扩散工艺的化学原理

1、第第6章章 扩散工艺的化学原理扩散工艺的化学原理热扩散原理热扩散原理 杂质原子由浓度高的地方向浓度低的地方进行扩散。杂质原子由浓度高的地方向浓度低的地方进行扩散。 比如在水里滴一滴墨汁，墨汁会在水中的进行扩散。比如在水里滴一滴墨汁，墨汁会在水中的进行扩散。杂质源 杂质向硅片中进行扩散杂质向硅片中进行扩散掺杂阻挡层掺杂阻挡层扩散工艺扩散工艺: 高温下，将杂质原子向硅、锗晶体内部扩高温下，将杂质原子向硅、锗晶体内部扩散。散。目的：制造目的：制造P-N 结，制造集成电路的扩散电阻、埋层结，制造集成电路的扩散电阻、埋层和隔离。和隔离。III A族元素杂质：硼族元素杂质：硼 （B） 扩散到硅晶体内部扩散

2、到硅晶体内部V A 族元素杂质：磷（族元素杂质：磷（P）、锑（）、锑（Sb）6-1 半导体的杂质类型半导体的杂质类型半导体硅、锗等都是第半导体硅、锗等都是第 IV 族元素。族元素。掺入第掺入第 V 族元素（如磷，五个价电子）。杂质电离族元素（如磷，五个价电子）。杂质电离施放电子，为施主杂质，或施放电子，为施主杂质，或 N 型杂质。型杂质。掺入第掺入第III 族元素（如硼，三个价电子）。杂质电离族元素（如硼，三个价电子）。杂质电离接受电子，为受主杂质，或接受电子，为受主杂质，或P 型杂质。型杂质。施主型杂质：第施主型杂质：第 V A 族元素，族元素，如：磷、砷、锑、铋；如：磷、砷、锑、铋；受主型

3、杂质：第受主型杂质：第 III A 族元素，族元素，如：硼、铝、镓、铟。如：硼、铝、镓、铟。如何选择扩散源：如何选择扩散源： 1）半导体材料的导电类型需要；）半导体材料的导电类型需要；2）选择在硅中具有适当的扩散速度的杂质；）选择在硅中具有适当的扩散速度的杂质；3 ）选择纯度高、毒性小的扩散源。）选择纯度高、毒性小的扩散源。常用的扩散杂质有硼（常用的扩散杂质有硼（B），）， 磷（磷（P）、锑（）、锑（Sb）、砷（）、砷（As）。）。扩散杂质源（含有这些杂质原子的某些物质）有固态源、液扩散杂质源（含有这些杂质原子的某些物质）有固态源、液态源和气态源。态源和气态源。扩散过程基本上只有两种形式：扩散

4、过程基本上只有两种形式： 1）化合物先分解为单质（或直接以单质），再以）化合物先分解为单质（或直接以单质），再以单质的形式向硅中扩散；单质的形式向硅中扩散；2） 经过反应先生成杂质元素的氧化物（或原来就经过反应先生成杂质元素的氧化物（或原来就是氧化物），然后氧化物再与硅反应产生二氧化是氧化物），然后氧化物再与硅反应产生二氧化硅和杂质元素向硅中扩散。硅和杂质元素向硅中扩散。热扩散过程的三个步骤：热扩散过程的三个步骤：预淀积预淀积推进推进激活激活第一步、预淀积第一步、预淀积 热扩散开始，炉内温度通常设为热扩散开始，炉内温度通常设为800800到到1000 1000 ，持，持续续1010到到3030

5、分钟。杂质仅进入硅片表面形成很薄的杂质层，分钟。杂质仅进入硅片表面形成很薄的杂质层，此称为预淀积。此称为预淀积。预淀积的杂质层预淀积的杂质层第二步、推进第二步、推进 在不向硅片中增加杂质的基础上，升高温度（在不向硅片中增加杂质的基础上，升高温度（10001000到到1250 1250 ），使淀积的杂质层进一步向硅片内部扩），使淀积的杂质层进一步向硅片内部扩散，并达到规定的结深。散，并达到规定的结深。结深结深预淀积的杂质层预淀积的杂质层第三步、激活第三步、激活稍微升高温度，使杂质原子移动到晶格中的原子位子稍微升高温度，使杂质原子移动到晶格中的原子位子与晶格中的硅原子键合，形成替位式杂质原子。与晶

6、格中的硅原子键合，形成替位式杂质原子。杂质原子只有在替代了晶格上的硅原子后才能起作用杂质原子只有在替代了晶格上的硅原子后才能起作用- -改变硅的电导率。改变硅的电导率。通常是只有一部分杂质被移动到通常是只有一部分杂质被移动到晶格位子上，大部分还处在间隙位置。晶格位子上，大部分还处在间隙位置。杂质原子杂质原子激活 杂质形态：杂质形态：间隙式杂质：具有高扩散率的杂质，如金（间隙式杂质：具有高扩散率的杂质，如金（AuAu）、铜（）、铜（CuCu）、钠（）、钠（NaNa）等。等。 间隙式杂质容易利用间隙运动在间隙中移动，这种杂质是需要避免的。间隙式杂质容易利用间隙运动在间隙中移动，这种杂质是需要避免的

