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電類型雜質擴散。這樣的同質高濃度擴散，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電類型，制造PN結。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)計結果。在一定溫度下雜質原子具有一定的能量，能夠克服某種阻力進入半導體，并在其中作緩慢的遷移運動。一擴散定義在高溫條件下，利用物質從高濃度向低濃度運動的特性，將雜質原子以一定的可控性摻入到半導體

2、中，改變半導體基片或已擴散過的區(qū)域的導電類型或表面雜質濃度的半導體制造技術，稱為擴散工藝。二擴散機構雜質向半導體擴散主要以兩種形式進行：1替位式擴散一定溫度下構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間隙式擴散構成晶體的原子間往往存在著很大間隙，有些雜質原子進入晶體后，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。金、銅、銀等屬此種擴散。三 擴散方程

3、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。其運動規(guī)律可用擴散方程表示，具體數(shù)學表達式為： （3-1）在一維情況下，即為： （3-2）式中：D為擴散系數(shù)，是描述雜質擴散運動快慢的一種物理量；N為雜質濃度；t為擴散時間；x為擴散到硅中的距離。四擴散系數(shù)雜質原子擴散的速度同擴散雜質的種類和擴散溫度有關。為了定量描述雜質擴散速度，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： （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8.02310-5ev/K；T 絕對溫度，單位用“K”表示；有關擴散過程的激活能，實際上就是雜質原子擴散時

4、所必須克服的某種勢壘。擴散系數(shù)除與雜質種類、擴散溫度有關，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NB及擴散雜質的表面濃度NS等有關。五擴散雜質分布在半導體器件制造中，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。二步法擴散分預沉積和再分布兩步。一步法與二步法中的預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程中，硅片的表面與濃度始終不變的雜質（氣相或固相）相接觸，即在整個擴散過程中硅片的表面濃度NS保持恒定，故稱為恒

5、定源擴散。恒定源擴散的雜質濃度分布的表達式是： （3-4）式中：表示雜質濃度隨雜質原子進入硅體內(nèi)的距離及擴散時間t的變化關系；NS為表面處的雜質濃度；D為擴散系數(shù)。erfc為余誤差函數(shù)。因此恒定源擴散雜質濃度分布也稱余誤差分布。圖3-1為恒定源擴散雜質分布示意圖：從圖上可見，在不同擴散時間表面濃度NS的值不變。也就是說，NS與擴散時間無關，但與擴散雜質的種類、雜質在硅內(nèi)的固溶度和擴散溫度有關。硅片內(nèi)的雜質濃度隨時間增加而增加，隨離開硅表面的距離增加而減少。圖中NB為襯底原始雜質濃度，簡稱襯底濃度，其由單晶體拉制時雜質摻入量決定。由恒定源擴散雜質分布表達式中可知道，當表面濃度NS、雜質擴散系數(shù)D

6、和擴散時間t三個量確定以后，硅片中的雜質濃度分布也就確定。經(jīng)過恒定源擴散之后進入硅片單位面積內(nèi)的雜質原子數(shù)量可由下式給出： （35）式中：Q為單位面積內(nèi)雜質原子數(shù)或雜質總量。2限定源擴散在限定源擴散過程中，硅片內(nèi)的雜質總量保持不變，它沒有外來雜質的補充，只依靠預沉積在硅片表面上的那一層數(shù)量有限的雜質原子向硅內(nèi)繼續(xù)進行擴散，這就叫限定源擴散或有限源擴散。其雜質濃度分布表達式為： （36）式中的為高斯函數(shù)，故這種雜質分布也叫高斯分布。圖3-2是限定源擴散雜質分布示意圖。由于擴散過程中雜質總量保持不變，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，一方面雜質擴散進硅片內(nèi)部的深度逐

