工艺之扩散(三)12剖析
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八大半导体工艺顺序剖析
八大半导体工艺顺序剖析八大半导体工艺顺序剖析在现代科技领域中，半导体材料和器件扮演着重要的角色。
作为电子设备的基础和核心组件，半导体工艺是半导体制造过程中不可或缺的环节。
有关八大半导体工艺顺序的剖析将会有助于我们深入了解半导体制造的工作流程。
本文将从简单到复杂，逐步介绍这八大工艺的相关内容。
1. 排版工艺（Photolithography）排版工艺是半导体制造过程中的首要步骤。
它使用光刻技术，将设计好的电路图案转移到硅晶圆上。
排版工艺需要使用光刻胶、掩膜和曝光设备等工具，通过逐层叠加和显影的过程，将电路图案转移到硅晶圆上。
2. 清洗工艺（Cleaning）清洗工艺在排版工艺之后进行，用于去除光刻胶和其他污染物。
清洗工艺可以采用化学溶液或高纯度的溶剂，保证硅晶圆表面的干净和纯净。
3. 高分辨率电子束刻蚀（High-Resolution Electron BeamLithography）高分辨率电子束刻蚀是一种先进的制造技术。
它使用电子束在硅晶圆表面进行刻蚀，以高精度和高分辨率地制作微小的电路图案。
4. 电子束曝光系统（Electron Beam Exposure Systems）电子束曝光系统是用于制造高分辨率电子束刻蚀的设备。
它具有高能量电子束发射器和复杂的控制系统，能够精确控制电子束的位置和强度，实现微米级别的精细曝光。
5. 高能量离子注入（High-Energy Ion Implantation）高能量离子注入是半导体器件制造中的一项重要工艺。
通过将高能量离子注入到硅晶圆表面，可以改变硅晶圆的电学性质，实现电路中的控制和测量。
6. 薄膜制备与沉积（Film Deposition）薄膜制备与沉积是制造半导体器件的关键工艺之一。
这个工艺将薄膜材料沉积在硅晶圆表面，包括化学气相沉积、物理气相沉积和溅射等方法。
这些薄膜能够提供电介质、导电材料或阻挡层等功能。
7. 设备和工艺完善（Equipment and Process Optimization）设备和工艺完善的步骤是优化半导体制造工艺的关键。
扩散工艺ppt课件
(3) 将该电阻值与一个已知浓度的标准值进行比较， 从电阻率反推出载流子的分布。
主要问题 (1) 测量结果取决于点接触的重复性。 (2) 进表面测量比较困难。 (3) 测量样品与校准标准片比较接近。
精选ppt课件2021
27
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。
第一步：预淀积扩散
精选ppt课件2021
第二步：推进扩散
9
整个扩散工艺过程
开启扩散炉 清洗硅片 预淀积
推进、激活 测试
精选ppt课件2021
10
预淀积
温度：800~1000℃ 时间：10~30min
预淀积的杂质层
精选ppt课件2021
11
推进
温度：1000~1250℃
预淀积的杂质层
精选ppt课件2021
原因 杂质在半导体中的扩散与空位浓度有关 ■ 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。 氧化增强扩散或氧化阻滞扩散
精选ppt课件对于常见的杂质，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
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。
主要问题 (1) 测量结果取决于点接触的重复性。 (2) 进表面测量比较困难。 (3) 测量样品与校准标准片比较接近。
精选ppt课件2021
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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。
第一步：预淀积扩散
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第二步：推进扩散
9
整个扩散工艺过程
开启扩散炉 清洗硅片 预淀积
推进、激活 测试
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10
预淀积
温度：800~1000℃ 时间：10~30min
预淀积的杂质层
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11
推进
温度：1000~1250℃
预淀积的杂质层
精选ppt课件2021
原因 杂质在半导体中的扩散与空位浓度有关 ■ 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。 氧化增强扩散或氧化阻滞扩散
精选ppt课件对于常见的杂质，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
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。
半导体工艺整理
三．热分解淀积氧化热分解氧化薄膜工艺是利用含硅的化合物经过热分解反应，在硅片表面淀积一层二氧化硅薄膜的方法。
