的調(diào)節(jié)與選擇，來(lái)控制擴(kuò)散層表面的雜質(zhì)濃度及其雜質(zhì)分布，以滿足不同器件的要求。

（3）與氧化、光刻等技術(shù)相組合形成的硅平面工藝有利于改善晶體管和集成電路的性能。

（4）重復(fù)性好，均勻性好，適合與大批量生產(chǎn)。

離子注入：摻雜離子以離子束的形式注入半導(dǎo)體內(nèi)，雜質(zhì)濃度在半導(dǎo)體內(nèi)有個(gè)峰值分布，雜質(zhì)分布主要由離子質(zhì)量和注入能量決定。形成淺結(jié)摻雜區(qū)摻雜區(qū)的類型：相同或相反結(jié)深：硅片中p型雜質(zhì)與n型雜質(zhì)相遇的深度，用Xj表示，深度等于結(jié)深的地方，電子與空穴的濃度相等。6.1基本擴(kuò)散工藝摻入方式有：氣相源；固相源；液相源，其中液態(tài)源最常用。使用液相源的磷擴(kuò)散的化學(xué)反應(yīng)如下：P2O5在硅晶片上形成一層玻璃并由硅還原出磷，氯氣被帶走。影響擴(kuò)散參量的因素：POCl3的溫度、擴(kuò)散溫度、時(shí)間、氣體流量。電爐電爐O2N2液態(tài)雜質(zhì)源石英管排氣口硅晶片典型的開(kāi)管擴(kuò)散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6.1.1擴(kuò)散方程式半導(dǎo)體中的擴(kuò)散可以視為在晶格中通過(guò)空位或填隙原子形式進(jìn)行的原子移動(dòng)。

(1)替代式擴(kuò)散替位原子的運(yùn)動(dòng)必須以其近鄰處有空位存在為前提。移動(dòng)速度較慢的雜質(zhì)，如半導(dǎo)體摻雜常用的砷、磷，通常利用替代運(yùn)動(dòng)填充晶格中的空位。(2)填隙隙式式擴(kuò)擴(kuò)散散擴(kuò)散散流流密密度度F--單位位時(shí)時(shí)間間內(nèi)內(nèi)通通過(guò)過(guò)單單位位面面積積的的雜雜質(zhì)質(zhì)原原子子數(shù)數(shù)；；C--單位位體體積積的的雜雜質(zhì)質(zhì)濃濃度度；；D--擴(kuò)散散系系數(shù)數(shù)或或擴(kuò)擴(kuò)散散率率；；擴(kuò)散散驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力力是是濃濃度度梯梯度度，，雜雜質(zhì)質(zhì)原原子子從從高高濃濃度度區(qū)區(qū)流流向向低低濃濃度度區(qū)區(qū)。。具有有高高擴(kuò)擴(kuò)散散率率的的雜雜質(zhì)質(zhì)，，如如金金、、銅銅、、容容易易利利用用間間隙隙運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)在在硅硅的的晶晶格格空空隙隙中中移移動(dòng)動(dòng)。。在一定定的溫溫度范范圍內(nèi)內(nèi)，D可表示示為D0--溫度無(wú)無(wú)窮大大時(shí)的的擴(kuò)散散系數(shù)數(shù)；Ea--激活能能;對(duì)填隙隙模型型，Ea是摻雜雜原子子從一一個(gè)間間隙移移動(dòng)到到至另另一個(gè)個(gè)間隙隙所需需的能能量；；對(duì)替代代模型型，Ea是雜質(zhì)質(zhì)原子子移動(dòng)動(dòng)所需需能量量和形形成空空位所所需的的能量量總和和。替代的的Ea較擴(kuò)散散大6.1.2擴(kuò)散分分布摻雜原原子的的擴(kuò)散散分布布與起起始條條件和和邊界界條件件有關(guān)關(guān)。兩種方方式：：恒定表表面濃濃度擴(kuò)擴(kuò)散：：雜質(zhì)質(zhì)原子子由氣氣相源源傳送送到半半導(dǎo)體體表面面，然然后擴(kuò)擴(kuò)散進(jìn)進(jìn)入半半導(dǎo)體體硅晶晶片，，在擴(kuò)擴(kuò)散期期間，，氣相相源維維持恒恒定的的表面面濃度度；有限源源擴(kuò)散散：指指一定定量的的雜質(zhì)質(zhì)淀積積在半半導(dǎo)體體表面面，接接著擴(kuò)擴(kuò)散進(jìn)進(jìn)入硅硅晶片片內(nèi)。。