半导体制造工艺_08扩散(下)
半导体器件的制造工艺
半导体器件的制造工艺半导体器件是现代电子技术中不可或缺的重要组成部分，它们被广泛应用于计算机、通信、医疗、军事等领域。
而半导体器件的核心是芯片，芯片上集成着数亿个晶体管等器件，通过这些器件控制电流，完成信息的处理和传输。
那么，半导体器件的制造工艺是怎样的呢？首先，要制造一颗芯片，首先需要选择适合的半导体材料，例如硅、镓、锗等。
目前，硅是最常用的半导体材料，因为它的物理性质稳定、易于加工，并且具有较好的电学特性。
在材料选择后，需要洁净化处理，为后续的工艺步骤做好准备。
接下来，是制造半导体芯片的关键工艺——沉积。
沉积是指将物质沉积在半导体表面上，用于制造各种器件。
主要有化学气相沉积（CVD）、分子束外延（MBE）等技术。
其中，CVD是最常用的沉积工艺，它通过在高温下将气体分子分解成原子，然后使其在半导体表面沉积，形成一层薄膜。
完成沉积后，需要进行光刻工艺，在芯片表面上覆盖一层光阻，然后利用光刻机将需要制造的器件图形映射到光阻层上，最后使用化学溶液将未被覆盖的部分刻蚀掉，形成器件的图形。
接下来，就是最难的工艺：离子注入。
这一步需要将芯片表面注入所需要的杂质元素，通过控制注入剂量和质量比等参数，改变半导体材料的电学性质。
这一步需要高度精确的控制，因为注入的元素数量一定要精确，否则器件无法正常工作。
完成离子注入后，需要进行电极制作。
这一步需要将金属电极制作在芯片表面，为芯片提供电流。
这个过程非常重要，因为涉及到电极材料与半导体的粘附力、金属材料与半导体的反应性等问题。
注入的杂质元素本身也可以用作电极材料。
最后，进行封装和测试。
封装是将芯片封装在保护性的外壳中，以防止对芯片器件的损伤。
测试是检查芯片工作的正常性和稳定性，通常包括温度测试、电性测量和反复使用测试等。
然而，在制造半导体器件的过程中，还有很多其他的技术问题需要解决，例如微影工艺、微细加工技术、超精密仪器和设备等。
这些都是保证半导体芯片能够得到完美制造的重要技术要素。
半导体制造工艺技术
半导体制造工艺技术近年来，随着智能化和信息化的加速推进，半导体技术逐渐成为各行各业发展的重要支撑。
而半导体制造工艺技术作为半导体领域中的重要组成部分，也逐渐发挥着越来越重要的作用。
半导体制造工艺技术是指将半导体材料加工成各种晶体管、电子元件等的一系列加工过程。
具体的技术过程需要先将半导体原片进行各种加工和处理，然后在其表面涂上不同的光刻胶，在光刻机中通过利用激光光源或者电子束来进行微细的图案设计和成像。
随后，将图案部分进行刻蚀或注入等处理，形成半导体器件的各个部分。
最终，通过不同的清洗和检测等工艺，制成成品。
随着技术的不断发展，半导体制造工艺技术也不断提高。
其中，掩膜技术、微影技术、氧化和扩散技术等都得到了广泛应用。
而像微流水线加工、纳米加工等也逐渐成为了前沿技术。
在这些技术的支持和推动下，半导体制造工艺技术已经在过去几十年中实现了飞跃式的进步。
然而，同时也存在着一些技术问题，如色散、残留应力等。
这些问题对于器件的性能和稳定性有很大影响。
因此，如何解决这些问题也成为了今后半导体制造工艺技术发展的一大关键。
除了以上技术问题外，环保和成本方面的问题也在制约着半导体制造工艺技术的发展。
制造过程中产生的化学废水、化学废气等对环境的影响不可忽视。
解决这些环保问题将成为今后半导体制造工艺技术发展中的另一个难点。
同时，随着技术的不断进步，半导体制造工艺技术成本也在不断下降。
这将进一步推动半导体工业的稳健发展。