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氧化膜的衬底。
衬底可以是硅也可以不是硅而是其它材料片。
如果是硅片,获得二氧化硅膜也不消耗原来衬底硅,而保持硅片厚度不变，这是与热氧化法最根本的区别。
因为这种方法可以在较低的温度下应用，所以被称作“低温淀积”。
常用的热分解淀积氧化膜反应源物质（硅化合物）有正硅酸乙脂和硅烷两种。
现分别介绍如下：1．正硅酸乙脂热分解淀积淀积源的温度控制在20 o C左右，反应在真空状态下进行，真空度必须在10—2×133.3Pa以上，淀积时间根据膜厚决定。
淀积得到的二氧化硅氧化膜不如热生长的致密。
但如果在真空淀积之后经过适当的增密处理可使其质量有所改善；方法是硅片在反应炉内加热升温到850~900o C半小时左右,之后再在干燥的氮、氩或氧气氛中继续加热一段时间即可.2．硅烷热分解淀积反应方程式：SiH4 + 2O2→SiO2↓+ 2H2O↑（300～400 o C) 以上两种热分解淀积氧化膜的方法实际上是一种化学气相淀积（CVD)工艺。
前一种是低压CVD（LPCVD）;后一种是常压CVD（APCVD）.特别是后一种硅烷加氧气淀积二氧化硅的方法，是目前生产中天天在用的常规工艺。
以后我们将有专门的章节讲解CVD工艺.第二节SiO2薄膜的质量与检测二氧化硅工艺质量是半导体器件质量的基础。
下面就氧化质量要求,工艺检测，常见质量问题及对策等几个方面进行讨论。
一．质量要求SiO2薄膜质量优劣对器件性能和产品成品率都有很大影响.通常要求薄膜表面无斑点、裂纹、白雾、发花和针孔等缺陷；厚度要求在指标范围内，且保持均匀一致；结构致密，薄膜中可动离子特别是钠离子量不得超标。
二．检测方法1．厚度测量要求精度不高时，可用比色法、磨蚀法测量；精度高时，可用双光干涉法,电容－电压法检测。
光伏电池制备工艺项目三-扩散(课堂PPT)
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石英管清洗机 2 石英管清洗
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2 石英管清洗
石英管清洗机控制面板
控制面板由开关.电 源按钮.急停和操作 面板组成。开机时 先开总电源，再按 电源开关。关机时 先按电源开关，再 关总电源。遇到紧 急情况时按急停按 钮，记住复位。
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石英管清洗机控制面板操作方法
JO-1腐蚀槽进水 J1-1清洗槽进水 C0-1腐蚀槽排水 C1-1清洗槽排水 DO-1腐蚀槽转动 D1-1清洗槽转动 前：机械臂移动到腐蚀槽 中：机械臂停止 后：机械臂移动到清洗槽
❖ 4）把源瓶放入恒温槽（一般20℃左右），水位离源瓶 顶部1CM左右水位，确定装源瓶时不能带入纸屑等杂物（包
括贴在源瓶上的标签），以防把恒温槽循环泵的进出水口堵 塞，把进气管和出气管接好。
❖ 5）先在PLC控制面板上把小氮出气的电磁阀打开，把 源瓶出气阀慢慢的拧开，目的释放瓶内压力。
❖ 6）然后在PLC控制面板上把小氮进气的电磁阀打开， 设定小氮流量（500）。
❖ ④平抬起舟叉，朝上倾斜三十度（如图），将装载有硅片 的石英舟从碳化硅桨上面取下放到净化台上；
❖ ⑤ 并将下一批待扩散的硅片装入扩散炉中。
21
8 取片
❖ ① 操作员戴上橡胶手套或指套，口罩。 ②单晶取片方式：单手拿住硅片两边进行卸片，正面（扩散 面）朝上放置。 。 ③多晶取片方式：双手握住硅片的两边，将硅片从石英槽内 取出，及时放入泡沫盒内 ，每次卸片应控制在十片以内 。
（p型和n型）的半导体接触在一起就能形成的。要制造一 个p-n结，必须使一块完整的半导体晶体的一部分是P型区 域，另一部分是n型区域。也就是在晶体内部实现p型和n 型半导体的接触。
N
P
2
半导体制造工艺之扩散原理概括
上节课主要内容
预淀积＋退火。预淀积：气固相预淀积
1、掺杂工艺一般分为 哪两步？结深？薄层电 阻？固溶度？
扩散或离子注入。Rs：表面为正方形的 半导体薄层（结深），在平行电流方向
所呈现的电阻，单位为 /，反映扩散
入硅内部的净杂质总量。固溶度：在平
衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生
2、两种特殊条件下的费 反应形成分凝相的最大浓度。
3、氧化增强/抑制扩散（oxidation enhanced / retarded diffusion）OED/ORD
对于B，P来说，在氧化过程中，其扩散系数增加。
对Sb来说，扩散系数减小。
双扩散机制: 杂质可以通过空位和间隙两种方式扩散
1 ）OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以 通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大 量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数
DA ef fD0DnpiDnpi
n型掺杂 p型掺杂
1000 C下，非本征扩散系数：
D A s1.6 6 11 04 c2 m /sec
箱型
非本征掺杂扩散系数比本征掺
杂扩散系数高一个数量级！！
