扩散原理及工艺培训

扩散 超日 洛阳 2 晶体和硅 晶体 晶体的重要特点是组成晶体的原子 分子 离子按一定规则周期排列着的 任一晶体都可以看成由微观粒子在三维空间按一定规则周期重复性排列所构成 晶体可以分为单晶体和多晶体 晶格 晶体的周期性结构称为晶体格子 简称晶格 单晶体 如果整个晶体是由单一的晶格连续组成 这种晶体称为单晶体 多晶体 如果一个晶体是由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成 成为多晶体 3 半导体 电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质 按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体 如硅和锗是最常见的元素半导体 元素半导体都是晶体 半导体的特性 a 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 b 向纯净的半导体中掺入杂质 会使它的导电能力明显改变 扩散就是向纯净的半导体中掺入杂质 以获得人们需要的导电性能 4 硅 硅是最常见的半导体 元素周期表号是14 因此最外层有4个电子 不易得电子也不易失电子 化学性质比较稳定 太阳能电池是用半导体硅做成的 在硅晶体中 原子按四角形系统组成晶体点阵 每个原子都处在正四面体的中心 而四个其它原子位于四面体的顶点 每个原子与其相临的原子之间形成共价键 共用一对价电子 共价键共用电子对 5 PN结 其实纯净的半导体硅是没有大的实用价值 只有通过对其掺入不同杂质 使其导电性能发生改变 从而获得人们所需的性能 半导体才有其真正的实用价值 没有掺杂的半导体称为本征半导体 掺入杂质的半导体称为杂质半导体或非本征报导体 通常掺杂都是掺入三族或五族元素 使其成为P positive 型或N negative 型半导体 6 P型半导体 向本征半导体中掺入硼等三族元素 使载流子主要为导电空穴的半导体 N型半导体 向本征半导体中掺入磷等五族元素 使载流子主要为自由电子的半导体 导电空穴 自由电子 束缚电子 7 一 N型半导体 在硅晶体中掺入少量的五价元素磷 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 磷原子的最外层有五个价电子 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键 必定多出一个电子 这个电子几乎不受束缚 很容易被激发而成为自由电子 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子 每个磷原子给出一个电子 称为施主原子 8 多余电子 磷原子 N型半导体中的载流子是什么 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 9 二 P型半导体 空穴 硼原子 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 10 太阳能电池的心脏是一个PN结 需要强调的是 PN结不是简单地将两块不同类型的半导体连接在一起 要制造一个PN结 必须使一块完整的晶体硅的一部分是P型区域 另一部分是N区域 也就是在晶体内实现P型和N型半导体的接触 我们制造PN结 实质上是想办法使P型杂质在半导体晶体内部的一个区域占优势 而使N型杂质在半导体内部的另一个区域占优势 这样就在一块完整的半导体体硅中实现了P型和N型半导体的接触 我们用的硅片都是P型衬底的硅片 扩散是向硅片表面内掺入五族元素磷 使其在衬底和扩散面接触处形成PN结 11 12 太阳电池工作原理 太阳电池的工作原理是半导体的光电效应 光电效应 在光的照射下 使物体中的电子逸出的现象叫做光电效应 Photoelectriceffect 13 金属材料发射的光电子数和照射发光强度成正比 仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时 物体才能发出光电子 这个频率叫做极限频率 或叫做截止频率 相应的波长 太阳电池的工作过程吸收光子 产生电子空穴对电子空穴对被内建电场分离 