扩散工艺(Diffusion Process)

1、扩散工艺 (diffusion process), 概述 扩散工艺和设备 扩散工艺流程 实际扩散分布的分析 扩散工艺质量检测,扩散工艺(diffusion process),1）扩散运动：物质的随机热运动，趋向于降低其浓度梯度； 即存在一个从高浓度区向低浓度区的净移动。 2）扩散工艺：利用杂质的扩散运动，将所需要的杂质掺入硅 衬底中，并使其具有特定的浓度分布。 3）研究杂质在硅中的扩散运动规律的目的：,扩散运动与扩散工艺, 开发合适的扩散工艺，预测和控制杂质浓度分布。 研究ic制造过程中其他工艺步骤引入的扩散过程 对杂质分布和器件电特性的影响。,3）形成mosfet中的漏区和源区,扩散工艺在i

2、c制造中的主要用途：,1）形成硅中的扩散层电阻,2）形成双极型晶体管的基区和发射区,(1) 气态源： ash3，ph3，b2h6 (2) 固态源：,扩散工艺和设备,1、目前的扩散工艺已基本被离子注入取代，只有在进行重掺 杂时还用扩散工艺进行。,2、 扩散工艺的分类主要取决于杂质源的形态，常见的杂质源 形态包括：,单磷酸铵,(nh4h2po4),砷酸铝,(alaso4),硼源：bbr3(沸点90) 磷源：pocl3(沸点107),(3) 液态源, 防止引入污染 工艺参数控制：温度分布、气流量和排片方式、片间距等,3、扩散设备类似于氧化炉管。,4、扩散工艺的控制要点：,如何选择扩散源： 1）半导体

3、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； 3 ）选择纯度高、毒性小的扩散源。 常用的扩散杂质有硼（b），磷（p）、锑（sb）、砷（as）。 扩散杂质源（含有这些杂质原子的某些物质）有固态源、液态源和气态 源。,第二步：推进扩散,扩散工艺,(1) 先进行恒定表面源的预淀积扩散(温度低，时间短)， 扩散很浅，目的是控制进入硅片的杂质总量；,(2) 以预扩散杂质分布作为掺杂源再进行有限表面源的推进扩 散，又称主扩散，通过控制扩散温度和时间以获得预期的 表面浓度和结深（分布）。,为获得足够浅的预淀积分布，也可改用离子注入方法取代预扩散步骤。,第一步：预淀积扩散,“预淀积扩散”+“

4、推进扩散”的两步扩散法,整个扩散工艺过程,清洗硅片,预淀积,测试,开启扩散炉,推进、激活,预淀积,温度：8001000 时间：1030min,预淀积的杂质层,推进,温度：10001250,结深,预淀积的杂质层,激活,稍微升高温度 替位式杂质原子。,杂质原子,激活, 横向扩散的存在影响ic集成度，也影响pn结电容。,实际扩散分布的分析(与理论的偏差),1、横向扩散：杂质在纵向扩散的同时，也进行横向的扩散, 一般横向扩散长度是纵向扩散深度的0.75 - 0.85；, 当杂质浓度 ni，时， he = 2,2、内建电场的影响,空间电荷层 自建电场 扩散+漂移。,有效扩散系数deff,氧化增强扩散或氧

5、化阻滞扩散,3、扩散气氛的影响, p、b在o2气氛中扩散比在n2中快，称之为氧化增强扩散。, as 在o2气氛中扩散比在n2中慢，称之为氧化阻滞扩散。, 氧化时硅片表面存在大量过剩填隙原子，填隙原子数增 加，导致空位数量减少(填隙原子一空位复合)。, p，b的扩散机制主要是推填隙扩散机制；as的扩散机制 主要是空位扩散机制。,杂质在半导体中的扩散与空位浓度有关,原因,4、sio2中的扩散,对于常见的杂质，如b，p，as等，其在sio2中的扩散系数比在 si中的扩散系数小得多，因此，sio2经常用做杂质扩散的掩蔽层,影响sio2的掩蔽效果的主要因素：, 扩散系数比例 扩散时间 杂质在si和sio

6、2中的浓度 杂质分凝系数,5、ic工艺的热预算(thermal budget), ic制造过程中经过的每一步高温工艺，都会对最终的 杂质分布产生影响。 杂质再分布, 假设硅片经过的高温过程有：温度t1下时间t1，温度 t2下时间t2，其相对应的扩散率为d1，d2 ， ， 则总的有效扩散特征长度为：, 不能精确控制掺杂浓度和分布，横向效应大 不适于低剂量、浅分布的掺杂工艺 扩散设备无法实现在线质量监控,扩散工艺的局限性,1） 在cmos ic工艺中，只有多晶硅淀积后重掺杂p还采用 pocl3进行扩散掺杂。,2） 扩散工艺存在的主要问题：,3）随着器件尺寸的缩小，杂质分布要求越来越浅，掺杂精确度要

7、 求越来越高，因此，扩散工艺在1980年代后逐步被离子注入掺 杂技术所取代。,2、主要的检测项目：,扩散工艺质量检测,获取作为深度和横向位置函数的杂质浓度(杂质分布),1、目的：,四探针法测量样品薄层电阻,1）薄层电阻的测量：, 四探针法,当探针间距远远大于结深时，有,用于检测扩散分布时，必须保证衬底绝缘或扩散层一衬底问形成反偏pn结。,其中，f(q)是形状因子，对于正方形结构，,范德堡法测量样品薄层电阻,1）薄层电阻的测量：, 范德堡法,(1) 将样品磨出一个小角度斜面,(2) 将样品放在载片台上，用一对探针以预定压力与样品 表面接触，测量该电阻值。,(3) 将该电阻值与一个已知浓度的标准值

8、进行比较， 从电阻率反推出载流子的分布。,主要问题,测量结果取决于点接触的重复性。 进表面测量比较困难。 测量样品与校准标准片比较接近。,2）杂质浓度深度分布关系的测量-扩展电阻法,文献阅读：扩散工艺在半导体生产中的应用,1.半导体生产中的扩散工艺流程 在半导体的生产过程中，晶圆的扩散是一道非常重要的工序，一般在扩散炉内完成，具体的工艺流程如下： 1） 注入足量的氮气或氧气； 2） 电加热使炉内的温度升高到特定值； 3） 晶圆送入到扩散炉内； 4） 再注入足够的氮气或氧气； 5） 再次升温； 6） 将掺杂的气体注入到扩散炉内； 7） 炉内温度恒定，一定时间后，进行降温处理。,注意事项：,1）对扩散炉温度工艺曲线的控制。至少分别对扩散炉的 9个温度检查点执行检查显示和控制操作，及时矫正 控制参数； 2）对气体流量进行检测和控制。在扩散过程中要在炉管 内一直通氮气，保证炉内处于正压状态；要实时检测 扩散炉内不同气体的流量和比例，保证晶圆的扩散质 量。,半导体生产中扩散工艺的发展,微波加快扩散速度：缩短反应时间 离子注入法的引入：所需温度低、易控制、不受杂质固溶态限制,结论,扩散工艺是生产半导体的一种常用方法，本文主要探讨了扩散工艺的工艺流程和扩散工艺的发展方向，半导体的导电特