由于非本征掺杂的扩散系数在 掺杂边缘迅速衰减，因而出现 边缘陡峭的“箱型”分布。
n
由
np
n
2 i
并假定杂质全部离化，有
C NA ND
n C24ni2 C 2
场助扩散方程： FhDCx
其中h为扩散系数的电场增强因子： h1
C C2 4ni2
当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时，h 接近 2。
电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大
2、扩散系数与杂质浓度的关系
离子注入 ＋
预淀积＋退火。预淀积：气固相预淀积
1、掺杂工艺一般分为 哪两步？结深？薄层电 阻？固溶度？
扩散或离子注入。Rs：表面为正方形的 半导体薄层（结深），在平行电流方向
所呈现的电阻，单位为 /，反映扩散
入硅内部的净杂质总量。固溶度：在平
衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生
2、两种特殊条件下的费 反应形成分凝相的最大浓度。
3、氧化增强/抑制扩散（oxidation enhanced / retarded diffusion）OED/ORD
对于B，P来说，在氧化过程中，其扩散系数增加。
对Sb来说，扩散系数减小。
双扩散机制: 杂质可以通过空位和间隙两种方式扩散
1 ）OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以 通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大 量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数
DA ef fD0DnpiDnpi
n型掺杂 p型掺杂
1000 C下，非本征扩散系数：
D A s1.6 6 11 04 c2 m /sec
箱型
非本征掺杂扩散系数比本征掺
杂扩散系数高一个数量级！！
由于非本征掺杂的扩散系数在 掺杂边缘迅速衰减，因而出现 边缘陡峭的“箱型”分布。
n
由
np
n
2 i
并假定杂质全部离化，有
C NA ND
n C24ni2 C 2
场助扩散方程： FhDCx
其中h为扩散系数的电场增强因子： h1
C C2 4ni2
当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时，h 接近 2。
电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大
2、扩散系数与杂质浓度的关系
离子注入 ＋
扩散工艺的化学原理教学文案
正是这个原因，扩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 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 广泛地用于一般器件。
1、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
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。
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。 替位式杂质：扩散速率低的杂质，如砷（As)、磷（P）等。通常利用替代
运动填充晶格中的空位。
杂质原子
替位式杂质
√
间隙式杂质
×
整个扩散工艺过程 开启扩散炉 清洗硅片 预淀积 推进、激活 测试
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剧毒又 易爆炸，在使用时应采取相应的安全措施。
§6-4 锑扩散的化学原理
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N-P-N 晶体管的集电区下面扩散一层N＋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 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。 埋层锑扩散大都使用三氧化二锑（Sb2O3）为杂质源：
扩散工艺的化学原理
扩散工艺: 高温下，将杂质原子向硅、锗晶体内部扩 散。
目的：制造P-N 结，制造集成电路的扩散电阻、埋层 和隔离。
III A族元素杂质：硼 （B）
扩散到硅晶体内部
V A 族元素杂质：磷（P）、锑（Sb）
§6-1 半导体的杂质类型
半导体硅、锗等都是第 IV 族元素。 掺入第 V 族元素（如磷，五个价电子）。杂质电离
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。
1、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
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。
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。 替位式杂质：扩散速率低的杂质，如砷（As)、磷（P）等。通常利用替代
运动填充晶格中的空位。
杂质原子
替位式杂质
√