但是，这也意味着制造厂商需要降低成本、提高效率，这对制造工艺技术的研究和创新提出了更高的要求。
总的来说，半导体制造工艺技术是半导体领域中不可或缺的一个重要组成部分。
随着技术和市场的不断变化，今后其发展将会面临更多挑战。
但是，通过不断的技术创新和优化，相信半导体制造工艺技术能够顺利实现新的突破和发展。
半导体制造工艺流程_图文
SiO2 P+
AL
N+ N-epi
P-SUB
Al P+
主要制程介绍
矽晶圓材料（Wafer）
圓晶是制作矽半導體IC所用之矽晶片，狀似圓 形，故稱晶圓。材料是「矽」， IC（ Integrated Circuit）厂用的矽晶片即為 矽晶體，因為整片的矽晶片是單一完整的晶體 ，故又稱為單晶體。但在整體固態晶體內，眾 多小晶體的方向不相，則為复晶體（或多晶體 ）。生成單晶體或多晶體与晶體生長時的溫度 ，速率与雜質都有關系。
外延层电阻
SiO2
R
N+
R
P+
P
P+
N-epi
P-SUB
集成电路中电阻5
MOS中多晶硅电阻
多晶硅
SiO2氧化层Si源自其它：MOS管电阻集成电路中电容1
SiO2 P+
A-
N+E P+-I
N+-BL P-SUB
B+
A-
B+
N P+ Cjs
发射区扩散层—隔离层—隐埋层扩散层PN电容
集成电路中电容2
N+
後段backend构装packaging测试制程initialtestandfinaltest一晶圆处理制程晶圆处理制程之主要工作为在矽晶圆上制作电路与电子元件如电晶体电容体逻辑闸等为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程以微处理器microprocessor为例其所需处理步骤可达数百道而其所需加工机台先进且昂贵动辄数千万一台其所需制造环境为为一温度湿度与含尘particle均需控制的无尘室cleanroom虽然详细的处理程序是随著产品种类与所使用的技术有关
扩散工艺的原理
扩散工艺的原理
扩散工艺是一种常用的半导体制造工艺，主要用于将掺杂材料在晶体中进行分布均匀的过程。
其原理基于掺杂材料的高浓度区域向低浓度区域的自由扩散。
具体的步骤如下：
1. 洁净晶体表面：在进行扩散之前，必须先清洁晶体表面，以去除表面氧化物和杂质，保证扩散过程的纯净度。
2. 衬底预处理：扩散液有时会侵蚀衬底材料，因此，需要先用保护层对衬底进行处理，以避免受到损伤。
3. 掺杂液制备：根据需要进行掺杂的材料种类和浓度要求，制备合适的掺杂液。
掺杂液中主要含有掺杂材料的离子。
4. 扩散过程：将待扩散的晶体与掺杂液接触，经过一定的时间和温度，掺杂材料的离子会在表面开始向内部扩散。
扩散速度取决于温度、时间和材料的特性。
5. 控制参数：在扩散过程中，需要严格控制温度、时间和气氛，以确保掺杂材料扩散的均匀性和准确性。
6. 后处理：扩散完成后，需要进行后续的清洗和退火处理，以去除残留的杂质和优化晶体结构。
总结起来，扩散工艺的原理是利用掺杂材料的高浓度区域向低浓度区域的自由扩散。
通过精确控制参数，可以实现对晶体的特定区域进行掺杂，从而改变材料性质和特性。
半导体制造工艺之扩散原理概括
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 ＋
半导体制造工艺教案8-刻蚀综述
授课主要内容或板书设计课堂教学安排教学过程主要教学内容及步骤导入新授刻蚀（Etching）是把进行光刻前所淀积的薄膜（厚度约在数百到数十纳米）中没有被光刻胶覆盖和保护的部分，用化学或物理的方式去除，以完成转移掩膜图形到薄膜上面的目的，如图所示。
