半导体工艺课件

半导体器件工艺原理衬底制备薄膜生长掺杂技术图形加工技术隔离表面钝化绪论1半导体器件工艺原理衬底制备薄膜生长掺杂技术图形加工技术隔离表绪论半导体科学是最近几十年来迅猛发展起来的一门重要的新兴学科；是发展电子计算机、空间电子技术、雷达、通讯及工业自动化电子技术的基础。它的应用为农业、工业、国防和科学技术的现代化提供了极为有利的条件。半导体科学的发展与半导体器件制造技术的发展有着最紧密的联系。半导体器件制造技术主要由工艺设计、工艺制造、工艺分析和质量控制四部分组成。这些技术与电子计算机技术相结合，成为当今半导体工艺的一大特点。抓住以上四点，以硅外延平面工艺为主线，是学好本课程的关键。计算器工业转眼之间从最简单的四则运算器发展成为非常复杂、可编程序的科研和商业用计算器。每一种新计算器的出现，都是集成电路技术向前发展一步的结果。（美）查尔斯·杰莫2绪论半导体科学是最近几十年来迅猛发展起来的晶体管集成电路大规模集成电路超大规模集成电路

半导体器件的发展构成现代微电子技术的基础194719593晶体管集成电路大规模集成电路超大规模集成电路半导体器件器件的发展取决于工艺的发展，半导体工艺最早主要通过拉晶法和合金法来制造晶体管。

1959年，采用硅平面工艺生产集成电路，促进了双极型集成电路的出现和发展，也是MOS场效应管和MOS场效应集成电路诞生的必要和重要条件。4器件的发展取决于工艺的发展，半导体工艺最早主要通过拉●衬底制备●薄膜制备●图形加工●掺杂技术切、磨、抛等外延、氧化、蒸发、淀积等光刻、制版等扩散、离子注入等基本的平面工艺过程为：5●衬底制备●薄膜制备●图形加工●掺杂技术切、磨、抛硅外延平面晶体管管芯制造工艺流程剖面图

外延N+

N一次氧化N+

N基区光刻N+

NN背面蒸金N+

N硼再分布N+

NNN

引线孔光刻N+

NNN衬底制备N+硼预扩散N+

发射区光刻N+

磷扩散N+

蒸铝N+反刻铝N+6硅外延平面晶体管管芯制造工艺流程剖面图外高温热氧化高温热氧化高温热氧化高温热氧化显影显影显影显影腐蚀腐蚀腐蚀腐蚀腐蚀将上述过程用连续动态过程表现出来7高温热氧化高温热氧化高温热氧化高温热氧化显影显影显影显影腐蚀

双极型集成电路管芯制造工艺流程剖面进入版图8双极型集成电路管芯制造工

MOS晶体管和MOS集成电路管芯制造工艺流程剖面图9MOS晶体管和MOS集成电硅栅MOS集成电路管芯制造工艺流程剖面图1.衬底制备2.一次氧化3.一次光刻4.二次氧化和多晶硅淀积5.二次光刻6.源漏扩散和低温淀积7.三次光刻8.蒸铝9.反刻铝10硅栅MOS集成电路管芯制造1.衬底制备2.一次氧化3.一次光N沟硅栅（L=2~3微米）E/DMOS工艺(1)N沟晶体管复合版图（2）原始衬底，P〈100〉5~50Ω·㎝,ф50~100㎜.初氧化：900~1050℃，80~150nm。LPCVDSi3N4：80~150nm。光刻1：刻场区(3)等离子腐蚀Si3N4和场区注硼。E=100~150Kev;D=6×1012~6×1013cm-2(4)场氧化：水汽氧化：900~1050℃，t=6~15h。d=1~1.7μm。11N沟硅栅（L=2~3微米）E/DMOS工艺(1)N沟晶体腐蚀氧化层；等离子去除氮化硅；腐蚀氧化层；栅区氧化：HCl氧化900~1000℃；d=40~70nm;光刻耗尽区；耗尽区砷注入：E=150~700Kev;D=5×1011~2×1012cm-2.（6）去胶；光刻增强区；增强区注入：E=30~50Kev;D=1×1011~4×1011cm-2。(7)去胶；光刻硅和多晶硅接触孔；Qf调整：在干N2中900~1000℃退火、t=30min(8)多晶硅生长：LPCVD法d=400~600nm;光刻栅：等离子腐蚀多晶硅。12腐蚀氧化层；等离子去除氮化硅；腐蚀氧化层；栅区氧化：HCl氧(9)腐蚀源漏区的栅氧化层；磷预淀积；用10/1的HF溶液漂PSG；再扩散和氧化；测ρs及结深(10)LPCVD法淀积PSG：d=400~800nm、掺磷7~9%；回熔：900~1000℃；光刻接触孔。(11)溅射铂，形成铂-硅，去除铂。溅射钛-钨，淀积铝，光刻5及腐蚀金属层(12)合金化，中测，淀积氧化层，光刻6及腐蚀压焊点。硅片减薄，蒸金及金的合金化13(9)腐蚀源漏区的栅氧化层；磷预淀积；用10/1的HF溶液氧化物硅栅CMOS工艺流程14氧化物硅栅CMOS工艺流程14原始材料3或4英寸N型硅片，晶向为＜100＞，电阻率在2~4Ω·㎝一次氧化温度900~1050℃，0.08~0.15μmSiO2，测量氧化层厚度。淀积氮化硅用LPCVD法，厚度为0.08~0.15μm光刻1参阅图1-3a刻场区。本工序须在黄色光照明区进行1a匀光刻胶；1b前烘；1c使版与硅片参考面对准（或将版和以前形成的图形对准）并曝光；1d显影；1e目视检查（测量关键尺寸）返修废片；1f坚膜（如果用等离子腐蚀，或是在离子注入前，不一定要坚膜）；1g等离子刻蚀氮化硅（这步刻蚀后不去胶，因为要用胶作为场注入的阻挡层）；1h最后检查（检查关键尺寸）将报废片子除去氮化硅及氧化层并进行返修。场注入（参阅图1-3b）在100~150Kev条件下注磷：剂量：6×1012~6×1013离子/cm2（根据电路的工作电压范围来确定注入剂量）15原始材料3或4英寸N型硅片，晶向为＜100＞，电阻率在2~4去胶除去阻挡注入的光刻胶场氧化（参阅图1-3c）温度950~1050℃水气氧化6~15h。氧化层厚1.0~1.7μm。去除氮化硅去掉氮化硅上的SiO2；用等离子腐蚀机除去氮化硅。光刻2P阱光刻。采用1a~1e工艺流程。P阱注入（参阅图1-3d）在40~80Kev条件下注入硼；剂量：1×1013~2×1013离子/cm2（具体的注入剂量根据所要求的VT范围和以后的工序情况确定）。去胶除去阻挡注入的光刻胶。P阱扩散（参阅图1-3e）温度1150~1200℃，12~24h16去胶除去阻挡注入的光刻胶场氧化（参阅图1-3c）温度950~栅氧化除去有源区上的二氧化硅；生长栅氧化层：60~90nm干氧，温度900~1000℃；测栅氧化层厚度；测氧化层击穿电压淀积多晶硅厚度0.4~0.6μm，用LPCVD方法。多晶硅掺杂在900~1000℃温度下扩磷，测量薄层电阻（30~40Ω/□）光刻3（参阅图1-3f）光刻栅区，按光刻1a~1e工艺流程进行，但用等离子刻蚀多晶硅，并在刻蚀后去胶。然后检查硅片并检验关键尺寸。光刻4光刻P沟源-漏区。按光刻1a~1e工艺流程进行。P沟源-漏区注入（参阅图1-3g）在40~60Kev条件下注入硼：剂量4×1014~1015离子/cm2。去胶除去阻挡注入的光刻胶。17栅氧化除去有源区上的二氧化硅；生长栅氧化层：60~90nm干光刻5光刻N沟源-漏区。按光刻1a~1e工艺流程进行。N沟源-漏区注入（参阅图1-3h）在80~150Kev条件下注入磷，或在150！200Kev条件下注入砷：剂量8×1014~4×1015离子/cm2。去胶除去阻挡注入的光刻胶。CVD淀积SiO2厚度0.4~0.8μm，含磷量9~11%（重量比）。回流温度900~1000℃，回流磷硅玻璃并激活注入离子。光刻6（参阅图1-3i）光刻接触孔。按光刻1工艺流程进行，但腐蚀二氧化硅前须坚膜。腐蚀后去胶并检查硅片，检验关键尺寸。金属化前清洗酸洗并在稀HF中短时间浸一浸。淀积铝溅射或电子束蒸发淀积（0.6~0.8μm）。18光刻5光刻N沟源-漏区。按光刻1a~1e工艺流程进行。N沟源光刻7（参阅图1-3j）光刻金属连线图形。按光刻1工艺流程进行，但在腐蚀铝前须坚膜。合金/退火温度400~500℃，在含30%H2（或超过30%）的氮气中进行。电气测量测量晶体管的VT、击穿电压、电阻值等器件参数。超出规定值范围的硅片应拒收（返修或报废）。淀积防擦伤保护层厚度0.1μm不掺杂CVD二氧化硅；厚度0.4μm，2~4%含磷量（重量比）的CVD二氧化硅；厚度0.1μm不掺杂CVD二氧化硅。光刻8（参阅图1-3k）刻压焊点。按光刻1a~1e工艺流程进行。用等离子腐蚀。背面处理/硅片减薄对硅片背面进行磨削或研磨以除去背面形成的二极管；并且由于功率耗散的原因将硅片减薄至所要求的厚度。蒸金为了以后芯片烧结的需要，在背面蒸发或溅射（0.2~0.4μm）金。19光刻7（参阅图1-3j）光刻金属连线图形。按光刻1工艺流程进金的合金（参阅图1-3l）温度380~420℃，N2中进行。中测将不合格芯片打上标记。装配将合格芯片封装作进一步测试。跳20金的合金（参阅图1-3l）温度380~420℃，N2中进行目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章§1-1衬底材料1.对衬底材料的要求