7、。替位式杂质：扩散速率低的杂质，如砷（替位式杂质：扩散速率低的杂质，如砷（As)As)、磷（、磷（P P）等。通常利用替代）等。通常利用替代运动填充晶格中的空位。运动填充晶格中的空位。 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质 杂质原子杂质原子整个扩散工艺过程整个扩散工艺过程清洗硅片清洗硅片预淀积预淀积测试测试开启扩散炉开启扩散炉推进、激活推进、激活 上表中所列举的杂质源在不同程度上都有毒性。其中上表中所列举的杂质源在不同程度上都有毒性。其中以砷源和磷源毒性最大，尤其是砷和磷的气态源有以砷源和磷源毒性最大，尤其是砷和磷的气态源有剧毒又剧毒又易爆炸易爆炸，在使用时应采取相应的安全措施。，在使用

8、时应采取相应的安全措施。目前广泛使用：目前广泛使用：硼扩散杂质源固态源氮化硼硼扩散杂质源固态源氮化硼 液态源硼酸三甲酯和三溴化硼。液态源硼酸三甲酯和三溴化硼。磷扩散杂质源三氯氧磷磷扩散杂质源三氯氧磷 N 型外延衬底杂质源是三氯化磷。型外延衬底杂质源是三氯化磷。锑扩散杂质源三氧化二锑锑扩散杂质源三氧化二锑6-2 硼扩散的化学原理硼扩散的化学原理1、固态源、固态源氮化硼氮化硼 氮化硼（氮化硼（BN）是一种新的固态硼源，是一种白色粉末）是一种新的固态硼源，是一种白色粉末状的固体，熔点约在状的固体，熔点约在3000左右，微溶于水。氮化硼的左右，微溶于水。氮化硼的化学稳定性很高，酸、强碱以及氯等几乎不与

9、它起作用，化学稳定性很高，酸、强碱以及氯等几乎不与它起作用，但与强碱共熔时或在红热时受到水蒸气的作用会缓慢水解但与强碱共熔时或在红热时受到水蒸气的作用会缓慢水解而生成三氧化二硼和氨，其反应式如下：而生成三氧化二硼和氨，其反应式如下：6-3 磷扩散的化学原理磷扩散的化学原理1、液态源、液态源三氯氧磷三氯氧磷 三氯氧磷（三氯氧磷（POCl3）是一种无色透明的液体，具有刺激）是一种无色透明的液体，具有刺激性、窒息性气味，有毒，常因溶有氯气或五氯化磷而呈红性、窒息性气味，有毒，常因溶有氯气或五氯化磷而呈红黄色。比重为黄色。比重为1.675，熔点为，熔点为2，沸点为，沸点为105.3。 三氯氧磷极易挥发

10、，在室温下具有较高的蒸气压，为了三氯氧磷极易挥发，在室温下具有较高的蒸气压，为了保持恒定的蒸气压，使表面浓度稳定，且便于控制，一般保持恒定的蒸气压，使表面浓度稳定，且便于控制，一般在扩散时将源温恒定在在扩散时将源温恒定在0 ，以防止由于蒸气压过高而出，以防止由于蒸气压过高而出现合金现象。现合金现象。 三氯氧磷液态源是目前磷扩散工艺中应用最广泛的一三氯氧磷液态源是目前磷扩散工艺中应用最广泛的一种杂质源。它具有操作简便、经济、适宜大批量和连续种杂质源。它具有操作简便、经济、适宜大批量和连续生产，且扩散质量好等优点。它也常用作磷处理、磷吸生产，且扩散质量好等优点。它也常用作磷处理、磷吸收以及化学淀积

11、磷硅玻璃等的磷源。收以及化学淀积磷硅玻璃等的磷源。 三氯氧磷很容易发生水解，在潮湿的空气中会因水解三氯氧磷很容易发生水解，在潮湿的空气中会因水解而发烟，因此，使用三氯氧磷源时，源瓶密封性也必须而发烟，因此，使用三氯氧磷源时，源瓶密封性也必须良好，通入的氮气和氧气都必须干燥。若三氯氧磷已经良好，通入的氮气和氧气都必须干燥。若三氯氧磷已经发黄变质，就不能再使用。倒掉旧源后不能马上用水冲发黄变质，就不能再使用。倒掉旧源后不能马上用水冲洗，否则三氯氧磷迅速发生水解反应容易引起爆炸事洗，否则三氯氧磷迅速发生水解反应容易引起爆炸事故。故。6-4 锑扩散的化学原理锑扩散的化学原理 为了减少集电极串联电阻，改