這層層雜質(zhì)質(zhì)作為為擴(kuò)散散源，，不再再有新新源補(bǔ)補(bǔ)充。。恒定表表面濃濃度擴(kuò)擴(kuò)散不不能全全寫公公式t為時(shí)間間t=0摻雜濃濃度為為0t＝0時(shí)初始始條件件是邊界條條件是是X=0濃度恒恒定，，與時(shí)時(shí)間無(wú)無(wú)關(guān)起始條條件：：Cs是x＝0處的表表面濃濃度，，與時(shí)時(shí)間無(wú)無(wú)關(guān)。。邊界條條件：：X＝∞，距離離表面面很遠(yuǎn)遠(yuǎn)處無(wú)無(wú)雜質(zhì)質(zhì)原子子。符合起起始與與邊界界條件件的擴(kuò)擴(kuò)散方方程式式的解解是：：erfc--余誤差差函數(shù)數(shù)--擴(kuò)散長(zhǎng)長(zhǎng)度圖為余余誤差差函數(shù)數(shù)分布布擴(kuò)散的的時(shí)間間越長(zhǎng)長(zhǎng)雜質(zhì)質(zhì)擴(kuò)散散的越越深有限源源擴(kuò)散散t＝0時(shí)的初初始條條件C（x，0）＝0，邊界界條件件是：：說(shuō)明明表面面濃度度恒定定，不不再有有新元元補(bǔ)充充S為單位位面積積摻雜雜總量量。符符合上上述擴(kuò)擴(kuò)散方方程的的解為為：此為高高斯分分布在x＝0處表面面濃度度為：：擴(kuò)散原原理在集成成電路路工藝藝中，，通常常熱擴(kuò)擴(kuò)散采采用三三個(gè)步步驟：：預(yù)淀淀積、、推進(jìn)進(jìn)和激激活（（順序序不能能亂））1、預(yù)淀積積：在恒恒定表表面濃濃度擴(kuò)擴(kuò)散條條件下下形成成預(yù)淀淀積層層，溫溫度低低、時(shí)時(shí)間短短，擴(kuò)擴(kuò)散的的淺，，可以以認(rèn)為為雜質(zhì)質(zhì)淀積積在一一薄層層（掩掩蔽氧氧化層層）內(nèi)內(nèi)；以以防止止雜質(zhì)質(zhì)原子子從硅硅中擴(kuò)擴(kuò)散出出去。。預(yù)淀積積階段段表面面雜質(zhì)質(zhì)濃度度最高高，并并隨著著深度度的加加大而而減小小。目的是是為了了控制制雜質(zhì)質(zhì)總量量；預(yù)淀積積現(xiàn)在在普遍遍被離離子注注入代代替。。推進(jìn)：：高溫過(guò)過(guò)程，，使淀淀積的的雜質(zhì)質(zhì)穿過(guò)過(guò)晶體體，在在硅片片中形形成期期望的的結(jié)深深。此階段段并不不向硅硅片中中增加加雜質(zhì)質(zhì)，但但是高高溫下下形成成的氧化層層會(huì)影影響推推進(jìn)過(guò)過(guò)程中中雜質(zhì)質(zhì)的擴(kuò)擴(kuò)散，，這種種由硅硅表面氧化化引起起的雜雜質(zhì)濃濃度改改變成成為再再分布布。激活：：使溫度度稍微微升高高，此此過(guò)程程激活活了雜雜質(zhì)原子。。目的是是為了了控制制表面面濃度度和擴(kuò)擴(kuò)散深深度。。雜質(zhì)移移動(dòng)雜質(zhì)只只有在在成為為硅晶晶格結(jié)結(jié)構(gòu)的的一部部分（（即被被激活）后，，才可可以作作為施施主和和受主主。如如果雜雜質(zhì)占占據(jù)間間隙位位置，，它就就沒(méi)有有被激激活，，不會(huì)會(huì)起到到雜質(zhì)質(zhì)的作作用。。加熱能能使雜雜質(zhì)移移動(dòng)到到正常常的晶晶格上上，被被稱為為晶格格激活活。激激活發(fā)發(fā)生在在高溫溫下，，是擴(kuò)擴(kuò)散的的一部部分。。對(duì)于離離子注注入來(lái)來(lái)說(shuō)，，晶格格激活活在退退火階階段完完成。。橫向擴(kuò)擴(kuò)散光刻膠膠無(wú)法法承受受高溫溫，擴(kuò)擴(kuò)散的的掩膜膜是二氧化化硅或氮化硅硅。