2.衬底单晶材料的制备

3.杂质缺陷对器件工艺质量的影响4.多晶硅的结构性质§1-2衬底制备1.晶体定向

2.晶片加工参观实验室21目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章§1-1衬底制备第一章22衬底制备第一章221、对衬底材料的要求：a.导电类型P或Nb.电阻率：0.001—100000Ωc.寿命一般要求几到几千微秒d.晶格完整性e.纯度高一般常说的9个9f.晶向＜111＞及＜110＞<100>等g.要求一定的直径和均匀性，并给出主次定位面一、衬底材料231、对衬底材料的要求：a.导电类型P或Nb.电阻率2、衬底单晶材料的制备悬浮区熔法生长过程示意图单晶生长水平区熔法示意图硅单晶直拉法生产过程示意图242、衬底单晶材料的制备悬浮区熔法生长过程示意图单晶生长水平区二、衬底制备硅衬底制备工艺流程单晶锭滚磨整形确定定位面磨定位面晶体定向化学腐蚀切片磨片倒角清洗检验抛光减薄返回目录25二、衬底制备硅衬底制备工艺流程单晶锭滚磨整形确定定目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章§2-1硅外延薄膜制备的原理1.外延生长动力学原理2.外延掺杂及其杂质再分布3.自掺杂效应§2-2二氧化硅薄膜1.结构与性质2.热生长氧化膜的制备3.实现掩蔽扩散的条件参观实验室§2-3热分解淀积氧化膜法1.烷氧基硅烷热分解淀积法2.硅烷热氧化淀积法3.淀积法形成二氧化硅膜的特点26目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章§2-1薄膜制备制备薄膜所需要的原子或分子是由含其组元的化合物通过氧化、还原或热分解等化学反应而得到。它不经过中间化学反应，以源直接转移到衬底上形成薄膜。在半导体器件中广泛使用着各种薄膜，制备薄膜的方法有：直接生长法：间接生长法：第二章27薄膜制备制备薄膜所需要的原子一、硅外延薄膜制备的原理★外延：

一定条件下，在一片表面经过细致加工的单晶衬底上，沿其原来的结晶轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。★同质外延：★异质外延：外延层在结构、性质上与衬底材料不同。生长的外延层与衬底材料相同。28一、硅外延薄膜制备的原理★外延：一定条件下，在一

1、外延生长动力学原理

外延时，通入含有一定硅源的氢气流，并流经被高频感应加热的硅片表面，当条件适当时便会在其上外延成膜.291、外延生长动力学原理外延时

硅外延反应器30硅外延反应器30SiCl4（气）+2H2（气）=Si（固）+4HCl（气）H2还原SiCl4法的化学反应式为：滞流层（附面层）：

接近基座表面的一薄层流体的速度有较大变化，滞慢于其外面的自由流体，把这个区域叫做滞流层。31SiCl4（气）+2H2（气）=Si（固）+4HCl（气）H混合气体流经基座时的情况（a）滞流层（b）微流体元及速度分布附面层32混合气体流经基座时的情况（a）滞流层滞留层里气体流速分布可表示为：U=U0Y／

0≤Y≤δ（2-4）流体流动时，在单位面积上产生的内应力与速度在垂直方向上的变化率成正比，即（2-5）称为粘滞系数。在滞流层内距原点x处取一垂直于基座表面的微流体元ABCD，它在垂直于纸面方向上有一个单位长度。忽略压力沿x方向的损失，则该微流体元沿x方向只受到粘性内摩擦力的作用。BC面的内摩擦力为零，而AD面的内摩擦力为33滞留层里气体流速分布可表示为：U=U0Y／（2-6）式中负号表示内摩擦力沿着x轴负方向。根据牛顿第二定律，该作用力引起微流体元内动量的变化。由于流体的流动是连续的，从ABC面流进来的流体必然全部要从CD面流出。作为近似，动量的变化可以看作是流体由BC面流入的结果。而单位时间内从BC面流入的流体带入的动量为质量×速度（2-7）该动量全部用在克服内摩擦力上，故有将式（2-6）和（2-7）带入上式，得到等式两边积分，并取34（2-6）式中负号表示内摩擦力沿着x轴负方向。根据牛顿第二定（2-8）这就是滞流层厚度的近似表达式，由此可求出平均滞流层厚为（2-9）式中称为平板雷诺数，是一个无量纲数，用它可以判断流体的运动状态仿照速度附面层，引入质量附面层的概念。在质量附面层内浓度有较大的变化，其厚度可以表示为δN设气体内部和生长表面的反应剂浓度分别为假定在质量附面层里反应剂浓度也呈线性分布即（2-10）35（2-8）这就是滞流层厚度的近似表达式，由此可求出平均滞流层根据扩散理论，输运到外延层表面的反应剂粒子流密度为（2-11）式中为反应剂在氢气中的扩散系数，结合（2-10）式，得（2-12）式中称为气相质量转移系数，它具有速度的量纲另一方面，在生长层界面上进行化学反应所消耗的粒子流密度为（2-13）是表面化学反应速率常数。在稳定状态下，（2-14）根据可分别得到在气体—生长层界面上的反应剂浓度和外延生长速率为：36根据扩散理论，输运到外延层表面的反应剂粒子流密度为（2-11由于气体的浓度常用摩尔分数表示，所以上式改为（2-15）（2-16）（2-17）为混合气体中每立方厘米的分子总数；为反应剂的摩尔分数因为是混合气体总压强在开管外延中，在数值上也等于以大气压为单位的反应剂分压强37由于气体的浓度常用摩尔分数表示，所以上式改为（2-15）（2表面反应控制：生长速率讨论38表面反应控制：生长速率讨论38质量转移控制：39质量转移控制：39影响外延生长速率的因素：生长速率和反应剂浓度的关系成正比40影响外延生长速率的因素：生长速率和反应剂浓度的关系成正比40生长速率与外延温度的关系：较高温度下，速率与温度的关系不明显。较低温度下，速率随绝对温度的增加呈指数急增。41生长速率与外延温度的关系：较高温度下，速率与温度的关系不明显生长速率与气体流量的关系：流量较小时，生长速率与流量的平方根成正比42生长速率与气体流量的关系：流量较小时，生长速率与流量的平方根与硅片位置等的关系：生长速率和x的平方根成反比，解决办法：基座有一个小角度。43与硅片位置等的关系：生长速率和x的平方根成反比，解决办法：基

