第三章扩散工艺6

1、 n扩散是微观粒子（原子、分子等）的一种极为普遍扩散是微观粒子（原子、分子等）的一种极为普遍 的的热运动形式热运动形式，运动结果使浓度分布趋于均匀。，运动结果使浓度分布趋于均匀。 条件条件： 浓度差浓度差 热运动存在热运动存在 n集成电路制造中的固态扩散工艺简称集成电路制造中的固态扩散工艺简称扩散扩散，是将一是将一 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、体中去，以改变电学性质，并使掺入的杂质数量、 分布形式和深度等都满足要求。分布形式和深度等都满足要求。 n扩散是掺杂的一种方法扩散是掺杂的一种方法。

2、 3.1 杂质的扩散机构杂质的扩散机构 n主要可分为以下两种机构，主要可分为以下两种机构， 替位式式扩散替位式式扩散和和间隙式扩散间隙式扩散。 n存在于晶格间隙的杂质称为存在于晶格间隙的杂质称为间隙式杂质间隙式杂质 n间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位 置上的运动称为置上的运动称为间隙式扩散间隙式扩散 间隙式杂质间隙式杂质 间隙式杂质主间隙式杂质主 要是半径小、且不要是半径小、且不 容易和硅原子键合容易和硅原子键合 的原子，它们以的原子，它们以间间 隙方式隙方式在晶体中作在晶体中作 扩散运动。扩散运动。 n占据晶体内晶格格点上的正常位置的杂质原子，称占

3、据晶体内晶格格点上的正常位置的杂质原子，称 替位杂质替位杂质 n替位杂质从一个晶格位置运动到另一个晶格位置上替位杂质从一个晶格位置运动到另一个晶格位置上 称为称为替位式扩散替位式扩散 n替位杂质的近邻晶格上出现空位，替位杂质才能比替位杂质的近邻晶格上出现空位，替位杂质才能比 较容易的运动到近邻空位上。当近邻没有空位时，较容易的运动到近邻空位上。当近邻没有空位时， 通过通过换位换位才能实现替位杂质从一个晶格位置运动到才能实现替位杂质从一个晶格位置运动到 另一个晶格位置上，这种换位会引起周围晶格发生另一个晶格位置上，这种换位会引起周围晶格发生 很大的畸变，需要相当大的能量，这个过程是难以很大的畸变

4、，需要相当大的能量，这个过程是难以 实现的。实现的。 n替位杂质的运动同间隙杂质相比一般来说更困难替位杂质的运动同间隙杂质相比一般来说更困难 3.2 扩散系数与扩散方程扩散系数与扩散方程 n扩散是随机跳动产生的原子运动，如果扩散是随机跳动产生的原子运动，如果 存在存在杂质浓度梯度杂质浓度梯度则将产生杂质的则将产生杂质的净扩净扩 散流。散流。 n决定扩散运动重要因素：决定扩散运动重要因素： 浓度差、温度、粒子大小、晶体结构、浓度差、温度、粒子大小、晶体结构、 缺陷浓度以及粒子运动方式缺陷浓度以及粒子运动方式 n扩散的结果：扩散的结果： 粒子浓度趋于平衡粒子浓度趋于平衡 n3.2.1 菲克第一定律

5、菲克第一定律 1855年，菲克（年，菲克（Fick）提出描述物质扩散的第一定律）提出描述物质扩散的第一定律, 他认为他认为, 如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度 ，则杂质将会产生，则杂质将会产生 扩散运动，而且扩散方向是指向浓度低的方向。扩散运动，而且扩散方向是指向浓度低的方向。 菲克第一定律：菲克第一定律： 杂质的扩散流密度正比于杂质浓度梯度杂质的扩散流密度正比于杂质浓度梯度 扩散粒子密度扩散粒子密度J： 单位时间通过单位面积的杂质数单位时间通过单位面积的杂质数 D为扩散系数，单位是为扩散系数，单位是cm2/s C(x,t)杂质浓度杂质浓度 负号表示