间隙式杂质
×
整个扩散工艺过程 开启扩散炉 清洗硅片 预淀积 推进、激活 测试
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剧毒又 易爆炸，在使用时应采取相应的安全措施。
§6-4 锑扩散的化学原理
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N-P-N 晶体管的集电区下面扩散一层N＋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 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。 埋层锑扩散大都使用三氧化二锑（Sb2O3）为杂质源：
扩散工艺的化学原理
扩散工艺: 高温下，将杂质原子向硅、锗晶体内部扩 散。
目的：制造P-N 结，制造集成电路的扩散电阻、埋层 和隔离。
III A族元素杂质：硼 （B）
扩散到硅晶体内部
V A 族元素杂质：磷（P）、锑（Sb）
§6-1 半导体的杂质类型
半导体硅、锗等都是第 IV 族元素。 掺入第 V 族元素（如磷，五个价电子）。杂质电离
太阳能电池片扩散工艺
磷扩散工艺过程
清洗
扩散
饱和 回温 装片
关源，退舟
卸片
送片
7
方块电阻测量
清洗
清洗开始时，先开O2，再开 TCA；清洗结束后，先关TCA， 再关O2。 三氯乙烷（C2H3Cl3）高温氧 化分解，产生的氯分子与重金 属原子化合后被气体带走，达 到清洗石英管道的目的。其反
8
清洗
化学品：C2H3CL3(三氯乙烷) 特性： 无色液体，不溶于水 危害性：遇明火、高热能燃烧，并产生剧毒的氯 化氢烟雾 。急性中毒主要损害中枢神经系统。对 皮肤有轻度脱脂和刺激作 用。
太阳电池磷扩散方法
１．三氯氧磷（POCl3）液态源扩散 ２．喷涂磷酸水溶液后链式扩散 ３．丝网印刷磷浆料后链式扩散 优点： POCl3液态源扩散方法具有生产效率较高，得 到PN结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，这对 于制作具有大面积结的太阳电池是非常重要的。
POCl3 简介
POCl3是目前磷扩散用得较多的一种杂质源
20 20 20 20 20
扩散装置示意图
POCl3磷扩散原理
POCl3在高温下（>600℃）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5）， 其反应式如下：
生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其反应 式如下：
由上面反应式可以看出，POCl3热分解时，如果没有外来的氧（O2）参与其分 解是不充分的，生成的PCl5是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的 表面状态。但在有外来O2存在的情况下，PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气 （Cl2）其反应式如下：
生成的P2O5又进一步与硅作用，生成SiO2和磷原子，并在硅片表面形成一层磷硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散 。由此可见，在磷扩散时，为了促使 POCl3充分的分解和避免PCl5对硅片表面的腐蚀作用，必须在通氮气的同时通入 一定流量的氧气 。
半导体制造工艺之扩散原理概述
I+VSis
表示晶格上 的Si原子
As受间隙和空位 扩散两种机制控 制，氧化时的扩 散受影响较小
4、发射极推进效应（Emitter Push effect）
Phosphorus
Boron
✓ 实验现象：在P（磷）发射区下的B扩散比旁边的B扩散快 ，使得基区宽度改变。
✓ A＋IAI，由于发射区内大量A(P)I的存在使得反应向左进 行，通过掺杂原子A(P)向下扩散并找到晶格位置的同时， 释放大量的间隙原子I，产生所谓“间隙原子泵”效应，加快 了硼的扩散。
例： 预淀积: 950 oC 通源 10－20 分钟，N2 再分布: 1100 － 1200 o C干氧＋湿氧＋干氧
2）液态源磷扩散
2、液态源扩散
舟
利入用高载温气扩（散如反应N2管），通杂过质液蒸态汽杂在质高源温，下携分带解着，杂并质与蒸硅汽表进 面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。
1）液态源硼扩散
• 源 硼酸三甲脂 B[(CH3)O]3
• 在500 oC 以上分解反应 B[(CH3)O]3 B2O3 + CO2 + H2O ＋ ... 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B
3）所需离子注入的杂质剂量 可以推算出
该剂量可以很方便地用离子注入实 现在非常薄的范围内的杂质预淀积
4）假如采用950 C热扩散预淀积而非离子注入 此时，B的固溶度为2.5×1020/cm3，扩散系数D=4.2×10-15 cm2/s 该预淀积为余误差分布，则 预淀积时间为
即使
但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离子注入！