2、外延掺杂及其杂质再分布（1）掺杂原理:外延层中的杂质原子是在外延生长时加入到晶格点阵中去的。因而掺杂的动力学原理和外延生长相似。最终的杂质浓度将涉及反应剂和掺杂剂两者的化学动力学性质以及温度，气流等多种因素。442、外延掺杂及其杂质再分布（1）掺杂原理:（2）外延过程中的杂质再分布衬底杂质的再分布杂质的再分布45（2）外延过程中的杂质再分布衬底杂质的再分布杂质的再分布45掺入杂质的再分布总的杂质再分布46掺入杂质的再分布总的杂质再分布46各种典型外延结构的杂质再分布47各种典型外延结构的杂质再分布47正面蒸发，蒸发速率由（2-33）（2-34）及给出。背面蒸发，逸出速率由（2-33）（2-34）及给出。上述两项在预烘焙期间更为严重。进行气相腐蚀时，也会使积蓄在附面层里的杂质大大增加。上述各项逸出的杂质进入气相，将起到掺杂剂的作用，重新进入外延层。加热基座、外延系统和输入气体中沾污的杂质也会进入外延层中。可见，存在着杂质的非人为地掺入，一方面是由衬底杂质的固态扩散引起的，另一方面便是由上述各种原因引起的气相自掺杂，以上统称为自掺杂。自掺杂效应48正面蒸发，蒸发速率由（2-33）（2-34）及给出。背面蒸发气相自掺杂在具有埋层结构的衬底上进行外延生长，不仅在埋层的正上方，而且在埋层之外的衬底上方也存在着自掺杂效应。我们把后者叫做横向自掺杂，是由气相自掺杂引起的。这种自掺杂对于元件密度高的双极型大规模集成电路的薄外延层生长，其危害更大。在大规模集成电路中我们可以把一个埋层看成一个点。稳态时流体中的杂质扩散方程为：（2-48）为逸出杂质的扩散系数如果不考虑气体流动的影响，对于点质量源，空间中的浓度分布应是具有球对称的形式，设为现在由于气体的流动，浓度分布必是偏离球对称分布，用函数来修正这种偏离。从而（2-49）将表达式（2-49）代入（2-48）有如设，上式变为：（2-50）49气相自掺杂在具有埋层结构的衬底上进行外延生长，不仅在埋球坐标系下的拉普拉斯方程为：并考虑到只是的函数，（2-50）式进一步简化为：（2-51），解此一元二阶常系数微分方程并将其解代入式（2-49）中，得：（2-52）由边界条件定出待定系数，并将系数代回（2-52）得：（2-53）由亨利定律可以得出（2-54）50球坐标系下的拉普拉斯方程为：并考虑到只是的横向自掺杂峰的分析上图是归一化横向自掺杂峰的分布曲线。由图可见1.从埋层源逸出的杂质不仅能顺着气流向下输运，而且由于扩散作用还可以逆流而上，引起自掺杂；2.离埋层越远，浓度越低，前方…后方…自掺杂前后是不对称的，下游比上游严重。3.横向自掺杂左右是对称的。埋层群：在一定的埋层数目下，埋层之间的间距越小，彼此的影响就越大。气相自掺杂就越严重。当埋层的数目高达500以上，不管埋层间距远近，硅片各处的横向自掺杂趋于均匀，与横向距离无关。51横向自掺杂峰的分析上图是归一化横向自掺杂峰的分布曲线。由图可二、1、二氧化硅膜的结构和性质（1）结构特点：“长无序，短有序”，即从较大范围看，原子排列是混乱的、无规则的，结构疏松而不均匀；从小范围看，是由硅—氧四面体组成的三维网络。二氧化硅薄膜52二、1、二氧化硅膜的结构和性质（1）结构特点：二氧化硅薄膜5（2）二氧化硅的性质：

二氧化硅属于酸性氧化物，是硅的最稳定化合物，有极高的化学稳定性，不溶于水，能耐多种强酸、强碱的侵蚀；但极易与氢氟酸作用；在一定的温度下，也有可能被铝、氢气等还原。53（2）二氧化硅的性质：二氧化硅属于酸性2、热生长氧化膜的制备（1）热生长氧化法的氧化机理

热生长氧化法是让硅片在高温下，与氧化剂发生反应而生长出一层二氧化硅膜的方法。根据氧化气氛分为：干氧氧化湿氧氧化水汽氧化542、热生长氧化膜的制备（1）热生长氧化法的氧化机理干氧氧化法：

在高温下当氧气与硅片接触时，氧分子与其表面的硅原子反应生成起始层，由于起始层阻碍了氧分子与硅表面直接接触，其后的继续氧化是氧扩散穿过已生成的向里运动，到达界面进行反应。

实践表明：干氧氧化速率慢，氧化层结构致密，不易产生浮胶现象。55干氧氧化法：在高温下当氧气与硅片接触时，

实践表明：干氧氧化速率慢，氧化层结构致密；表面是非极性的硅—氧烷结构，所以与光刻胶黏附良好，不易产生浮胶现象。硅氧烷结构56实践表明：干氧氧化速率慢，硅氧烷结构56水汽氧化法：

在高温下水汽与硅片表面的硅原子作用，生成二氧化硅起始层，其后的继续氧化一种认为：是水分子扩散通过已生成的氧化层；另一种认为：是水分子先与表面的二氧化硅反应生成硅烷醇结构，生成的硅烷醇再扩散穿过二氧化硅层抵达界面处，与硅反应。57水汽氧化法：在高温下水汽与硅片表面的硅原

实践表明：水汽氧化的速率快，但氧化层结构疏松，质量不如干氧氧化好，特别是氧化层表面是硅烷醇，极易吸附水，所以氧化层表面与光刻胶黏附性差。硅烷醇结构与水结合58实践表明：水汽氧化的速率快，但硅烷醇结湿氧氧化：