熱擴(kuò)散散中的的橫向向擴(kuò)散散通常常是縱縱向結(jié)結(jié)深的的75%--85%。6.1.3擴(kuò)散層層測(cè)量量擴(kuò)散工工藝的的結(jié)構(gòu)構(gòu)可由由三種種測(cè)量量方式式來(lái)評(píng)評(píng)價(jià)：：擴(kuò)散層層的結(jié)結(jié)深、、薄層層電阻阻與雜雜質(zhì)分分布。。下圖是是在半半導(dǎo)體體內(nèi)磨磨以凹凹槽并并用溶溶液腐腐蝕去去除表表面，，溶液液會(huì)使使P區(qū)顏色色暗，，因而而描繪繪出結(jié)結(jié)深。。用磨槽槽和染染色法法測(cè)量量結(jié)深深若R0是磨槽槽所用用工具具的半半徑，，則可可得結(jié)結(jié)深：：如果R0遠(yuǎn)大于于a和b，則結(jié)深xj是雜質(zhì)質(zhì)濃度度等于于襯底底濃度度CB時(shí)所在在的位位置。。如果結(jié)結(jié)深和和CB已知，，則只只要擴(kuò)擴(kuò)散分分布遵遵從““兩種種分布布”所所推導(dǎo)導(dǎo)的公公式，，表面面濃度度Cs和雜質(zhì)質(zhì)分布布就能能計(jì)算算出來(lái)來(lái)。方塊電電阻（薄膜電電阻）在擴(kuò)散散薄層層上取取一任任意邊邊長(zhǎng)的的正方方形，，該正正方形形沿電電流方方向所所呈現(xiàn)現(xiàn)的電電阻，，叫方方塊電電阻。。方塊電電阻的的檢測(cè)測(cè)利用圖圖中所所示電電路，，將電電流表表所示示電流流控制制在3毫安以以內(nèi)，，讀出出電壓壓表所所示電電壓，，利用用下式式計(jì)算算：式中常常數(shù)C是由被被測(cè)樣樣品的的長(zhǎng)度度L、寬度度a、厚度度d，以及及探針針間距距S來(lái)確定定，常常數(shù)C可由表表查出出。擴(kuò)散工工藝擴(kuò)散常常見(jiàn)的的質(zhì)量量問(wèn)題題(1)合金點(diǎn)點(diǎn)和破破壞點(diǎn)點(diǎn)：在在擴(kuò)散散后有有時(shí)可可觀察察到擴(kuò)擴(kuò)散窗窗口的的硅片片表面面上有有一層層白霧霧狀的東東西或或有些些小的的突起起。用顯微微鏡觀觀察時(shí)時(shí)前者者是一一些黑黑色的的小圓圓點(diǎn)，，小圓圓點(diǎn)稱稱為合合金點(diǎn)點(diǎn);后者是是一些些黃亮亮點(diǎn)、、透明明的突突起，，透明明突起起稱為為破壞壞點(diǎn)。。雜質(zhì)質(zhì)在這這些缺缺陷處處的擴(kuò)散散速度度特別別快，，造成成結(jié)平平面不不平坦坦，PN結(jié)擊穿穿。(2)表面玻玻璃層層。硼硼和磷磷擴(kuò)散散之后后，往往往在在硅片片表面面形成成一層層硼硅硅玻璃璃或磷磷硅玻玻璃，此此玻璃璃層與與光刻刻膠的的粘附附性極極差，，光刻刻腐蝕蝕時(shí)容容易脫脫膠或或產(chǎn)生生鉆蝕蝕，而而且該玻玻璃層層不易易腐蝕蝕。(3)白霧。。這種種現(xiàn)象象在固固一固固擴(kuò)散散及液液態(tài)源源磷擴(kuò)擴(kuò)散經(jīng)經(jīng)常發(fā)發(fā)生。。主要要原因因是淀淀積二二氧化硅硅層（（含雜雜質(zhì)源源）時(shí)時(shí)就產(chǎn)產(chǎn)生了了或在在磷擴(kuò)擴(kuò)散時(shí)時(shí)磷雜雜質(zhì)濃濃度過(guò)過(guò)高以以及石石英管管中偏磷磷酸產(chǎn)產(chǎn)生大大量的的煙霧霧噴射射在硅硅片表表面，，在快快速冷冷卻過(guò)過(guò)程中中產(chǎn)生生。光光刻時(shí)時(shí)容易造造成脫脫膠或或鉆蝕蝕。(4)方塊電電阻偏偏大或或偏小小。方方塊電電阻的的變化化反映映了擴(kuò)擴(kuò)散到到硅中中的雜雜質(zhì)總總量的的多少少。作業(yè)業(yè)說(shuō)明恒恒定表表面源源擴(kuò)散散和有有限源源擴(kuò)散散的異異同。。