7、漸增加；另一方面，硅片表面的雜質濃度將不斷下降。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。在“氧化工藝”中曾經(jīng)分析過，由于熱氧化，在再分布時雜質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；并且應當利用這些規(guī)律來精確的控制再分布的雜質表面濃度。第二節(jié) 擴散條件擴散條件選擇，主要包括擴散雜質源的選擇和擴散工藝條件的確定兩個方面。一擴散源的選擇選取什么種類的擴散雜質源，主要根據(jù)器件的制造方法和結構參數(shù)確定。具體選擇還需要遵循如下原則：1 導電類型與襯底相反；2 先擴散的擴散系數(shù)要比后擴散的??；3 雜質與掩模之間的配合要協(xié)調，擴散系數(shù)在硅中要比在掩模中大得

8、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源；5 在硅中的固溶度要高于所需要的表面雜質濃度；6 毒性小，便于工藝實施。從雜質源的組成來看，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分布，使器件具有合理的表面濃度和結深，而這也是確定工藝條件的主要依據(jù)。此外如何使擴散結果具有良好的均勻性、重復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。對淺結器件一般選低些；對很深的PN結選高些。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時間調節(jié)工藝時間往往是調

9、節(jié)工藝參數(shù)的主要手段，擴散時間的控制應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。一擴散結深結深就是PN結所在的幾何位置，它是P型與N型兩種雜質濃度相等的地方到硅片表面的距離，用表示，單位是微米（）其表達式為： （3-7）式中A是一個與NS、NB等有關的常數(shù)，對應不同的雜質濃度分布，其表達式不同。余誤差分布時： （3-8）高斯分布時： （3-9）這里erfc-

10、1為反余誤差函數(shù)，可以查反余誤差函數(shù)表。為以e為底的自然對數(shù)，可以查自然對數(shù)表。此外，A也可以通過半導體手冊A曲線表直接查出。實際生產(chǎn)中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R或RS，其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可推出薄層電阻表達式為： （3-10）式中：、分別為薄層電阻的平均電阻率和電導率。為區(qū)別于一般電阻，其單位用/表示。由于： （3-11） q為電子電荷量，為平均雜質濃度，為平均遷移率。RS可變換為： （3-12）式中：為單位表面積擴散薄層內(nèi)的凈雜質總

11、量Q。可見，方塊電阻與方塊內(nèi)凈雜質總量成反比。方塊電阻不僅十分直觀地反映了雜質在擴散過程中雜質總量的多少，還可以結合結深方便地算出擴散后的平均電阻率或平均電導率。實際生產(chǎn)中，RS(R)用四探針測試儀測量。三表面雜質濃度擴散后的表面雜質濃度NS是半導體器件設計制造和特性分析的一個重要結構參數(shù)，它可以采取放射性示蹤技術通過一些專門測試儀器直接測量，但是實際生產(chǎn)中是先測出結深和方塊電阻R，再用計算法或圖解法間接得出。1計算法若已知擴散預沉積雜質擴散系數(shù)為D1，擴散時間t1，預沉積后表面濃度為NS1，再擴散的擴散系數(shù)D2，擴散時間t2,忽略再分布時的雜質分凝效應，如何利用有關公式，計算求出再擴散后表面

12、雜質濃度NS2？（提示：表面處）計算步驟如下：再擴散雜質濃度遵循了高斯分布。根據(jù)公式（3-6），且考慮到，于是有：？由于忽略分凝效應，再擴散時雜質總量等于預沉積后的雜質總量。預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)雜質總量為：？代入上式即可得到 （313）事實上表達式（3-13）也就是一個常用的擴散雜質濃度計算公式。如果不忽略表面氧化層分凝效應，則磷擴散時實際表面濃度應高于（3-13）計算結果；反之若是硼擴散，實際表面濃度比計算數(shù)據(jù)要低。2圖解法半導體手冊上都能方便地查到不同襯底雜質濃度NB下不同雜質分布的表面濃度NS與平均電導率的關系曲線。通過測出的RS和能得