湿氧氧化是让氧气在通入反应室之前，先通过加热的高纯去离子水，使氧气中携带一定量的水汽（水汽的含量一般由水浴温度和气流决定，饱和的情况下只与水浴温度有关）。所以湿氧氧化兼有干氧和水汽两种氧化作用，氧化速率和质量介于两者之间。59湿氧氧化：湿氧氧化是让氧气在通入反应室之（2）热氧化生长动力学二氧化硅薄膜的增厚是通过如下几个步骤完成的：氧化剂从气相内部输运到气体—氧化层界面；扩散穿过已经生成的氧化层，抵达二氧化硅—硅界面；在界面处与硅发生氧化反应；反应的副产物扩散出氧化层，并向主气流转移。60（2）热氧化生长动力学二氧化硅薄膜的增厚是通过如下几个步骤完热生长氧化的一般表达式：其中：61热生长氧化的一般表达式：其中：61返回习题课62返回习题课62①氧化温度影响氧化层厚度的因素别碰我返回习题课63①氧化温度影响氧化层厚度的因素别碰我返回习题课63②氧化剂分压64②氧化剂分压64③氧化气氛热氧化与水浴温度的关系65③氧化气氛热氧化与水浴温度的关系65④与衬底取向及其掺杂浓度的关系66④与衬底取向及其掺杂66⑤加速自建场的影响（a）加速作用（b）时间常数与温度的关系空间电荷区对氧化的影响67⑤加速自建场的影响（a）加速作用（b）时间常数与温度的关系空⑥薄氧化层随着大规模集成电路的发展，对薄和超薄氧化层的需求越来越突出。为了保证薄氧化膜生长的均匀性和重复性，氧化速率必须足够慢，解决的途径必是低温或低压(在900-1000℃,0.25-2Pa条件下已经生长出3～14纳米的薄氧化层)。在1MPa的蒸气下，于750℃经30min生长的氧化层为30纳米。68⑥薄氧化层随着大规模集成电路的发展，对薄和超薄氧化层的需求越3、实现掩蔽扩散的条件（1）掩蔽扩散对扩散系数的要求原则上只要氧化层厚度满足不等式但实际上，只有对扩散系数的杂质，用膜掩蔽才有实用价值693、实现掩蔽扩散的条件（1）掩蔽扩散对扩散系数的要求原则上只杂质在二氧

化硅中的扩散

系数回去习题课70杂质在二氧

化硅中的扩散

系数回去习题课70（2）杂质扩散掩蔽膜最小厚度的确定气相杂质通过层的扩散掩蔽膜最小厚度：71（2）杂质扩散掩蔽膜最小厚度的确定气相杂质通过

双极型器件要求，杂质扩穿层进入Si中，Si表面的杂质浓度不得超过本底掺杂浓度的一半即取即符合双极器件的要求所以72双极型器件要求，杂质扩穿取

MOS器件的要求比双极型的要高只有才行，所以最小掩蔽膜的厚度应为回去习题课73MOS器件的要求比双极型的要回去习题课73§2-3热分解淀积氧化膜法该方法是利用含硅的化合物，经过热分解反应，在基片表面淀积一层二氧化硅。这种方法的优点是：基片本身不参与形成氧化膜的反应，而仅仅作为淀积二氧化硅的衬底。所以基片可以是硅片，也可以是金属片或陶瓷片等。这是与热生长氧化法最根本的区别。由于这种方法对基片的温度要求不高，故也称为“低温淀积”。作为热分解淀积二氧化硅膜常用的硅化合物有烷氧基硅烷和硅烷二类，分别介绍如下：1.烷氧基硅烷热分解淀积法它是利用多数烷氧基硅烷加热到一定温度（600~800度），即可分解出二氧化硅这一性质，在硅片表面淀积一层二氧化硅膜，方程式如下：从反应式看出，烷氧基硅烷加热后，分解出二氧化硅74§2-3热分解淀积氧化膜法该方法是利用含硅的但也随之生成了一些副产物。一般是些分子量大小不一的碳氢有机化合物，有的易于挥发，随抽气排除系统，有的就难以排除。特别当系统中有水汽或氧气漏进时，在分解温度下，容易与这些分解出的化合物起反应，其反应生成物随二氧化硅一起淀积在硅片上，使二氧化硅膜表面发乌，还会使光刻腐蚀出现反常现象等。反应物中的一氧化硅和碳的含量对氧化膜质量也有很大影响。如果采用含氧原子较多的（一般单个分子中含有三个或四个氧原子）烷氧基分子，如正硅酸乙酯（又叫四乙氧基硅烷，）则生成的一氧化硅很少。而碳的产生与热分解温度有密切关系，如果温度不超过750度，生成的碳不会多的。烷氧基硅烷热分解淀积二氧化硅膜又有两种方法，一种是惰性气体携带法，一种是真空淀积法。惰性气体携带法和真空淀积法的装置分别如下图所示：75但也随之生成了一些副产物。一般是些分子量大小不一的碳氢有机化两种方法相比，携带法淀积的二氧化硅膜均匀性较差，容易引入外来杂质。因此，目前多采用真空淀积法，淀积源选用正硅酸乙酯。它的热分解反应是反应温度一般选在750度左右，淀积源温度控制在20度左右，真空度要求达到0.01托即可，淀积时间根据膜厚来定。76两种方法相比，携带法淀积的二氧化硅膜均匀性较差，容易引入外来用淀积法生长的二氧化硅膜不如热生长法的质地致密，但在淀积后经过适当的增密处理，可使二氧化硅的质量有所改善。增密处理是在真空淀积之后，使硅片继续在反应炉内加热一段时间（30分钟左右）后，再用干燥的氮气、氩气或在氧的气氛中继续加热处理一段时间，温度控制在800度左右。2.硅烷热氧化淀积法硅烷热氧化淀积法是将硅烷在氧气中加热，反应生成二氧化硅，淀积在硅片或其它基片上：这种反应不生成气态的有机原子团等副产物，反应温度也低得多。衬底加热至300度左右，即可生成质量较高且均匀性好的氧化膜。77用淀积法生长的二氧化硅膜不如热生长法的质地致密，但在淀积后经硅烷的沸点是-111.8度，室温下以气态存在，遇空气会自燃，生成一种胶质状的二氧化硅粉末的淀积物。为了使反应易于控制和保证安全，可在反应前先用高纯氮气将硅烷稀释到与氮气的体积比在3%以下，并贮藏在钢瓶中。3.淀积法形成二氧化硅膜的特点热分解或热氧化淀积二氧化硅膜与热生长二氧化硅膜相比较有以下特点：（1）.可以在金属、陶瓷及其它半导体材料（如锗、砷化镓等）基片上淀积二氧化硅膜。这是热生长无法做到的。（2）淀积法所需温度较低，对于一些不宜作高温处理而又需要在表面形成二氧化硅膜的样品，用此法较为适宜。（3）可以淀积较厚的二氧化硅膜。78硅烷的沸点是-111.8度，室温下以气态存在，遇空气会自燃，二氧化硅膜厚度的检测一、比色法直接观察硅片表面的氧化膜的颜色，可以比较方便的估计出氧化膜的厚度。由于光的干涉作用，不同厚度的氧化膜可以表现出不同的颜色，其对应关系如下图：

氧化膜颜色氧化膜厚度（埃）第一周期第二周期第三周期第四周期灰色100

黄褐色300

棕色500

蓝色800

紫色1000275046506500深蓝色1500300049006850绿色1850330052007200黄色2100370056007500橙色225040006000

红色250043006250

不过，使用时要注意他们的关系是周期性的。79二氧化硅膜厚度的检测一、比色法直接观察硅片表面的氧化二、干涉法：这是最常用的方法，优点：设备简单，测量方便，也比较准确；缺点：是破坏性测试，超薄氧化层无法测量。将已氧化的硅片用蜡或真空脂保护一部分，然后放入氢氟酸中，未被保护区域的二氧化硅将被腐蚀掉，最后用有机溶剂将蜡或真空脂去掉，这时就出现了

干涉条纹二氧化硅的斜坡。当已知波长的单色光束垂直照射在斜坡上时，就会出现干涉条纹利用下列公式能够计算出二氧化硅的厚度。80二、干涉法：这是最常用的方法，优点：设备简单，测量方便，也比三、椭圆偏振法：