6、粒子是从浓度高向浓度低处扩散即逆浓度梯度的方向负号表示粒子是从浓度高向浓度低处扩散即逆浓度梯度的方向 而扩散而扩散 x C D) t , x( J x C 3.2.2扩散系数扩散系数D n表征扩散能力的重要参数。表征扩散能力的重要参数。 它的数值越大，表示扩散得越快，在相同它的数值越大，表示扩散得越快，在相同 时间内，在晶体中扩散得越深其数学表达式时间内，在晶体中扩散得越深其数学表达式 为：为： D=D0exp（-E/kT） 式中式中 ： E扩散过程中的激活能，实际上就是杂质原子扩散扩散过程中的激活能，实际上就是杂质原子扩散 时所必须克服的某种势垒。时所必须克服的某种势垒。 D0 ：温度：温度

7、T为无穷大时，扩散系数为无穷大时，扩散系数D的表观值。的表观值。 k ：玻耳兹曼常数，其值为：玻耳兹曼常数，其值为：8.62 10-5ev/0k T：绝对温度（：绝对温度（ k）。）。 几种杂质在硅中的几种杂质在硅中的D0和和 E的数值的数值 杂质元素杂质元素D D0 0（cmcm2 2/s/s） E E（evev）适用的温度范围（适用的温度范围（ C C） 砷砷 （AsAs）68686 64 423231000100013501350 锑锑 （SbSb）12129 93 398981190119013981398 磷磷 （P P ）10105 53 3969690090013001300 硼

8、硼 （B B ）25253 351511050105013501350 铝铝 （AlAl）4 48 83 336361050105013801380 镓镓 （GaGa）4 412121130113013581358 铟铟 （InIn）16165 53 390901105110513601360 碳碳 （C C ）0 033332 292921070107014001400 铜铜 （CuCu）4 4 10-10-2 21 10 080080011001100 银银 （AgAg）2 20 0 1010-3 -3 1 160601100110013501350 金金 （AuAu）1 11 1 101

9、0-3 -3 1 1121280080012001200 铁铁 （FeFe）6 62 2 1010-3 -3 0 087871100110012601260 锂锂 （LiLi）2 25 5 1010-3 -3 0 0655655252513501350 D=D0exp（-E/kT） n温度越高，扩散系数温度越高，扩散系数D越大，杂质在硅越大，杂质在硅 中的扩散就进入得越快。中的扩散就进入得越快。 n温度温度一定，不同杂质在同一种材料中的一定，不同杂质在同一种材料中的 D不同的，同一种杂质在不同材料中的不同的，同一种杂质在不同材料中的D 不同的。不同的。 n同时，同时，D还与衬底晶向，晶格完整性

10、，还与衬底晶向，晶格完整性， 衬底材料的本征浓度、扩散杂质的表面衬底材料的本征浓度、扩散杂质的表面 浓度有关浓度有关 3.2.3 扩散方程（扩散方程（第二菲克定律第二菲克定律） 我们分析一下一维情况下，沿扩散方向，从我们分析一下一维情况下，沿扩散方向，从x到到x+x,面积面积 为为S的一个小体积元内的杂质数量随时间的变化情况。的一个小体积元内的杂质数量随时间的变化情况。 在在t时刻，设体积元内的杂质浓度为时刻，设体积元内的杂质浓度为C(x,t) 在在t+t时刻，设体积元内的杂质浓度为时刻，设体积元内的杂质浓度为C(x,t+t) 经过经过t，该体积元内杂质变化量为：，该体积元内杂质变化量为： C

11、(x,t)Sx- C(x,t+t)Sx= -C(x,t+t)- C(x,t)Sx （3-10） 经过经过t，该体积元内杂质变化量是由通过，该体积元内杂质变化量是由通过x处和处和 x+x处两界面处两界面 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） J2 x x+xx s s J1 n如果体积元内的杂质不产生也不消失，则如果体积元内的杂质不产生也不消失，则 （3-10）=（3-11）有）有 2 2 x ) t , x(C D t ) t , x(C 第二菲克定律：描述了杂质浓度随时间变化的规律第二菲克定律：描