在PN结两端产生电势将PN结用导线连接 形成电流在太阳电池两端连接负载 实现了将光能向电能的转换 14 PN结的作用及太阳能电池工作原理 当适当波长的光照射到半导体系统上 系统吸收光能后在两端产生电动势 这种现象称为光生伏特效应 当光照在由P型N型两种导电类型的半导体材料构成的PN结上 在一定的条件下 光能被半导体吸收后 产生了非平衡载流子 电子和空穴 由于PN结在势垒区存在较强的内建电场 因而产生在势垒区中的非平衡载流子电子和空穴 或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子空穴对 在内建电场的作用下 各自相反方向运动 离开势垒区 结果使P区电势升高 N区电势降低 PN结两端产生光生电动势 由于光照产生的非平衡载流子各向相反的方向漂移 从而在内部构成自N区流向P区的光生电流 如果将外电路与PN结连通 只要光照不停止就会不断有电流流过电路 PN结起了电源的作用 这就是太阳电池的原理 15 扩散和扩散工艺控制 扩散是微观粒子 原子 分子等 的一种极为普遍的热运动形式 运动的结果使浓度分布趋于均匀 半导体行业中的扩散工艺 简称扩散 是将一定数量的某种杂质掺入到硅晶体中或其他半导体晶体中去 以改变电学性质 并使掺入的杂质数量 分布形式和浓度等满足要求 间隙式扩散 存在于晶格间隙的杂质称为间隙式杂质 间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置的运动称为间隙式扩散 主要是那些半径较小 且不容易和硅原子键合的原子替位式扩散 占据晶格位置的外来原子称为替位式杂质 替位式杂质从一个晶格位置到另一个晶格位置称为替位式扩散 16 扩散与扩散的分布 扩散的方式主要有两种 恒定表面扩散和有限表面扩散 扩散的步骤 第一步扩散源由载气到达气相 固相界面面 杂质由气相 固相界面由扩散运动进入到二氧化硅层 事先进行了二氧化硅生长 第二步当杂质运动到硅 二氧化硅界面时 再由扩散运动扩散到硅中 17 为了同时满足表面浓度 杂质数量和结深等方面的要求 实际生产中采用的扩散方法是上述的两步扩散 其中第一步成为预扩或预淀积 第二步成为主扩或再分布 有两步扩散机理可以看出 扩散的速度和两个因素有关 首先 与和载气的速度有关 扩散到硅中的杂质是由二氧化硅中的杂质得到 所以扩散到二氧化硅中的杂质越快 扩散到硅中的速度也就越快 其次 与二氧化硅的厚度有关 不难看出 二氧化硅越厚 杂质进行疏运的路程越长 扩散的速度越慢 相反 二氧化硅厚度越薄 扩散的速度就越快 18 19 扩散控制 扩散可以通过时间 温度和浓度进行控制 1 刚开始进管的温度 进管时硅片热胀 温度变化过快 容易造成裂纹 温度越高越容易造成裂纹 2 进管结束的温度 进管结束后我们要开始通各种气体 特别是通源POCL3的分解温度 650度 所以在通源前要保证扩散管里的实际温度超过700度 确保POCL3能够充分的分解 并且确保在规定的时间内达到扩散温度 否则整个扩散工艺的时间就会超过产能的要求 3 沉积的温度 沉积的温度一般都是从低到高变化 特别注意沉积结束时的温度不能太低 否则升温到扩散的温度就需要更多的时间4 扩散的温度 扩散的温度与表面的掺杂的磷的浓度有直接的关系 并且体内的杂质的沉积会随着温度的变化而变化 温度设定不能太高 5 退管前的温度 硅片在降温过程中也容易造成碎片拉恒温面板上面的设定温度与实际温度都是扩散炉内温度测试 只是起到控制与保护的作用 真正可以看出实际温度的是我们热电偶测试的温度值 为了减少通过后面热电偶测试的麻烦 所以我们一般都通过拉恒温将面板上的温度与热电偶测试的温度对应起来 又由于工作温度是的温度最重要 所以拉恒温时的温度一般都选定在扩散的温度 且拉恒温时将面板设定的温度设定成一致 减少不同温区间的相互影响 拉恒温结束后要将原来工艺号上的温度进行更改并且跟踪方块电阻的变化 一般情况下1个月要对温度进行校准 20 氧化增强扩散 与中性气氛相比 杂质硼磷在氧化气氛中的扩散存在明显增强 这种现象称为氧化增强扩散 21 硅氧化时 在Si SiO2界面附近产生了大量的间隙硅原子 这些过剩的间隙硅原子在向硅内扩散的同时 不断与空位复合 使这些过剩的间隙硅原子的浓度随深度而降低 但在表面附近 过剩的间隙硅原子可以和替