此法是由激光器发出一定波长的激光束经起偏器变为线偏振光，并确定其偏振方向，再经1/4波长片，由于双折射现象，使其成为相位相差π/2的两部分光，它们的偏振方向互相垂直，所以变为椭圆偏振光。椭圆的形状由起偏器方位角确定。椭圆偏振光以一定角度入射到样品上，反射后偏振状态发生改变，一般仍为椭圆偏振光，但椭圆的方位和形状改变了。用，描述反射时偏振光状态的变化。定义如下：式中，的意义是相对振幅衰减是相位移动之差，为P波分量与S波分量的总反射系数。光路图如下：81三、椭圆偏振法：此法是由激光器发出一定波长的激光束经起偏器在波长、入射角、衬底等参数一定时，和是膜厚和膜折射率n的函数，对于一定厚度的某种膜，转动起偏器，总可以找到某一方位角，使反射光变为线偏振光，这时再转动检偏器，当检偏器的方位角与反射线偏振光偏振方向垂直时，光束不能通过，出现消光现象。消光时，和分别由起偏器方位角p和检偏器方位角A决定：(P在0度到135度之间）（P大于135度）这时d和n也是P和A的函数，可由计算机计算得到（P，A）-（d，n）关系表绘制出关系图，根据已知的P、A求出d和n。例如在确定n的条件下根据关系表绘出的（P、A）-d关系图如下图所示可求得膜厚d。用椭圆偏振法测量膜厚不用损坏样品，精度高，测量范围0.001-1微米82在波长、入射角、衬底等参数一定时，和是膜厚8383金属化集成电路中器件的互连是通过金属化来实现的，通常用铝来作为互连线，这里我们定性讨论常规铝互连工艺所遇到的一些问题，并介绍代替常规铝互连的方法。常规铝互连工艺铝互连是通过将硅片放在真空室中，用蒸发铝的方法来实现的。然后利用光刻技术去除不需要的铝。在蒸铝时，用的是钨丝，由于钨丝因制作上的原因而含大量的钠，这对器件性能的影响是极坏的。所以在制造MOS器件时应该用电子束蒸发来淀积铝。84金属化集成电路中器件的互连是通过金属化来实现的，通常在除去不需要的金属以后，把硅片放进烧结炉中烧结几分钟，以便改善铝和硅之间的欧姆接触和增强铝膜的强度。烧结温度控制在450度左右，温度过高，时间过长，铝将渗入硅中，从而使器件被破坏。85在除去不需要的金属以后，把硅片放进烧结炉中烧结几分钟，以便改人们在广泛使用铝膜作为集成电路互连条的实践中，发现了金属薄膜的大电流密度效应。这种称为电迁移的现象，是铝互连条在使用时发生累进失效的原因。人们认为，热激发的铝离子在与导电电子碰撞时获得能量，并通过迁移离开接触区。当这些铝离子离开接触区后，便在接触区留下空位；由于没有别的铝离子可以填充这些空位，所以这些空位逐渐扩大，最后发展到切断铝互连条，从而引起失效。如果在铝膜上淀积一层厚度为几千埃的玻璃层，便可降低铝膜的失效率。业已证明，采用铝作接触和互连条具有如下几个优点：1.具有良好的导电性能；2.与硅有较高的低共熔点；3.与铝和二氧化硅有良好的粘附性；4.易于蒸发和腐蚀；5.与大多数封装材料不起化学反应。86人们在广泛使用铝膜作为集成电路互连条的实践中，发现了金属薄膜金属化中遇到的问题在金属化中存在着台阶覆盖问题、金属的合金组份问题、如何获得低接触电阻问题、金属层的刻蚀问题。半导体工业中采用的真空淀积技术有四种：1.灯丝加热淀积；2.电子束蒸发；3.闪烁蒸发；4.溅射（分二极溅射和磁控溅射）。淀积方法87金属化中遇到的问题在金属化中存在着台阶覆盖问题、金属的合金组氧化部分习题课类型一、已知氧化条件，求氧化层厚度。类型二、已知氧化条件和初始氧化层厚度，求硅表面的台阶高度。类型三、已知扩散条件，求最小掩蔽层厚度。典型习题一：在P—MOS集成电路工艺中，一次氧化的工艺条件是，氧化温度为1200摄氏度，时间是10+180+10（min），水温是95度，开管氧化，求氧化层厚度？解：开管氧化即为常压氧化，可利用图2-34求得抛物线氧化速率常数然后代入氧化层厚度表达式，经计算得到结果。如果初始氧化层厚度为零，则，如果初始氧化层厚度不为零，则通过上式求出，然后再代入上式，经计算得到结果。88氧化部分习题课类型一、已知氧化条件，求氧化层厚度。典型习题一典型习题二、硅表面已经有2000埃厚度的氧化层，经过光刻后，再次氧化，其条件是氧化温度是1200度，时间是60min，水温是95度。求窗口区与非窗口区的氧化层厚度，并求出硅表面的台阶高度？解：利用上题所说的方法，求出两个区域的氧化层厚度，然后利用公式计算，得到不同区域硅的新表面相对原始表面的距离，再求出台阶高度。典型习题三、P—MOS工艺中，源漏再扩散的条件是：扩散温度为1150度；时间是60min，求最小掩蔽层厚度？解：根据题给条件，先通过图表查出杂质在二氧化硅中的扩散系数再利用公式计算，得到结果。返回目录89典型习题二、硅表面已经有2000埃厚度的氧化层，经过光刻后，目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章参观实验室§3-1扩散1.扩散原理2.扩散层杂质原子的浓度分布3.扩散方法4.敏感度5.扩散层质量分析与检验6.扩散条件的选择7.理论分布与实际分布的差异§3-2离子注入掺杂1.离子注入设备

2.离子注入的浓度分布3.离子注入的掩蔽技术§3-3合金法90目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章参观实验第三章掺杂技术91第三章掺杂技术911、杂质原子的微观扩散机构及其宏观描述

(1)间隙式扩散

杂质原子从一个原子间隙运动到相邻的另一个原子间隙，是通过晶体中原子间的间隙进行的，这种依靠间隙运动方式而逐步跳跃前进的扩散机构，称为间隙式扩散。间隙原子势能原子的间隙运动及其势能曲线x一、扩散921、杂质原子的微观扩散机构及其宏观描述(1)间隙式扩散间替位原子势能原子的替位运动及其势能曲线x(2)替位式扩散与间隙式扩散不同，替位式杂质原子从一个替位位置运动到相邻另一个替位位置，只有当近邻格点处有一个空位时，替位杂质原子才有可能进入邻近格点而填充这个空位。因此，替位原子的运动必须以其近邻处有空位存在为前提.93替位原子势能原子的替位运动及其势能曲线x(2)替位式扩散时，两种扩散的扩散系数可表示为:慢扩散杂质在（111）硅中的扩散系数快扩散杂质在（111）硅中的扩散系数返回94两种扩散的扩散系数可表示为:慢扩散杂质在（111）硅中的扩散菲克第二定律：物理意义：存在浓度梯度的情况下，随着时间的推移，某点x处杂质原子浓度的增加（或减少）是扩散杂质粒子在该点积累（或流失）的结果。菲克第一定律：2、扩散层杂质原子的浓度分布95菲克第二定律：物理意义：存在浓度梯度的情况下，随菲克第一定律（1）恒定表面源扩散分布

是指在扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终是保持不变的。它的初始条件和边界条件为：初始条件：边界条件：可得菲克第二定律式解的表达式NNsNвx96（1）恒定表面源扩散分布是指在扩散过程中，硅(2)有限表面源扩散是指在扩散过程中，杂质源限定于扩散前淀积在硅片表面极薄层内的杂质总量Q，没有补充或减少，依靠这些有限的杂质向硅片内进行的扩散。设开始时Q是均匀分布在厚度为δ的薄层内，则初始条件为：边界条件为：97(2)有限表面源扩散是指在扩散过程中，杂质源限定于