12、述了杂质浓度随时间变化的规律 扩散方程：扩散方程： x ) t , x( J t ) t , x(C ) ),( ( ),( x txC D xt txC (3-12)(3-12) (3-13)(3-13) (3-14)(3-14) 3.3 扩散杂质的分布扩散杂质的分布 n由扩散方程以及边界条件和初始条件不由扩散方程以及边界条件和初始条件不 同，扩散方程的解不同，杂质在硅中的同，扩散方程的解不同，杂质在硅中的 分布也不同。分布也不同。 n目前，扩散分布主要有两种：目前，扩散分布主要有两种： 恒定表面源扩散、有限表面源扩散恒定表面源扩散、有限表面源扩散 3.3.1恒定表面源扩散恒定表面源扩散 n

13、在整个扩散过程中，硅片表面始终暴露在在整个扩散过程中，硅片表面始终暴露在 具有恒定而均匀的杂质源的气氛里。即表具有恒定而均匀的杂质源的气氛里。即表 面的杂质浓度面的杂质浓度Ns始终不变。始终不变。 n边界条件边界条件: C（0，t）=Cs x=0 n初始条件：在扩散的开始时间初始条件：在扩散的开始时间(t=0）,除了除了 Si表面（表面（x=0）与杂质气体接触外，）与杂质气体接触外，Si片片 内部各点都没有杂质扩进去，即内部各点都没有杂质扩进去，即 C（x，0）= 0 t=0 得到方程组：得到方程组： C（0，t）=Cs x=0 C（x，0）=0 t=0 dx x C Ddx t C 2 2

14、Dt x erfcC Dt x erfCdeCtxC SS Dt x S 2 ) 2 1 ( 2 1 (),( 2 0 2 解得：解得： 式中Cs为Si表面浓度，为常数 表示。为余误差函数用 表示，为误差函数用符号 Dt x erfc Dt x erf Dt x erfde Dt x 22 1 2 2 2 0 2 n恒定表面源扩散在恒定表面源扩散在 硅片内部形成的杂硅片内部形成的杂 质分布是余误差函质分布是余误差函 数分布。当表面杂数分布。当表面杂 质浓度质浓度Cs，杂质扩，杂质扩 散系数散系数D，以及扩，以及扩 散时间散时间T确定时，确定时， 杂质的扩散分布也杂质的扩散分布也 就确定了就确定

15、了. 恒定表面源扩散的特点恒定表面源扩散的特点 n1.杂质分布形式：杂质分布形式： Cs一定的情况下，一定的情况下， 扩散的时间越长，杂质扩散的时间越长，杂质 扩散就越深，扩到硅片扩散就越深，扩到硅片 内部的杂质也越多。内部的杂质也越多。 图中各曲线下面所围图中各曲线下面所围 的面积，可直接反映硅的面积，可直接反映硅 片内的杂质总量片内的杂质总量。 Dt x d Dt x erfcDtCdx Dt x erfcCdxtxCQ SS 22 2 2 ),( 000 DtC Dt CQ SS 13. 12 3.193.19 n恒定表面源扩散其表面杂质浓度恒定表面源扩散其表面杂质浓度CsCs, , 基

16、本上由该杂质在扩散温度基本上由该杂质在扩散温度900-900- 12001200下的下的固溶度所决定固溶度所决定。 n固溶度是指杂质在一定温度下能够固溶度是指杂质在一定温度下能够 溶入固体硅中的最大浓度。溶入固体硅中的最大浓度。 n在固溶度范围内在固溶度范围内, ,随着时间的增长随着时间的增长, , 进入基片的杂质也不断增多进入基片的杂质也不断增多 n杂质的杂质的最大固溶度最大固溶度给杂质扩散的表给杂质扩散的表 面杂质浓度面杂质浓度CsCs设置了上限设置了上限 n900-1200900-1200固溶度固溶度随温度变化不大随温度变化不大, , 很难通过温度控制很难通过温度控制表面杂质浓度表面杂质