1 ）OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以 通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大 量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数
扩散焊
• （1）扩散焊的接头形式设计 • （2）焊件表面的制备与清理 • （3）中间层材料及选择
2020/4/5
12
异种金属特种焊接方法之 扩散焊
（1）扩散焊的接头形式设计
• 扩散焊接头的形式
比熔化焊类型多，
可进行复杂形状的
接合，如平板、圆
管、中空、T形及蜂
2020/窝4/5 结构均可进行扩
13
异种金属特种焊接方法之 扩散焊
• 过厚的中间层焊后会以层状残留在界面区，影响接 头的物理、化学和力学性能。
• 中间层厚度在30~100μm时，以箔片的形式夹在待
焊接表面间。
2020/4/5
17
异种金属特种焊接方法之 扩散焊
（3）阻焊剂
扩散焊时为了防止压头与焊件或焊件之间某些区域被 扩散焊粘接在一起，需加阻焊剂。
1）熔点或软化点应高于焊接温度；
扩散焊
（3）中间层材料及选择
• 为了促进扩散焊过程的进行，降低扩散焊温度、 时间、压力和提高接头性能，扩散焊时可在待焊 接材料之间插入中间层。
• 中间层材料的特点 • 中间层的选用 • 阻焊剂
2020/4/5
15
异种金属特种焊接方法之 扩散焊
（1）中间层材料的特点
1）容易发生塑性变形；含有加速扩散的元素，如 B、Be、Si等。
2．钢与钛的扩散焊接
• 采用扩散焊方法焊接钢与钛及钛合金时，应 添加中间层或复合填充材料。
• 中间层材料一般是V、Nb、Ta、Mo、Cu等， 复合填充材料有：V+Cu、Cu+Ni、 V+Cu+Ni以及Ta和青铜等。
2020/4/5
37
异种金属特种焊接方法之 扩散焊
3．钢与铜及铜合金扩散焊接
2020/4/5
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异种金属特种焊接方法之 扩散焊
（1）扩散焊的接头形式设计
• 扩散焊接头的形式
比熔化焊类型多，
可进行复杂形状的
接合，如平板、圆
管、中空、T形及蜂
2020/窝4/5 结构均可进行扩
13
异种金属特种焊接方法之 扩散焊
• 过厚的中间层焊后会以层状残留在界面区，影响接 头的物理、化学和力学性能。
• 中间层厚度在30~100μm时，以箔片的形式夹在待
焊接表面间。
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异种金属特种焊接方法之 扩散焊
（3）阻焊剂
扩散焊时为了防止压头与焊件或焊件之间某些区域被 扩散焊粘接在一起，需加阻焊剂。
1）熔点或软化点应高于焊接温度；
扩散焊
（3）中间层材料及选择
• 为了促进扩散焊过程的进行，降低扩散焊温度、 时间、压力和提高接头性能，扩散焊时可在待焊 接材料之间插入中间层。
• 中间层材料的特点 • 中间层的选用 • 阻焊剂
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异种金属特种焊接方法之 扩散焊
（1）中间层材料的特点
1）容易发生塑性变形；含有加速扩散的元素，如 B、Be、Si等。
2．钢与钛的扩散焊接
• 采用扩散焊方法焊接钢与钛及钛合金时，应 添加中间层或复合填充材料。
• 中间层材料一般是V、Nb、Ta、Mo、Cu等， 复合填充材料有：V+Cu、Cu+Ni、 V+Cu+Ni以及Ta和青铜等。
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异种金属特种焊接方法之 扩散焊
3．钢与铜及铜合金扩散焊接
磷扩散sanjing-1剖析
扩散注意点：
➢ 4、禁止每台扩散炉四进四出。 ➢ 5、扩散间传递窗的里外两扇门不能同时打开，
开门时不能用力过大，防止传递窗门破裂，绝不 允许通过传递窗进行交谈。
扩散基本工艺流程
➢ 打开扩散传递窗 , 对扩散传递窗进行确认 :上道工序的 工艺参数是否在范围内,外观是否有异常,检查上道工序 的出料时间到扩散时间是否超出规定时间(Q time),数量 是否正确等.
4PCl 5O 过 量O2 2P O 10Cl
5
2
25
2
➢ 生可P定C成见流l5对的，量硅P在的2片O磷氧5表又扩气面进散。的一时腐步，蚀与为作硅了用作促，用使必，PO须生C在l成3充通Si分O氮2的气和分的磷解同原和时子避通，免入由一此
POCl3磷扩散原理
➢ 在有氧气的存在时，POCl3热分解的反应式为：
磷扩散
光生伏特效应 简单结构图 POCl3磷扩散原理 扩散基本工艺流程 扩散评定标准 注意事项
--肖海东
光伏效应
➢ 是指当半导体受到光照射时，半导体内部 就会产生电流或电动势的现象。当电池表 面受到光照射时，在电池内部产生的光生 电子-空穴对，扩散到P-N结并受结电场影 响而分开，电子移向N区，空穴移向P区， 这样在P区和N区时间产生了光生电动势， 当外路连接起来时就有电流通过。
动态平衡下的 PN 结
PN 结形成的物理过程
注意： PN 结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流 相抵消，通过 PN 结的电流为零。
动态平衡下的 PN 结图解