9、靜夜四四無(wú)鄰，，荒居舊舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黃黃葉樹(shù)，，燈下白白頭人。。。04:39:1704:39:1704:3912/29/20224:39:17AM11、以我我獨(dú)沈沈久，，愧君君相見(jiàn)見(jiàn)頻。。。12月月-2204:39:1704:39Dec-2229-Dec-2212、故人江海海別，幾度度隔山川。。。04:39:1704:39:1704:39Thursday,December29,202213、乍見(jiàn)翻翻疑夢(mèng)，，相悲各各問(wèn)年。。。12月-2212月-2204:39:1704:39:17December29,202214、他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生白白發(fā)，，舊國(guó)國(guó)見(jiàn)青青山。。。29十十二二月20224:39:17上上午04:39:1712月月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月224:39上上午午12月月-2204:39December29,202216、行動(dòng)出出成果，，工作出出財(cái)富。。。2022/12/294:39:1704:39:1729December202217、做前，能能夠環(huán)視四四周；做時(shí)時(shí)，你只能能或者最好好沿著以腳腳為起點(diǎn)的的射線向前前。。4:39:17上上午4:39上上午04:39:1712月-229、沒(méi)有失失敗，只只有暫時(shí)時(shí)停止成成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多事事情努力力了未必必有結(jié)果果，但是是不努力力卻什么么改變也也沒(méi)有。。。04:39:1704:39:1704:3912/29/20224:39:17AM11、成功就是是日復(fù)一日日那一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)小小努力力的積累。。。12月-2204:39:1704:39Dec-2229-Dec-2212、世間成事事，不求其其絕對(duì)圓滿滿，留一份份不足，可可得無(wú)限完完美。。04:39:1704:39:1704:39Thursday,December29,202213、不知知香積積寺，，數(shù)里里入云云峰。。。12月月-2212月月-2204:39:1704:39:17December29,202214、意志堅(jiān)堅(jiān)強(qiáng)的人人能把世世界放在在手中像像泥塊一一樣任意意揉捏。。29十十二月20224:39:17上午午04:39:1712月-2215、楚塞三三湘接，，荊門九九派通。。。。十二月224:39上午午12月-2204:39December29,202216、少年年十五五二十十時(shí)，，步行行奪得得胡馬馬騎。。。2022/12/294:39:1704:39:1729December202217、空山山新雨雨后，，天氣氣晚來(lái)來(lái)秋。。。4:39:17上上午4:39上上午午04:39:1712月月-229、楊柳散和和風(fēng)，青山山澹吾慮。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、閱讀一切切好書如同同和過(guò)去最最杰出的人人談話。04:39:1704:39:1704:3912/29/20224:39:17AM11、越越是是沒(méi)沒(méi)有有本本領(lǐng)領(lǐng)的的就就越越加加自自命命不不凡凡。。12月月-2204:39:1704:39Dec-2229-Dec-2212、越越是是無(wú)無(wú)能能的