17、浓度CsCs n如果扩散所要求的表面杂质浓度大如果扩散所要求的表面杂质浓度大 于某杂质元素在于某杂质元素在SiSi中的最大固溶度，中的最大固溶度， 那么就无法用这种元素来获得所希那么就无法用这种元素来获得所希 望的杂质分布。望的杂质分布。 几种在硅中的固容度几种在硅中的固容度 2.结深：结深： 如果扩散杂质与衬底原有的导电类型不同，则在两如果扩散杂质与衬底原有的导电类型不同，则在两 种杂质浓度相等处形成种杂质浓度相等处形成pn结，其结的位置结，其结的位置Xj即结深。即结深。 Dt x CserfctxC 2 ),( Bj CtxCxx），（时当 )1 (2 1 S B C C erfcA Dt

18、Ax j 结深是工艺的一个重要参数，由上式可以看结深是工艺的一个重要参数，由上式可以看 到到X Xj j与扩散系数与扩散系数D D和扩散时间和扩散时间t t的平方根成正比的平方根成正比 A A是仅与是仅与C CB B/Cs/Cs有关的常有关的常 数数 3.203.20 3.杂质浓度梯度杂质浓度梯度 ) ),( 4 , 2 Dt x s tx e Dt C x txC 3.213.21 梯度受梯度受Cs,tCs,t和和D D的影响，改变其中某个量，使浓度梯度满足要求的影响，改变其中某个量，使浓度梯度满足要求 p-np-n结处梯度为：结处梯度为： s B s B j s x C C erfc C

19、C erfc x C x txC j 12 )exp( 12),( 3.223.22 在在CsCs和和C CB B 一定的情况下一定的情况下,p-n,p-n结越深结越深, ,在结处的杂质浓度梯度越小在结处的杂质浓度梯度越小 3.3.2 有限表面源扩散有限表面源扩散 如果扩散之前在硅片表面淀积一层杂如果扩散之前在硅片表面淀积一层杂 质，在整个扩散过程中这层杂质作为扩散质，在整个扩散过程中这层杂质作为扩散 的杂质源的杂质源,不再有新源补充，这种扩散方不再有新源补充，这种扩散方 式称式称有限源扩散有限源扩散。 扩散方程的解和分布曲线扩散方程的解和分布曲线 n边界条件：由于扩散过程中，没有外来杂质补边

20、界条件：由于扩散过程中，没有外来杂质补 充，在充，在Si片表面（片表面（X=0处）的杂质浓度处）的杂质浓度 n初始条件：初始条件： SiSi片内的杂质总量保持不变片内的杂质总量保持不变 C C C C C C C CC C 求解可以得有限源扩散方程的解求解可以得有限源扩散方程的解 的表达式为：的表达式为： Dt x e Dt Q txC 4 2 ),( 式中式中Q Q：扩散前存在于：扩散前存在于SiSi片表面无限薄层内，单位表面积的片表面无限薄层内，单位表面积的 杂质总量，扩散过程中杂质总量，扩散过程中Q Q为常为常数。数。 Dt x e 4 2 高斯函数，上式所描绘的杂质分布称为高斯分布。高

21、斯函数，上式所描绘的杂质分布称为高斯分布。 有限源扩散的特点有限源扩散的特点 1.杂质分布形式：杂质分布形式： 在整个扩散过程中在整个扩散过程中,Si片片 内的杂质总量保持不变，内的杂质总量保持不变，没没 有外来杂质补充，只依靠扩有外来杂质补充，只依靠扩 散前在散前在Si片表面上已淀积了片表面上已淀积了 那一薄层内有限数量的杂质那一薄层内有限数量的杂质 原子原子,向硅片体内扩散。随着向硅片体内扩散。随着 扩散时间的增长扩散时间的增长,表面杂质浓表面杂质浓 度不断下降度不断下降,并不断地向内部并不断地向内部 推进扩散推进扩散,这时表面杂质浓度这时表面杂质浓度 与扩散杂质深度都在发生变与扩散杂质深

22、度都在发生变 化化,由此可确定。由此可确定。 有限表面源扩散表面浓度计算有限表面源扩散表面浓度计算 nSiSi表面（表面（X=0X=0处）杂质浓度处）杂质浓度 可见可见C C与与CsCs成正比，与成正比，与D D，t t的平方根成反比。的平方根成反比。 n有限表面源扩散杂质分布形式有限表面源扩散杂质分布形式 C C C CC C Dt x e Dt Q txN 4 2 ),( C C Dt x s Dt x etCe Dt Q txC 44 22 )(),( D D愈大（扩散温度越高）愈大（扩散温度越高）t t愈长，愈长，CsCs则愈低。则愈低。 2.结深结深 2 1 )(ln2 B S C