13、到： （3-14）襯底材料電阻率往往是已知的，從而可用手冊上NB曲線查出襯底濃度NB。當然也可以根據(jù)經(jīng)驗公式： （3-15）算出NB。有了和NB，只要知道雜質分布類型（恒定源還是限定源擴散），就可以通過和已知襯底濃度NB相應的那組曲線，查到從表面（）到結（x）之間任意一點x處的雜質濃度。第四節(jié) 擴散方法擴散方法很多。常用的主要有：液態(tài)源擴散氣固擴散 粉態(tài)源擴散片狀源擴散擴散法: 乳膠源擴散 固固擴散 CVD摻雜擴散PVD蒸發(fā)擴散這是以擴散中雜質源與硅片（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；按雜質本來形態(tài)分有固態(tài)源、液態(tài)源、氣態(tài)源三

14、種。生產(chǎn)中習慣以雜質源類型來稱呼擴散方法。一氣固擴散液態(tài)或固態(tài)擴散雜質源最終呈現(xiàn)氣態(tài)，與固態(tài)硅表面接觸實現(xiàn)雜質擴散，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）把雜質源蒸氣帶入高溫石英管中，經(jīng)高溫熱分解同硅片表面發(fā)生反應，還原出雜質原子并向硅內(nèi)擴散。液態(tài)源擴散的優(yōu)點是PN結均勻平整，成本低，效率高，操作方便，重復性好。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，源蒸氣與硅反應生成含雜質的氧化層，

15、再進行高溫雜質擴散。由于這種方法存在很大局限性，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（Sb2O3）。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)分別控制雜質蒸氣壓和主擴散，所以能使用純Sb2O3粉狀源而避免了箱法擴散中燒源的麻煩，雜質源置于低溫區(qū)，Si片放在高溫區(qū)，預沉積時N2攜帶Sb2O3蒸氣由低溫區(qū)進入高溫區(qū)沉積于硅片表面，再進行反應生成銻向硅中擴散。再分布時將源舟取出。反應方程式為：（2）平面片狀源 把片狀雜質源（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N2保護，利用雜質源表面。揮發(fā)出來的雜質蒸氣

16、，濃度梯度，在高溫下經(jīng)過一系列化學反應，雜質原子向片內(nèi)擴散，形成PN結。二固固擴散雜質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（化學氣相沉積CVD；物理氣相沉積PVD）或者涂布一層雜質或摻雜氧化物，再通過高溫實現(xiàn)雜質向硅中的擴散。（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。一層具有一定雜質含量的二氧化硅薄膜作為第二步擴散時的雜質源；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400以下低溫下完成，所以引進有害雜質Na+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

17、） 蒸發(fā)源擴散采用物理氣相沉積的方法，先在硅片背面蒸發(fā)上一層雜質源金，然后再放進爐中擴散。這是開關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，提高開關速度。開關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

18、介紹，以避免與氧化雷同。第五節(jié) 擴散質量及常見質量問題擴散質量對半導體器件芯片的好壞有著決定性影響，其具體體現(xiàn)在表面質量、擴散結深、方塊電阻和表面雜質濃度幾個方面。在第三節(jié)中我們曾經(jīng)就，R和NS進行了較為詳細的介紹，下面對有關擴散工藝中常見的一些質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 硅片表面滑移線或硅片彎曲： 是由

19、高溫下的熱應力引起，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е隆? 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一定程度上反映了擴散到Si片中的雜質總量的多少，與器件特性密切相關。攜源N2中有較多的水份和氧氣，Si片進爐前未烘干；雜質源中含水量較多，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擴散；擴散源使用時間過長，雜質量減少或源變質；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，擴散雜質總量不夠等等原因會造成R偏大。相反，雜質蒸氣壓過大，溫度偏高，

20、時間過長會導致R偏小。如果在預沉積時發(fā)現(xiàn)R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整，而這正是兩步法擴散的一大優(yōu)點。三結特性參數(shù)異常擴散工藝過程中要測單結和雙結特性。根據(jù)單結和雙結測試情況及時改變工藝條件。測單結主要看反向擊穿電壓和反向漏電流；測雙結主要為調電流放大參數(shù)hFE。（1）PN結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，增大了反向漏電流。硅片表面上沾污有重金屬雜質，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，嚴格清洗工藝，保證擴散系統(tǒng)清潔，保證氣