根据初始条件和边界条件得到菲克第二定律的解为：Ns1Ns2Ns3Nвt1t2t3xj1xj2xj3xN0Ns1Ns2Ns3Nxxj1xj2xj3

T1T2T3t3>t2>t1T3>T2>T1(a)扩散温度相同，时间不同（b）扩散时间相同，温度不同有限源扩散的杂质浓度分布98根据初始条件和边界条件得到菲Ns1Ns2Ns固溶度：是指杂质在一定温度下，能溶入固体硅中的最大浓度。在通常的扩散条件下，表面杂质浓度可近似取其扩散温度下的固溶度。80090010001100120013001400温度（℃）杂质在硅中的固溶度固溶度（cmˉ³）返回99固溶度：是指杂质在一定在通常的扩散条件下，8009

★在较低温度下采用恒定表面源扩散的方式在硅片表面淀积一定量Q的杂质原子。★

由于扩散温度低，扩散时间短，杂质原子在硅片表面的扩散深度极浅。★

杂质浓度遵循余误差函数分布，即★杂质总量可表示为：第一步：预淀积返回3、硅器件生产中的两步扩散工艺100★在较低温度下采用恒定表面源扩散的方★由于扩散温度第二步：再分布

★

采用有限表面源扩散，把经预淀积的硅片放入另一扩散炉内加热，使杂质向硅片内部扩散，重新分布，达到所要求的表面浓度和扩散深度。★

杂质浓度遵循高斯分布：返回101第二步：再分布★采用有限表面源扩散，把经预淀积的硅片（一）恒定表面浓度的扩散分布在半无界空间求解如下定解问题这是一个具有第一类非齐次边界条件的定解问题扩散方程的解102（一）恒定表面浓度的扩散分布在半无界空间求解如下定解问题首先使边界条件齐次化令：于是有显然，只要求出，原扩散方程的解可求103首先使边界条件齐次化令：于是有显然，只要求出我们利用分离变量法对变换后的方程求解设方程的特解为将其代入方程并整理得等式由于两边分别为互不相关的独立变量，因此使等式成立的唯一可能是两边同等于某一常数a，考虑到扩散过程的不可逆性，a应取负值（否则由于有随着的增长将无限制地快速增大因而导致无限制增大，这显然是不合理的）104我们利用分离变量法对变换后的方程求解设方程的特解为将其代入若记（可为任意正、负实数）则有：由此得到两个常微分方程它们的通解是把解式代入齐次边界条件可定出任意常数，因此满足齐次边界条件的特解为：前面已经指出，可为上的任意实数，对于不同的值，有不同特解。线性方程的理论认为，全部特解的线性迭加就是偏微分方程的一般解105若记（可为任意正、负因此有：该式是傅立叶积分，当这个一般解进一步满足初始条件时，就得到我们所需要的解，由初始条件得到这是奇函数的傅立叶逆变式，根据奇函数的傅立叶变换公式可得106因此有：该式是傅立叶积分，当这个一般解进一步满足初始条件时，将上式中的积分变量改写为代回傅立叶积分式中得ψ利用积分公式令可以得到107将上式中的积分变量改写为代回傅立叶积分在第一积分式中作变换并交换第二积分式的上、下限，则有到此，已解出了于是原方程的解是108在第一积分式中作变换并交换第由于，上式可进一步表示为：由上面分析可知，恒定表面浓度的扩散分布是一种余误差函数分布109由于NNsX0t1t2t3t1<t2<t3根据积分的概念，曲线下面的面积表示进入硅片单位面积的杂质总量，即有：而余误差函数性质有所以扩散入硅片单位表面积上的杂质总量为：110NNsX0t1t2t3t1<t2<t3根据积分的概念，曲线下（二）限定源的扩散分布理想限定源扩散的特点是：整个扩散过程的杂质源，限定于扩散前积累在硅片表面的无限薄层内的杂质总量没有外来杂质补充，在硅片表面处的杂质流密度，因此杂质总量是一个常数。根据前面的分析，求解限定源扩散问题，即在半无界空间中求解下述定解问题。111（二）限定源的扩散分布理想限定源扩散的特点是：整个扩散过程的可以看出这是一个第二类齐次边界条件，为求解我们设分离变量的形式解为：代入方程并整理得两边分别为关于和的函数，若使等式成立则必为一个常数，设为则有两个常微分方程得：将此两个方程的解代入齐次边界条件得则满足边界条件的特解为112可以看出这是一个第二类齐次边界条件，为求解我们设分离变量的形与恒定表面浓度扩散方程的特解不同，解式中出现而不是这是边界条件不同的结果。将所有的特解迭加起来就是一般解当它进一步满足初始条件时，就得到我们所需要的解，为此，我们先令上式中的得到：这是偶函数的傅立叶逆变式，根据偶函数的傅立叶变换式113与恒定表面浓度扩散方程的特解不同，解式中出现可得由初始条件可知：只有当时才不为零，故上式中的积分上限可改写为又当，且时因此上式可进一步表示为：将代回一般解，就得到扩散方程的解若把积分公式代入上式就得到解的最后形式：114可得由初始条件可知：只有当时在扩散工艺中，常用的扩散方法很多，主要的有以下几种；一、液态源扩散硼酸三甲酯扩散三氯氧磷扩散4.扩散方法115在扩散工艺中，常用的扩散方法很多，主要的有以下几种；一、二、箱法扩散主要是箱法锑扩散。用于双极型半导体集成电路的埋层扩散。杂质源选用固态粉末状三氧化二锑和二氧化硅的混合物。早期的粉末状氮化硼扩散也采用此法。三、固态氮化硼扩散116二、箱法扩散主要是箱法锑扩散。用于双极型半导体集成电路的固态氮化硼扩散是近年来发展迅速的一项新的扩散工艺，其优点是设备简单，操作方便，生产效率高，均匀性、重复性好等，已经取代了液态源硼扩散。固态氮化硼源有粉末状和片状氮化硼两种。其中片状源氮化硼扩散的设备如上图所示。四、氧化物源扩散在硅片表面淀积一层掺杂的氧化物（浓度可以人为地进行调节）做杂质源，通过加热处理，向硅片体内进行杂质扩散，这种方法称为氧化物源扩散。一般分为两步进行：第一步是在硅片表面淀积一层具有一定杂质含量的二氧化硅薄层，这将成为第二步扩散的杂质源。