23、C A DtAx j C CS S（x,tx,t）= = C CB B x=xj 3.30 A与与Cs/CB 有关有关 ，如图，如图3.7 在杂质分布形式相同的情况下在杂质分布形式相同的情况下CB越大，结深越浅越大，结深越浅 np-n结处梯度为：结处梯度为： 3.杂质浓度梯度杂质浓度梯度 ),( 2 ),( , txC Dt x x txC tx 3.32 B B j s x CCs CCs x C x txC j / )/ln(2),( n杂质浓度梯度将随扩散深度的增加而减小杂质浓度梯度将随扩散深度的增加而减小 两步扩散的意义两步扩散的意义 为什么一般都采用为什么一般都采用“两步扩散工艺两步

24、扩散工艺” n对于限定源扩散来说，其特点是在整个扩散过程中，对于限定源扩散来说，其特点是在整个扩散过程中， 杂质总量保持不变，而随扩散时间的增长，表面浓杂质总量保持不变，而随扩散时间的增长，表面浓 度不断下降，扩散深度不断加深，因此，采用有限度不断下降，扩散深度不断加深，因此，采用有限 表面源扩散时，既能表面源扩散时，既能控制表面浓度又能控制扩散深控制表面浓度又能控制扩散深 度。度。 n但采用有限源扩散时，扩散前必须在但采用有限源扩散时，扩散前必须在Si片表面沉积片表面沉积 足够量的杂质源，并且必须具有较高的表面浓度，足够量的杂质源，并且必须具有较高的表面浓度， 才能使限定源扩散获得符合要求的

25、表面浓度和扩散才能使限定源扩散获得符合要求的表面浓度和扩散 深度。实践表明，深度。实践表明，采用恒定表面浓度扩散即能比较采用恒定表面浓度扩散即能比较 准确地控制扩散硅表面的杂质总量，又能获得高的准确地控制扩散硅表面的杂质总量，又能获得高的 表面浓度并且操作方便表面浓度并且操作方便。因此，在当前硅平面器件。因此，在当前硅平面器件 工艺中普遍采用两步扩散工艺。工艺中普遍采用两步扩散工艺。 两步扩散的意义两步扩散的意义 n预淀积（预淀积（恒定表面扩散恒定表面扩散）的主要目的是）的主要目的是 为了控制扩散入为了控制扩散入Si片表面的杂质总量，片表面的杂质总量， 为第二步的再分布创造必要的条件。为第二步

26、的再分布创造必要的条件。 n再分布（再分布（有限表面源扩散有限表面源扩散）的目的，是）的目的，是 控制整个扩散的表面浓度和结深，使它控制整个扩散的表面浓度和结深，使它 符合器件设计要求。符合器件设计要求。 3.5 扩散工艺扩散工艺 n按原始杂质源在室温下的相状态加以分类：按原始杂质源在室温下的相状态加以分类： 固态源扩散、液态源扩散、气相源扩散固态源扩散、液态源扩散、气相源扩散 n固态源扩散：固态源扩散：开管扩散、箱法扩散、涂源法开管扩散、箱法扩散、涂源法 扩散扩散杂质的化合物与硅反应，生成单质杂质的化合物与硅反应，生成单质 的杂质原子向硅内扩散的杂质原子向硅内扩散 n液态源扩散液态源扩散携带

27、气体通过源瓶，把杂质携带气体通过源瓶，把杂质 源蒸气带入扩散炉管内，与与硅反应，生成源蒸气带入扩散炉管内，与与硅反应，生成 单质的杂质原子向硅内扩散单质的杂质原子向硅内扩散 n气态源扩散气态源扩散气态杂质一般先在硅表面进气态杂质一般先在硅表面进 行化学反应生成掺杂氧化层，杂质再由氧化行化学反应生成掺杂氧化层，杂质再由氧化 层向硅中扩散层向硅中扩散 液态源扩散装置液态源扩散装置 1N2 21N2 2纯化系统纯化系统 33滤球滤球 44流量流量 55节流器节流器 66三通三通 77源瓶源瓶 88热电偶热电偶 99扩散炉扩散炉 液态源扩散液态源扩散 硼扩散工艺原理硼扩散工艺原理 n 液态源硼扩散采用