利用掺杂工艺，把 P 型半导体和 N 型半导体在原子 级上紧密结合，P 区与 N 区的交界面就形成了 PN 结。
扩散炉总体结构
➢ centrothem扩散炉是主要由以下四个部分组成：
扩散工艺培训课件
• 系统特点：用主辅两个炉子，产生两个恒温区。 杂质源放在低温区，硅片放在高温区。
2024/6/27
• 反响式：3Sb2O3+3Si=4Sb+SiO2 • 优点： • 1〕可使用纯Sb2O3粉状源，防止了箱法扩散
中烘源的麻烦； • 2)两步扩散，不象箱法扩散那样始终是高浓度
恒定外表源扩散，扩散层缺陷密度小； • 3〕外表质量好，有利于提高外表浓度。
其扩散后杂质浓度分布为高斯函数 分布
2024/6/27
2024/6/27
3. 两步扩散
2024/6/27
• 预淀积〔或预扩散〕：温度低、时间短 • 主淀积〔或推进〕：温度高、时间长 • 预淀积〔或预扩散〕现已普遍被离子注
入代替
2024/6/27
§3.4 影响杂质分布的其他因素〔实际杂 质分布(偏离理论值)〕 1、二维扩散 一般横向扩散(0.75~0.85)*Xj(Xj纵向结深)
2024/6/27
6
7
3
1
5
4
2
间隙杂质运动
2024/6/27
• 3、间隙杂质要从一个间隙位置运动到 相邻的间隙位置上，必须要越过一个势 垒，势垒高度Wi一般为0.6~1.2ev。
• 4、间隙杂质只能依靠热涨落才能获得 大于Wi的能量，越过势垒跳到近邻的间 隙位置上。
• 5、跳跃率：Pi=v0e-wi/kT • 温度升高时Pi指数 地增加。
Di2(n/ni) 2分别表示中性 、正一价、负一 价、负二价的高浓度杂质－－空穴对的
非本征条件下的有效扩散系数。 以上是考虑多重电荷空位的杂质扩散模型时，
扩散衬底杂质浓度将严重影响扩散系数
2024/6/27
3、电场效应
2024/6/27
2024/6/27
• 反响式：3Sb2O3+3Si=4Sb+SiO2 • 优点： • 1〕可使用纯Sb2O3粉状源，防止了箱法扩散
中烘源的麻烦； • 2)两步扩散，不象箱法扩散那样始终是高浓度
恒定外表源扩散，扩散层缺陷密度小； • 3〕外表质量好，有利于提高外表浓度。
其扩散后杂质浓度分布为高斯函数 分布
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3. 两步扩散
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• 预淀积〔或预扩散〕：温度低、时间短 • 主淀积〔或推进〕：温度高、时间长 • 预淀积〔或预扩散〕现已普遍被离子注
入代替
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§3.4 影响杂质分布的其他因素〔实际杂 质分布(偏离理论值)〕 1、二维扩散 一般横向扩散(0.75~0.85)*Xj(Xj纵向结深)
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间隙杂质运动
2024/6/27
• 3、间隙杂质要从一个间隙位置运动到 相邻的间隙位置上，必须要越过一个势 垒，势垒高度Wi一般为0.6~1.2ev。
• 4、间隙杂质只能依靠热涨落才能获得 大于Wi的能量，越过势垒跳到近邻的间 隙位置上。
• 5、跳跃率：Pi=v0e-wi/kT • 温度升高时Pi指数 地增加。
Di2(n/ni) 2分别表示中性 、正一价、负一 价、负二价的高浓度杂质－－空穴对的
非本征条件下的有效扩散系数。 以上是考虑多重电荷空位的杂质扩散模型时，
扩散衬底杂质浓度将严重影响扩散系数
2024/6/27
3、电场效应
2024/6/27
集成电路制造工艺之-扩散课件精选全文完整版
替位式扩散
➢替位式扩散：替位杂质从一个晶格位置扩散到另一个晶格位置。 如果替位杂质的近邻没有空位．则替位杂质要运动到近邻晶格位置
上，就必须通过互相换位才能实现。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，因此只有当替位杂质的近邻晶格上出现空 位，替位式扩散才比较容易发生。
对替位杂质来说，在晶格位置上势 能相对最低，而间隙处是势能最高 位置。
间隙式扩散
➢ 间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质。以 间隙形式存在于硅中的杂质，主要是那些 半径较小、不容易和硅原子键合的原子。
➢ 间隙式扩散：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。
➢ 间隙式杂质在硅晶体中的扩散运动主要 是间隙式扩散。
对间隙杂质来说，间隙位置是势能极 小位置，相邻的两个间隙之间是势能 极大位置。间隙杂质要从一个间隙位 置运动到相邻的间隙位置上，必须要 越过一个势垒，势垒高度Wi一般为0.6 ~ 1.2eV。
②空位式：由于有晶格空位，相邻原子能 移动过来。
③填隙式：在空隙中的原子挤开晶格原子 后占据其位，被挤出的原子再去挤出其他原 子。
④在空隙中的原子在晶体的原子间隙中快 速移动一段距离后，最终或占据空位，或挤 出晶格上原子占据其位。
以上几种形式主要分成两大类：①替位式 扩散。②间隙式扩散。
常见元素在硅中的扩散方式
D0为表观扩散系数，ΔE为激活能。 扩散系数由D0、ΔE及温度T决定。