12、善饱和压降，在集成电路为了减少集电极串联电阻，改善饱和压降，在集成电路生产时，都在生产时，都在N-P-N 晶体管的集电区下面扩散一层晶体管的集电区下面扩散一层N层，层，通常称为隐埋层。通常称为隐埋层。 隐埋层通常采用锑扩散，因为锑的扩散系数较磷、硼隐埋层通常采用锑扩散，因为锑的扩散系数较磷、硼小，故外延生长时的自掺杂效应也就低，同时又经得起以小，故外延生长时的自掺杂效应也就低，同时又经得起以后工艺过程中的高温处理。后工艺过程中的高温处理。埋层锑扩散大都使用三氧化二锑（埋层锑扩散大都使用三氧化二锑（Sb2O3）为杂质源：）为杂质源：即在硅片上生成掺有锑杂质的氧化层，在扩散温度下，即在硅片上生成掺

13、有锑杂质的氧化层，在扩散温度下，锑杂质原了进而向硅内扩散。锑杂质原了进而向硅内扩散。6-5 砷扩散的化学原理砷扩散的化学原理 砷扩散有它独到之处，例如砷在硅中的扩散系砷扩散有它独到之处，例如砷在硅中的扩散系数小，用于浅结扩散，因扩散时间较长，便于精数小，用于浅结扩散，因扩散时间较长，便于精确地控制基区宽度；又如砷原子半径和硅原子很确地控制基区宽度；又如砷原子半径和硅原子很接近，在砷原子向硅晶体内扩散过程中，不致于接近，在砷原子向硅晶体内扩散过程中，不致于由于原子半径不同而产生应力，导致晶格缺陷。由于原子半径不同而产生应力，导致晶格缺陷。 正是这个原因，扩砷的发射区无陷落效应，有正是这个原因，扩

14、砷的发射区无陷落效应，有利于薄基区的形成。浅结、薄基区可提高器件的利于薄基区的形成。浅结、薄基区可提高器件的频率特性，所以砷扩散工艺普遍用于微波器件。频率特性，所以砷扩散工艺普遍用于微波器件。 因三氧化二砷有剧毒，砷扩散不象磷扩散那样因三氧化二砷有剧毒，砷扩散不象磷扩散那样广泛地用于一般器件。广泛地用于一般器件。1、氧化物源扩散、氧化物源扩散 氧化物源扩散又称固一固扩散，基本原则是在硅片表氧化物源扩散又称固一固扩散，基本原则是在硅片表面先低温淀积一层掺杂的二氧化硅作为扩散源，然后在高面先低温淀积一层掺杂的二氧化硅作为扩散源，然后在高温下使杂质原子向硅内扩散。温下使杂质原子向硅内扩散。 首先淀积

15、掺砷氧化层。然后将淀积好的硅片放入首先淀积掺砷氧化层。然后将淀积好的硅片放入980 左右的高温炉内，在氮气或氮氧混合气体保护下扩散，左右的高温炉内，在氮气或氮氧混合气体保护下扩散，1520 分钟。分钟。 在扩散温度下，三氧化二砷被硅还原为砷：在扩散温度下，三氧化二砷被硅还原为砷：砷杂质原子进而向硅中扩散。砷杂质原子进而向硅中扩散。2、二氧化硅乳胶源扩散、二氧化硅乳胶源扩散 掺杂二氧化硅乳胶源是一种比较新的扩散源，它具有氧掺杂二氧化硅乳胶源是一种比较新的扩散源，它具有氧化物源的优点，工艺又简单，且重复性和均匀性较好，可化物源的优点，工艺又简单，且重复性和均匀性较好，可掺杂的杂质种类多。掺杂的杂质

16、种类多。 将二氧化硅乳胶用无水乙醇稀释后，掺入适量砷或磷、将二氧化硅乳胶用无水乙醇稀释后，掺入适量砷或磷、硼、锑等杂质，便可配成其有一定粘度的不同掺杂的二氧硼、锑等杂质，便可配成其有一定粘度的不同掺杂的二氧化硅乳胶源。化硅乳胶源。 将掺有五氧化二砷的二氧化硅乳胶源涂在硅片表面上，将掺有五氧化二砷的二氧化硅乳胶源涂在硅片表面上，前烘使二氧化硅乳胶形成掺有五氧化二砷的二氧化硅乳胶前烘使二氧化硅乳胶形成掺有五氧化二砷的二氧化硅乳胶源。将上述硅片在源。将上述硅片在10001100 的高温炉内进行扩散，五的高温炉内进行扩散，五氧化二砷分解成三氧化二砷和氧。三氧化二砷被硅还原为氧化二砷分解成三氧化二砷和氧。三氧化二砷被硅还原为砷，向硅中扩散。砷，向硅中扩散。6-6 染色法显示染色法显示P-N 结结 扩散深度是很重要的工艺参数，扩散深度是很重要的工艺参数，P-N 结的结深多用染色法结的结深多用染色法测量。测量。 先将硅片用一个特制的磨角器磨成一个角度为先将硅片用一个特制的磨角器磨成一个角度为(15）的截斜面，放入显结溶液中，灯光照射的截斜面，放入显结溶液中，灯光照射30 秒左右