28、的液态源硼扩散采用的杂质源杂质源有：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BBrBBr3 3 等，其中用得较等，其中用得较 多的是硼酸三甲酯。多的是硼酸三甲酯。 n 硼酸三甲酯是无色透明的液体，在室温下挥发性强具有较高硼酸三甲酯是无色透明的液体，在室温下挥发性强具有较高 的饱和蒸气，本身易水解，生成硼酸和甲醇基反应式如下：的饱和蒸气，本身易水解，生成硼酸和甲醇基反应式如下： B B（CHCH3 3O O）3 3+3H+3H2 2O OH H3 3BOBO3 3+3

29、+3（H H3 3OHOH） 硼酸三甲酯在高温（硼酸三甲酯在高温（500500以上）下，发生热分解以上）下，发生热分解 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900900左右与硅起化学反应，生成硼左右与硅起化学反应，生成硼 原子，并淀积在原子，并淀积在SiSi片的表面，其反应为：片的表面，其反应为： 2B2B2 2O O3 3+Si+Si3SiO3SiO2 2+4B+4B 此预淀积反应，在此预淀积反应，在SiSi表面上易形成硼硅玻璃，用还原出来表面上易形成硼硅玻璃，用还原出来 的的

30、B B原子向硅片内部扩散。原子向硅片内部扩散。 B扩预沉积工艺条件步骤扩预沉积工艺条件步骤 n预沉积条件：炉温为预沉积条件：炉温为930，源温为室，源温为室 温（温（25左右）左右）, 予沉积前先在予沉积前先在930下下 通源通源15-20min，使石英管含硼量达到饱，使石英管含硼量达到饱 和状态（新处理石英管和状态（新处理石英管40-60min） B再分布工艺条件步骤再分布工艺条件步骤 n当炉温升高至预定温度（当炉温升高至预定温度（1180）后通干）后通干 氧氧20min，以排除管道内的空气，同时加，以排除管道内的空气，同时加 热水溶并使水溶温度达到预定值（热水溶并使水溶温度达到预定值（95

31、） 一切就绪后，即可将正片和陪片一起装入一切就绪后，即可将正片和陪片一起装入 石英舟再推入炉子恒温压，先通石英舟再推入炉子恒温压，先通5min干氧，干氧， 30min湿氧，最后通湿氧，最后通5min 干氧。时间到后干氧。时间到后 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 扩散层的质量分析与检验扩散层的质量分析与检验 1.结深的讨论与测试结深的讨论与测试 DtAx j )1 (2 1 S B C C erfcA 余误差函数分布余误差函数分布 2 1 )(ln2 B S C C A 高斯函数分布高斯函数分布 在工艺生产中，控制扩散工艺条件的在工艺生产中，控制扩散工艺条件的主

32、要目的在主要目的在 于控制扩散的杂质分布于控制扩散的杂质分布。具体的说就是控制各次扩散。具体的说就是控制各次扩散 的的结深、表面浓度结深、表面浓度，结深可以直接测量，而表面浓度，结深可以直接测量，而表面浓度 则是通过对扩散层的薄层电阻和结深推算出来的，则是通过对扩散层的薄层电阻和结深推算出来的，因因 此结深、薄层电阻、表面浓度是评价扩散层质量的三此结深、薄层电阻、表面浓度是评价扩散层质量的三 个重要的工艺指标个重要的工艺指标。 一、结深的测量一、结深的测量: 磨角法磨角法: n1）原理：）原理： 它是利用它是利用P区和区和N区在染色上的差异，使区在染色上的差异，使 P-N结的界面显现出来，测量