上节课内容小结
1.决定氧化速率常数的两个因素：
氧化剂分压：B、B/A均与Pg成正比，那么在一定氧化条件下，通过 改变氧化剂分压可改变二氧化硅生长速率。高压氧化、低压氧化 氧化温度： B(DSiO2)、B/A(ks)均与T呈指数关系，激活能不同 2.影响氧化速率的其他因素 硅表面晶向：表面原子密度，(111)比(100)氧化速率快些
半导体工艺基础 第六章 扩散
kT D q
（6-7）
§6.3 半导体中杂质原子扩散的浓度分布
一、扩散方程（费克第二定律）
N ( x, t ) 2 N ( x, t ) D t x 2
（6-8）
式中假定D为常数，与杂质浓度N( x, t )无关，x 和 t 分别表 示位置和扩散时间。针对不同边界条件求出方程（6-8）的解， 可得出杂质浓度N的分布，即N与 x 和 t 的关系。
五、影响杂质浓度分布的其它因素 前面得出的扩散后的杂质分布是采用理想化假设的结果， 实际上理论分布与实际分布存在一定的差异，包括： 1、二维扩散 实际扩散中，杂质通过窗口垂直向硅中扩散的同时，也将 在窗口边缘沿表面进行横向扩散，横向扩散的距离约为纵向扩 散距离的75%~80%，因此考虑到横向扩散，要得到实际的杂质 分布，须解二维或三维扩散方程。由于横向扩散的存在，实际 扩散区域大于由掩模版决定的尺寸，此效应直接影响到 VLSI的 集成度。
N（x, 0）= 0
x>0
（6-11）
由上述边界条件与初始条件可求出扩散方程（ 6-8 ）的解， 即恒定表面源扩散的杂质分布情况：
2 N ( x, t ) N S 1
x 2 Dt 0
e
2
x d N S erfc 2 Dt (6-12)
Pi v0e
Ei / kT
（6-3）
可见，跳跃率随温度指数式地增加。室温下，硅中间隙杂质以每 分钟一次的速度跳跃着，在典型的扩散温度（900℃~1200℃）下， 其跳跃速度是很快的。间隙杂质的扩散系数为：
D a v0e
2
Ei / kT
（6-4）
二、替位式扩散 占据晶格位置的外来原子称为替位杂质。只有当替位杂质 的近邻晶格上出现空位，替位杂质才能比较容易地运动到近邻 空位上。在晶格位置上的替位杂质，相对势能最低，而间隙位 置处的势能最高。替位杂质要从一个位置运动到近邻格点上， 也需要越过一个势垒 Es ，势垒高低位置与间隙杂质的正好相 反。 替位杂质的运动与间隙杂质相比，更为困难。首先要在近 邻出现空位（形成一个空位所需能量为Ev ），同时还要依靠热 涨落获得大于势垒高度Es 的能量才能实现替位运动。替位杂质 的跳跃率应为近邻出现空位的几率乘上跳入该空位的几率，即：
工艺-扩散
集成电路工艺扩散MaterialsDesignMasksIC Fab TestPackagingFinal TestThermal ProcessesPhoto-lithographyEtch PR stripImplant PR stripMetalizationCMPDielectric depositionWafersIC制造流程2006.11.25P3/31•半导体材料最神奇之处：电学特性（甚至力学特性）对杂质浓度十分敏感。
如何对半导体进行掺杂？方法之一：扩散！•扩散：最常见的一种自然现象，微观粒子普遍的热运动形式。
•微观粒子热运动的结果必然导致浓度趋于均匀，即粒子必然从高浓度区向低浓度区迁移。
•半导体工艺中的扩散是将杂质元素通过扩散的方式掺入到半导体材料体内，以改变材料的电学性质、并力求杂质浓度、分布形式和深度满足要求。
引言2006.11.25P4/31扩散1.扩散的微观描述2.扩散的宏观描述3.杂质扩散方式和浓度分布4.扩散工艺和应用例5.影响杂质分布的其它因素6.扩散炉系统介绍扩散的微观描述杂质在半导体内的扩散模型主要有：（1）间隙式扩散（2）空位式扩散（3）换位式扩散间隙式杂质从一个间隙位置到相邻间隙位置的运动。
（半径较小的杂质原子以间隙式扩散进行）。
间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质。
Au, Fe, Cu, Ni, Zn, Mg 。
（1）间隙式扩散2006.11.25P7/31•势垒高度: W i ~0.6-1.2eV •振动频率ν0: 1013–1014/s •平均振动能量kT, 空温下0.026eV, 1200摄氏度时为0.13eV 。
依靠涨落，大于W i 几率（根据玻尔兹曼分布）：exp （－W i /kT ）跳跃率（每秒跳跃次数）P i ＝ν0exp （－W i /kT ）（室温下每分钟一次）间歇杂质势能曲线间隙式扩散（续）2134567W i2006.11.25P8/31（2）替位式扩散•替位杂质：占据晶格位置的外来原子。
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sinh aEq 2kT
推导中用到了： C(x, t)=[C(x+a/2, t)+C(x-a/2, t)]/2
当电场较小时E<<kT/(aq) 利用x～0时，cosh(x)～1和sinh(x)～x
有 j(x,t) D C(x,t) EC(x,t)
x 其中D=v0 a2 exp[-(Ws+Wv)/kT]
j定义为单位时间流过单位面积的粒子数； C为扩散粒子的浓度，是空间位置和时间 的函数；D为扩散系数（粒子扩散率）， 单位为“单位面积/s”。负号表示扩散运 动是由高浓度向低浓度进行。