117固态氮化硼扩散是近年来发展迅速的一项新的扩散工艺，其优点五、二氧化硅乳胶源涂层扩散二氧化硅乳胶源涂层扩散，是从氧化物源扩散演变发展起来的一种新的扩散工艺。（１）由于与氧化物源扩散的机理相同，所以具有与氧化物源扩散的相同优点。（２）由于仅需要高温扩散一次，所以与液态源的“两步扩散”相比，工艺简单。（３）适用于在非硅衬底的器件表面进行各种杂质的扩散。（４）由于在高温扩散时杂质很少逸出表面，所以在进行有毒杂质（如砷）的扩散时，更显其优越性。二氧化硅乳胶源的扩散工艺，分涂胶，预烘和扩散三个过程。二氧化硅乳胶是烷氧基硅烷的水解聚合物，能溶于乙醇，乙酯及醋酸等有机溶剂，掺入硼、磷、砷等杂质，即成乳胶源。118五、二氧化硅乳胶源涂层扩散二氧化硅乳胶源涂层扩散，是从氧敏感度在多元函数中，每个自变量的变化对函数的影响是不一样的，我们可以用敏感度来描述这种影响。定义式称为对的敏感度我们可以把扩散系数对温度的敏感度定义为：由于因此得到：测量表明，在温度为1000度时对于硼来说，把此值代入上式，得到119敏感度在多元函数中，每个自变量的变化对函数的影响是不一样的，（1）结深在硅片中掺入不同导电类型的杂质，两种杂质浓度相等的地方到硅片表面的距离叫结深，用表示。结深的表达式恒定表面源扩散：有限表面源扩散：5.扩散层质量分析与检验120（1）结深在硅片中掺入不同导电类型的杂质，两种杂质浓度相两种分布的结深表达式可以统一为：对余误差分布，对高斯分布，返回121两种分布的结深表达式可以对余误差分布，对高斯分布，返回121根据不同Ns和Nв值可以得到两种分布的A值与Ns/Nв关系曲线Ns/NвA返回122根据不同Ns和Nв值可以得到两种分布的A值与Ns/Nв关系曲结深的测试（1）磨角法：（a）样品制备，将硅片固定在特别的磨角器上，使硅片磨出一个具有一定角度（1～5度）的斜界面，如图可知：Pn磨角器硅片n-SiP（b）将硅片抛光后放入染色液内，用普通灯光照射（约30秒）在n区一侧染有铜，颜色略呈红色，与p区有显著色差。染色液配方为：硫酸铜（CuSO4·5H2O）：氢氟酸（48%HF）=200克/升：10克/升在硅片表面上加一块平板玻璃（与硅片表面要贴紧），其结深为：为使用光源的波长，如用钠光源，则为5900埃123结深的测试（1）磨角法：（a）样品制备，将硅片固定在特别的磨（2）阳极氧化剥层法上述方法测量误差较大（一般在1000～1500埃）为了更好的适应浅结的测试要求，因而出现了阳极氧化剥层法。在室温下，用阳极氧化法，先在硅片表面生长一层一定厚度的二氧化硅膜，然后用氢氟酸将膜剥除，测定硅表面的薄层电阻值。测毕再依次连续氧化、剥除，测量n次，直到薄层电阻值突然变小为止。若每次氧化、剥除二氧化硅的膜厚为800埃，则总的剥除的二氧化硅层厚度为n×800埃。由于生长的二氧化硅分子数与剥除的硅原子数相等，所以：这就是结深，测量误差可小于300埃。电导液一般采用四氢糠醇和亚硝酸钠的混合液124（2）阳极氧化剥层法上述方法测量误差较大（一般在1000～1（2）方块电阻★方块电阻表达式：其中★若衬底中原有的杂质浓度很低，则近似表示为：在扩散薄层上取一任意边长的正方形，该正方形沿电流方向所呈现的电阻，叫方块电阻。125（2）方块电阻★方块电阻表达式：其中★若衬底中原有的方块电阻的检测利用右图所示电路，将电流表所示电流控制在3毫安以内，读出电位差计所示电压，利用下式计算：式中常数C是由被测样品的长度L、宽度a、厚度d，以及探针间距S来确定。常数C可由下表查出126方块电阻的检测利用右图所示电路，将电流表所示电流控制在3毫安127127假设：1.样品的表面尺寸同探针间距相比为无限大。2.探针很尖，可视为点电源。3.探针间距相同。4.扩散层很薄。由于上述假设，探针尖与硅片接触处可看成是点电源，其电场分布可看成为柱状电场，电力线如右图所示。设点电源处为坐标原点，在距原点为r处取一微体积元，其电流横截面面积为dS。方块电阻计算公式的推导128假设：1.样品的表面尺寸同由于上述假设，探针尖与硅片接触处可距电流流入处为r的地方，电流密度应为体积元在r方向上所呈现的电阻值为而流经此体积元表面dA的电流为在此体积元两端面间产生的电压降为与电流流入处相距为r1和r2两点间的电压与上同理，电流流出探针可视为一个负的点电流源，且在此处的电场空间中，与针尖相距为r3和r4的两点之间的电压为129距电流流入处为r的地方，电流密度应为体积元在r方向上所呈现的由电场叠加原理可知，空间任意一点的电场应为两个电流源所产生的电场的叠加。因此，空间任意两点的电位差，即为两个点电流源I和-I在此两点所产生的电压之和。对于如右图所示四探针的情况，中间两个探针的电压应为外面两个探针所通过的电流（I和-I）分别在此两个探针之间产生的电压之和。即有四探针测量方块电阻示意图130由电场叠加原理可知，空间任意一点的电场应为两个电流源所产生的在四根探针排成一条直线，且针尖间距相等（S1=S2=S3）的情况下，上式可简化为：移项得当样品不够大时，上式的系数必须用修正因子C代替，即这就是前面采用四探针法测方块电阻时，用来计算方块电阻的普遍表达式。131在四根探针排成一条直线，且针尖间距相等（S1=S2=S3）的扩散杂质在半导体基片中的表面浓度，是半导体器件设计、制造中的一个重要结构参数，用NS表示。目前直接测定表面浓度的方法，有放射性示踪技术等，但比较繁杂。因此，在生产中，多采用间接的查图求解法。在本体杂质浓度不变的情况下，Rs、Ns和Xj之间存在对应关系（3）表面浓度132扩散杂质在半导体基片中的表面浓度，是半导体器件设计、制造中的★