33、其结深。当在结的界面显现出来，测量其结深。当在 结面上滴染色液时，由于结两侧的结面上滴染色液时，由于结两侧的Si与染色与染色 液形成微电池，两个极区反应不同，染色也液形成微电池，两个极区反应不同，染色也 有差异，于是结面被显示出来。有差异，于是结面被显示出来。 CuSO4+SiCu N 红色红色 P 无色无色 n2）方法：）方法： 先将陪片固定在特别的磨角器上，使先将陪片固定在特别的磨角器上，使 Si片磨出一个具有一定角度片磨出一个具有一定角度 (15)的的 斜截面，如图所示：斜截面，如图所示： （1）测扩散结较深结的方法）测扩散结较深结的方法 Xj=Xj=lsinsin CuSOCuSO4

34、4+SiCu N +SiCu N 红色红色 P P 无色无色 n推导：推导： 避免避免变化引起误差变化引起误差 （2）测量较浅结方法）测量较浅结方法 采用双光干涉法，只要在硅片表面加一块平板玻璃采用双光干涉法，只要在硅片表面加一块平板玻璃 （与（与SiSi片表面要贴紧）干涉条纹是平板玻璃的下面反片表面要贴紧）干涉条纹是平板玻璃的下面反 射的光线和射的光线和SiSi片表面反射光线相干涉所产生的。片表面反射光线相干涉所产生的。 mx j 2 m: 条纹数目条纹数目 :光波长光波长 二、薄层（方块）电阻的测量二、薄层（方块）电阻的测量 在半导体器件生产中扩散层薄层电阻是反映扩在半导体器件生产中扩散层

35、薄层电阻是反映扩 散层质量符合设计要求与否的重要工艺指标之一。散层质量符合设计要求与否的重要工艺指标之一。 对应于一对确定数值的结深和薄层电阻，扩对应于一对确定数值的结深和薄层电阻，扩 散层的杂质分布是确定的，也就是说，把薄层电阻散层的杂质分布是确定的，也就是说，把薄层电阻 的测量同结深的测量结合起来，我们就能够了解到的测量同结深的测量结合起来，我们就能够了解到 扩散入硅片内部杂质的具体分布。扩散入硅片内部杂质的具体分布。 因此在晶体管和集成电路生产中，几乎每一因此在晶体管和集成电路生产中，几乎每一 次予淀积再分布后都要进行薄层电阻的测试。所以次予淀积再分布后都要进行薄层电阻的测试。所以 深入

36、地了解薄层电阻的定义，物理意义和测试方法，深入地了解薄层电阻的定义，物理意义和测试方法， 对我们控制扩散条件和提高产品质量具有十分重要对我们控制扩散条件和提高产品质量具有十分重要 的现实意义。的现实意义。 二、薄层二、薄层(方块方块)电阻的测量电阻的测量 1）薄层电阻定义）薄层电阻定义 薄层电阻薄层电阻：表面为正方形表面为正方形 的半导体薄层，在电流方的半导体薄层，在电流方 向向 电流方向平行正方形的电流方向平行正方形的 边边 所呈现的电阻。所呈现的电阻。 扩散层的薄层电阻也称方块电扩散层的薄层电阻也称方块电 阻，常分别用阻，常分别用Rs或或R 表示。 表示。 jj S xxl l s l R

37、 1 由上式可见，薄层电阻的大小由上式可见，薄层电阻的大小与薄层的平均电阻率成与薄层的平均电阻率成 正比，与薄层的厚度成反比正比，与薄层的厚度成反比，而与正方形的边长无关。而与正方形的边长无关。 其单位为欧姆。为了表示薄层电阻不同于一般电阻，其单位为欧姆。为了表示薄层电阻不同于一般电阻， 其单位常用其单位常用 欧姆欧姆/ /方块方块 或或 / /表示。表示。 薄层薄层(方块方块)电阻的物理意义电阻的物理意义 对于扩散薄层来说，在扩散对于扩散薄层来说，在扩散 方向上各处的杂质浓度方向上各处的杂质浓度C（X） 是不相等的，所以载流子的迁移率是不相等的，所以载流子的迁移率 的数值也不相同。则扩散的数