对于一维情况：
j D C(x,t) x
D的大小及与哪些因素有关是扩散工艺中最为关心的问题
以一维情况为例，推导j(x, t)和D的表达式：
PvC(x+a/2, t)x
在t时刻，粒子流密度（即通过x处单位面积的 净粒子数）：
j(x,t) C(x a / 2,t)Pva C(x a / 2,t)Pva
a 2 Pv
C ( x, t ) x
（a为最小单位，使用了a＝x）
与菲克第一定律相比，有：D＝a2Pv 或D＝ a2v0exp〔-(Ws+Wv)/kT〕= D0exp(- E/kT) 其中D0=a2v0 为表观扩散系数
（只有邻近出现空位，替位杂质才容易运 动到近邻空位上）
如果近邻没有空位，则必须相互换位， 这需要相当大的能量，难以实现。
平衡时，空位浓度：
n＝Nexp（–Wv/kT） N：原子浓度 Wv：形成一个空位所需能量
每个格点出现空位的几率：
n/N＝ exp（–Wv/kT）
根据玻尔兹曼统计规律，替位杂质靠涨 落跳过势垒Ws的几率： ν0 exp（–Ws/kT）
exp（–Wi/kT） 成功跳跃率（每秒成功跳跃次数）
Pi＝ν0 exp（–Wi/kT） （室温下每分钟1次；700 – 1200摄氏度扩散温度下，
成功跳跃率就很高了）
3.1.2 替位式扩散
替位杂质：占据晶格位置的外来原子， 如P，As，Sb；B，Al，Ga；Ge
替位式扩散：替位杂质从所占晶格位置 到相邻晶格空位的运动
必要条件：浓度差（即浓度梯度）的存 在；温度的存在。
决定因素：浓度差、温度高低、粒子大 小、晶体结构、缺陷浓度以及粒子运动 方式。
固体中的扩散运动：常温下很慢；高温 下加速。
3.2.1 扩散系数 1855年，菲克（Fick）发表了他的扩散理
论，提出扩散粒子流方程，即菲克第一 定律：
j DC
扩散是微观粒子的一种热运动形式，运动结果 使浓度分布趋于均匀
集成电路制造中的扩散实为固态扩散：将一定 数量的某种杂质掺入到半导体晶体中去，以改 变其电学性质
Pfann于1952年最早提出用扩散方法改变硅和锗 的导电类型的思想
扩散工艺的用途：形成双极晶体管的基区、发 射区、收集区（集电区），MOS晶体管的源区、 路工艺原理
北京大学微电子学系 Department of Microelectronics
Peking University
October 5, 2020
第三章 扩散
§3.1 杂质扩散机制 §3.2 扩散系数与扩散方程 §3.3 扩散杂质的分布 §3.4 影响杂质分布的其它因素 §3.5 扩散工艺 §3.6 扩散工艺检测
替位杂质的成功跳跃率： Pv ＝ exp（–Wv/kT）ν0 exp（–Ws/kT） ＝ν0 exp〔–（Wv＋Ws）/kT〕
一般情况下，Pv<<Pi，即同间隙杂质相比， 替位杂质的运动更为困难（在室温下，替 位原子需1045秒才成功跳1次）
§3.2 扩散系数与扩散方程
扩散运动：粒子由高浓度区域向低浓度 区域的运动，其结果是使粒子浓度趋于 均匀。
设晶格常数为a 在x–a/2处单位面积替位原子：C(x–a/2, t) x 在x+a/2处单位面积替位原子：C(x+a/2, t) x • 单位时间内，单位面积上替位原子由x–a/2到
x+a/2的粒子数：
PvC(x–a/2, t)x • 单位时间内，单位面积上替位原子由x+a/2到
x–a/2的粒子数：
a2v0 exp[(Ws Wv ) / kT ]
kT / q 由此得出D=kTµ/q，即爱因斯坦关系
3.2.2 扩散方程
菲克第一定律
物质守恒
连续性方程
如果D与x无关（低浓度情况下），得出
间隙式扩散：间隙式杂质从一个间隙位置 到相邻间隙位置的运动。 （半径较小的杂质原子做间隙式扩散）
间隙间势垒高度：Wi ~ 0.6-1.2 eV 间隙杂质振动频率ν0 ：1013 –1014/s 间隙杂质平均振动能量kT, 室温下0.026 eV,
1200摄氏度高温下0.13 eV，依靠涨落才能获 得大于Wi的能量 根据玻尔兹曼统计规律，获能大于Wi的几率
硅中杂质扩散系数与温度的关系
有电场存在时的扩散
由左→右的几率
Pv=v0exp[-(Ws+Wv-aEq/2)/kT] 由右→左的几率
Pv=v0exp[-(Ws+Wv+aEq/2)/kT]
x处粒子流密度
j( x, t )
a2v0
C ( x, t ) x
exp[(Ws
Wv )
/
kT
]
aEq cosh 2kT 2av0C(x,t) exp[(Ws Wv ) / kT ]
扩散工艺重要参数：杂质数量、分布、深度等
§3.1 杂质扩散机制
（a）间隙式扩散
（b）替位式扩散
（c）交替式扩散
在交替式扩散中，处于间隙位置的硅原子取代了替位 位置的杂质，使之处于间隙位置，以便向下一个替位 位置扩散。
3.1.1 间隙式扩散
间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质，如 Au, Fe, Cu, Ni, Zn, Mg （半径较小且不容易与硅键合的原子）
E为扩散激活能，它与晶体种类、杂质类型、 杂质浓度以及晶体中其它杂质的存在等有关， 对于硅中的替位扩散来说E ~ 3-4 eV
可见，D0、E以及T是决定D的基本量，其它 因素如扩散气氛也对D有影响
扩散系数与温度的依赖关系：
• 其中EA为扩散激活能，单位是eV；k为玻尔兹曼 常数，k＝8.610-5 eV/K