次表面薄层：是指扩散表面之下，自某个深度x的平面到pn结位置之间的一个薄层。★

次表面层薄层电阻可表示为：结深、方块电阻、表面浓度、衬底浓度、次表面浓度及次表面电阻之间的关系可以用欧文曲线来表达。（4）次表面浓度和次表面层薄层电阻133★次表面薄层：是指扩散表面之下，自★次表面层薄层Pn结的击穿电压和反向漏电流，既是晶体管的重要直流参数，也是评价扩散层质量的重要标志。这里仅就与工艺有关的一些现象进行介绍。下面是几种典型的结异常击穿特性曲线VVVV（a）软击穿（b）低压硬击穿（c）靠背椅击穿（d）分段击穿返回返回（5）击穿电压和反向漏电流134Pn结的击穿电压和反向漏电流，既是晶体管的重要直流参数，也是1.软击穿当结上加反向偏压时在伏安特性曲线上，没有明显的转折点，如（a）所示。一般规定取反向电流达到某一数值时的电压为击穿电压。产生原因：往往与pn结附近的表面状态、晶格缺陷以及结附近的杂质浓度等有关。外延层杂质补偿严重时，也会出现软击穿。应加强工艺卫生和减少表面态密度。2.表面沟道效应上图（C）所示，形状象个靠背椅子，俗称“靠背击穿”。在很小的反向偏压下，反向电流就上升到一个饱和值（约为几百微安到几毫安），随着反向偏压继续增加，最后出现击穿。原因：由表面沟道引起。应：一、改进工艺卫生，防止二氧化硅的沾污；二、对钠离子等进行有效地消除和固定，如掺氯氧化或通磷蒸气等。1351.软击穿当结上加反向偏压时在伏安特性曲线上，没有明显的转3.分段击穿也称管道击穿，如上图中（d）所示这种击穿是局部作用引起的击穿。原因：外延层中的层错、位错密度过高；光刻图形边缘不整齐；表面存在合金点、破坏点；扩散后pn结出现尖峰等。4.低压击穿在远低于理论值时就已经发生击穿的现象，特指低压硬击穿，如上图中（b）所示，与分段击穿一样是存在局部薄弱点。该点较小时，则呈大电阻特性，是分段击穿；该点较大时，电阻较小，电流将会突然变大，形成低压击穿。基区过窄或外延层过薄，也能造成低压击穿。1363.分段击穿也称管道击穿，如上图中（d）所示这种击穿是局6.二次击穿右图为二次击穿曲线，它对大功率晶体管性能的影响较为严重，因它属于破坏性的局部热电击穿。当晶体管发生雪崩击穿（一次击穿）后，电流首先在结的局部集中，使该处的温度升高，产生大量的热生载流子。电流随之增大，并产生更多的热量，激发出更多的载流子，这一连锁反应，使晶体管的伏安曲线在极短的时间内快速地向低电压大电流区移动，呈现负阻现象。在发射极上加限流电阻可以适当改善，但不能彻底解决问题。1376.二次击穿右图为二次击穿曲线，它对大功率晶体管性能的影扩散条件包括扩散方法，扩散杂质源，扩散温度和时间。（１）扩散方法的选择扩散方法可以分为气－固扩散、液－固扩散和固－固扩散三种类型。其中气－固扩散又可分为闭管扩散、箱法扩散和气体携带法扩散；固－固扩散可分为氧化物源法和涂源法。扩散方法多种多样，各种方法都有自己的特点和问题，应根据实际情况选择合适的扩散方法。（２）扩散杂质源的选择杂质源的选择主要应考虑：二氧化硅的掩蔽；固溶度要足够高，要大于所需要的表面浓度；扩散系数的大小要适当。（３）扩散温度和时间的确定A.预淀积首先由所要求的表面浓度，从表面浓度－平均电导率的关系曲线查得相应的平均电导率然后通过关系式，由所要求的结深6.扩散条件的选择138扩散条件包括扩散方法，扩散杂质源，扩散温度和时间。（１）算出再由式计算出相应的杂质总量最后根据关系式即可确定和，一旦选定，也就确定了，于是就跟着确定了。温度选择时必须注意：所选定的温度，必须使它所对应的固溶度大于所要求的表面浓度。B.再分布再分布考虑的问题是获得一定的结深。根据如果再分布的温度选定了，则可求出相应的扩散时间。扩散温度和时间必须统筹考虑。一般的说，要求扩散时间不要太长，温度不要太高，以免影响器件的性能。对于表面浓度较高和扩散结深较大的慢扩散杂质，在不影响PN结性能及表面不出现合金点的前提下，可适当提高温度，以缩短扩散时间。再分布也是一次氧化过程，同时也要考虑到氧化所带来的问题。在前面讨论表面浓度时谈到，基区硼再分布和发射区磷再139算出再由式计算出相应的杂质总量最后根据关系式分布是与下一步的氧化同时进行的，于是在再分布过程中将有部分杂质聚集到所生长的二氧化硅层中，它必然会影响到再分布后扩散层的方块电阻。下面再根据预扩散和氧化再分布的条件来估算此时的方块电阻，并根据结果简单谈谈如何制定相应的扩散条件。假定再分布后杂质在二氧化硅和硅中的浓度分布如图所示。其中是扩入硅中的杂质总量，可用该扩散层中的平均杂质浓度表示为是再分布时分凝到二氧化硅层中的杂质总量，也可以用二氧化硅层中的平均浓度表示为140分布是与下一步的氧化同时进行的，于是在再分布过程中将有部分杂是二氧化硅层的厚度。如果忽略高温氧化时杂质从二氧化硅表面的逸出，则预淀积的杂质总量可表示为有人研究指出，如果把分凝系数定义为则可求得与实验数据符合较好的方块电阻式根据上面所推导，可得到于是所以因为预淀积通常是在恒定表面浓度下进行的，所以有141是二氧化硅层的厚度。如果忽略高温氧化时杂质从二氧化硅表面对于预淀积的温度比再分布时低得多的情况下，结深将主要取决于再分布的温度和时间。于是结深可表示为一项是考虑到硅表面氧化对结深的影响。对于干氧氧化有，湿氧氧化有所以有从结果可以看出，如果给出再分布后的及所要求的氧化层厚度等数据，就可以确定预淀积和再分布的温度和时间。湿氧氧化的时间主要由氧化层的厚度确定，湿氧时间一确定，干氧时间就很容易确定了。142对于预淀积的温度比再分布时低得多的情况下，结深将主要取决于再一般说来，上述两种分布对于实际工艺——两步扩散所形成的杂质分布有很好的近似，能够较好地反映实际分布所遵循的客观规律，对实际工作有指导作用。但由于在理论推算中往往对工艺条件做了某些理想化的假设，而在实际工作中影响因素往往是多方面的，所以实际分布与理论分布在不同条件下，总会出现一定的偏离，主要有以下几个方面的原因。（1）场助效应的影响扩散进入硅基片的杂质（施主或受主杂质），是以离化的施主（或受主）和电子（或空穴）同时存在并进行运动的。无论何时，只要具有不同迁移率的两种荷电粒子同时进行运动，就会产生一个自建场，这个场可以7.实际分布与理论分布存在差异的讨论143一般说来，上述两种分布对于实际工艺——两步扩帮助这两种粒子中较慢的那种粒子加速前进，这种现象一般称为场助效应。由于场助效应，使得粒子的扩散系数加大，其修正值可以通过对离子流密度的改变来得到，其修正公式可参照下式进行计算：式中，为离子流密度；为离子浓度。上式可以写成如下形式：其中是杂质的有效扩散系数，自建场的影响也包括在内。它是杂质离子浓度的函数。从有效扩散系数的表达式可以看出，当杂质离子浓度很高时，即这时自建场使扩散系数增加一倍。144帮助这两种粒子中较慢的那种粒子加速前进，这种现象一般称为场助（2）发射区下陷效应的影响这一效应也是扩散工艺中，由于表面杂质浓度超过一定数量而造成反常现象的重要原因，称之为晶格应变效应。它是指在硅基片扩散层中的某些区域，又掺入第二种高浓度杂质时，在这一区域的原扩散层将会发生“加强扩散”。这在平面工艺连续扩散的情况下是经常发生的。因为第二次进行发射区磷扩散的表面杂质浓度很高，一般将达到数量级。这就使磷扩散区域下面的硼扩散结面向下推移一段距离，造成这一效应的原因有多种，一般认为比较合理的解释是由于高浓度杂质进入晶体而造成的晶格应变。这给制造薄基区的半导体器件（如高频晶体管等）带来了困难。解决的办法，是设法寻求一种杂质的原子半径与基片物145（2）发射区下陷效应的影响数量级。这就使磷扩散质的原子半径相接近，以减小晶格的应变。（３）基片外表面扩散速率的影响在恒定表面源扩散的讨论中，曾确定边界条件之一为即假定表面杂质浓度在整个预淀积时间内是常数。但实际情况是：基片在一开始是没有杂质的，表面杂质浓度为零。浓度由零到最后为常数有一个建立的过程，需要一个建立的时间，这一时间的长短将由以下两个过程的相对速率来确定：ａ杂质从气体内部到基片表面的输运；ｂ从表面到基片体内的固态扩散。这样，杂质在基片外表面的输运速率将直接影响扩散的过程。前面假定的边界条件也将修订为：这一式子说明，在基片外表面，由于气体的质量转移而达到表面的粒子流，应等于通过向基片内部扩散而离开表面的粒子流146质的原子半径相接近，以减小晶格的应变。（３）基片外表面扩正如前一章所介绍过的，是用固体中浓度来表示的气相质量转移系数，这一问题的解如下式：这个解是余误差函数值减去一个修正项。在修正项中值的大小将起着重要作用，当其数值很大时，修正项趋于零。在典型的扩散条件下，建立平衡需要的时间约为小时，比１分钟稍长些。由于预淀积过程一般也不过几分钟时间，所以气相速率限制的影响是不能被忽略的。４.热氧化过程中杂质再分布的影响在讨论有限表面源扩散时，即两次扩散的再分布阶段往往都与氧化结合在一起进行，同样存在着实际条件与原定边界条件的偏差。因为原定边界条件是基于二147正如前一章所介绍过的，是用固体中浓度来表示的气相质量转氧化硅膜对大多数杂质存在掩蔽作用，即杂质在二氧化硅中的扩散较之在硅中要慢得多，这样，扩入硅中的杂质就被认为是全部存留在二氧化硅膜下面的硅基片内，但实际情况并非如此。因为，在二氧化硅和硅界面处存在着杂质按照分配系数进行的再分布，这一现象将严重的影响杂质的