38、值也不相同。则扩散 薄层的平均电阻率与平均杂质浓度之间关系：薄层的平均电阻率与平均杂质浓度之间关系： Cq 11 在杂质均匀分布的半导体中，电阻率与杂质浓度 之间有如下关系： q q：为电子电荷量：为电子电荷量 ：为载流子迁移率：为载流子迁移率 C C：为均匀掺杂半导体中杂质浓度：为均匀掺杂半导体中杂质浓度 为单位表面积扩散薄层内的净杂质总量为单位表面积扩散薄层内的净杂质总量 )( 1 x Cq jxj S xCqx R )( 1 jx xC )( n薄层电阻薄层电阻Rs与单位表面积薄层内的净杂质总与单位表面积薄层内的净杂质总 量成反比。量成反比。 因此，因此，薄层薄层(方块方块)电阻的大小直

39、接反映了电阻的大小直接反映了 扩入扩入Si片内部的净杂质总量的多少。片内部的净杂质总量的多少。薄层电阻薄层电阻 越小，表示扩入越小，表示扩入Si片的净杂质总量越多。反之，片的净杂质总量越多。反之， 扩入扩入Si片的净杂质总量越少。片的净杂质总量越少。 n计算扩散电阻计算扩散电阻 jxj S xCqx R )( 1 计算扩散电阻计算扩散电阻 n当计算一条状扩散层一端到另一端的电当计算一条状扩散层一端到另一端的电 阻值时，只要将串联的方块数乘上阻值时，只要将串联的方块数乘上Rs,或或 用并联方块数去除用并联方块数去除Rs，就可以得到条状，就可以得到条状 扩散电阻值。扩散电阻值。 L a I R=

40、RsL/a R= Rsa/L 3） 方块电阻的测量方块电阻的测量 目前在生产中测量扩散层薄层电阻目前在生产中测量扩散层薄层电阻RsRs，广泛使用四探针法。测量，广泛使用四探针法。测量 装置图如图所示：装置图如图所示： 四探针采用排成直线彼此相距为四探针采用排成直线彼此相距为S S的四根钨丝构成。测量时将针的四根钨丝构成。测量时将针 尖压在尖压在SiSi片的表面上外面两根针通电流片的表面上外面两根针通电流I I，测量中间两根探针的，测量中间两根探针的 电压，如果被测电压，如果被测SiSi片很大，（即它的长度片很大，（即它的长度L L和宽度和宽度a a比探针间距比探针间距S S 大很多时，则薄层电

41、阻采用下面公式进行计算大很多时，则薄层电阻采用下面公式进行计算 I V I V RS53. 4 2ln 11电位差计电位差计 22检流计检流计 n由于生产中，所用样品的面积都比较小，因此由于生产中，所用样品的面积都比较小，因此 上式中的系数必须加以适当修正。因此薄层电上式中的系数必须加以适当修正。因此薄层电 阻的普遍公式的表达式为：阻的普遍公式的表达式为： I V CRS 式中式中C C称为修正因子，其数值的大小除与被测样品的形称为修正因子，其数值的大小除与被测样品的形 状和大小有关外还与样品是单面扩散还是双面扩散等状和大小有关外还与样品是单面扩散还是双面扩散等 因素有关。为使用方便，我们把各

42、种情况下修正因子因素有关。为使用方便，我们把各种情况下修正因子C C 的数值列表中以便查阅。的数值列表中以便查阅。 三、表面杂质浓度三、表面杂质浓度 n 扩散杂质在半导体基片中的表面浓度，扩散杂质在半导体基片中的表面浓度， 是半导体器件设计，制造的一个重要结构是半导体器件设计，制造的一个重要结构 参数，用参数，用Ns表示。表示。 n 目前直接测定表面杂质浓度的方法比较目前直接测定表面杂质浓度的方法比较 复杂，常采用间接的方法获得复杂，常采用间接的方法获得 1.表面浓度的控制表面浓度的控制 C C CsCs1 1 CsCs2 2 CsCs3 3 C CB B C C CsCs1 1 CsCs2 2 CsCs3 3 C CB B t1 t2 t3t1 t2 t3 C C C C B B C C S S 2. Cs Xj Rs三者的关系三者的关系 n三者决定杂质的分布三者决定杂质的分布