刻蚀图形转移示意图1)湿法刻蚀是利用合适的化学试剂将未被光刻胶保护的晶圆部分分解，然后形成可溶性的化合物以达到去除的目的。
2)干法刻蚀是利用辉光(Glow Discharge)的方法产生带电离子以及具有高浓度化学活性的中性原子和自由基，这些粒子和晶圆进行反应，从而将光刻图形转移到晶圆上。
刻蚀的要求1.图形转换的保真度高2.选择比3.均匀性4.刻蚀的清洁8.2刻蚀工艺8.2.1湿法刻蚀最早的刻蚀技术是利用溶液与薄膜间所进行的化学反应，来去除薄膜未被光刻胶覆盖的部分，从而达到刻蚀的目的。
这种刻蚀方式就是湿法刻蚀技术。
湿法刻蚀又称湿化学腐蚀，其腐蚀过程与一般化学反应相似。
由于是腐蚀样品上没有光刻胶覆盖部分，因此，理想的腐蚀应当是对光刻胶不发生腐蚀或腐蚀速率很慢。
刻蚀不同材料所选取的腐蚀液是不同的。
1)湿法刻蚀的反应生成物必须是气体或能溶于刻蚀剂的物质，否则会造成反应生成物沉淀，从而影响刻蚀正常进行。
2)湿法刻蚀是各向异性的，刻蚀中腐蚀液不但浸入到纵向方向，而且也在侧向进行腐蚀。
3)湿法刻蚀过程伴有放热和放气过程。
1)反应物扩散到被刻蚀材料的表面。
2)反应物与被刻蚀材料反应。
3)反应后的产物离开刻蚀表面扩散到溶液中，随溶液被排除。
8.2.2干法刻蚀干法刻蚀是以等离子体来进行薄膜刻蚀的一种技术。
在干法刻蚀过程中，不涉及溶液，所以称为干法刻蚀。
1)物理刻蚀是利用辉光放电将气体(比如氩气)解离成带正电的离子，再利用偏压将带正电的离子加速，轰击在被刻蚀薄膜的表面，从而将被刻蚀物质的原子轰击出去。
2)化学刻蚀又叫做等离子刻蚀，它与物理刻蚀完全不同，它是利用等离子体，将反应气体解离，然后借助离子与薄膜之间的化学反应，把裸露在等离子体中的薄膜，反应生成挥发性的物质而被真空系统抽离。
半导体制造工艺之扩散原理
01
半导体制造工艺简介
半导体材料的基本特性
半导体材料的导电性
半导体材料的光电特性
半导体材料的热稳定性
• 半导体材料的导电性介于导体和绝
• 半导体材料具有光电效应
• 半导体材料具有较高的热稳定性
缘体之间
• 半导体材料的光电效应可用于光电
• 半导体材料的热稳定性可用于高温
• 随着温度的升高，半导体材料的导
扩散掩膜与阻挡层材料
扩散掩膜材料
• 扩散掩膜材料可分为光刻胶、金属薄膜、氧化膜等
• 扩散掩膜材料的选择应根据扩散工艺的要求和半导体材料的性质进行
• 扩散掩膜材料的选择应考虑掩膜材料的耐腐蚀性、抗氧化性、光刻性能等
阻挡层材料
• 阻挡层材料可分为氧化物、氮化物、碳化物等
• 阻挡层材料的选择应根据扩散工艺的要求和半导体材料的性质进行
扩散源的选择
扩散源的制备
• 扩散源可分为气体扩散源、液体扩散源、固体扩散源等
• 气体扩散源的制备方法包括蒸发法、溅射法、化学气相
• 扩散源的选择应根据扩散工艺的要求和半导体材料的性
沉积法等
质进行
• 液体扩散源的制备方法包括溶液法、溶胶-凝胶法等
• 扩散源的选择应考虑扩散源的纯度和可控性
• 固体扩散源的制备方法包括烧结法、热压法等
• 扩散工艺的可持续发展应考虑工艺的创新性和竞争力
扩散工艺的环境保护
• 扩散工艺的环境保护应考虑工艺的废弃物处理、污染物排放、环境风险等
• 扩散工艺的环境保护应考虑工艺对半导体器件性能的影响和生产成本
• 扩散工艺的环境保护应考虑工艺的环保政策和法规要求
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半导体制造工艺流程简介
半导体制造工艺流程简介半导体制造工艺1NPN高频小功率晶体管制造的工艺流程为:外延片——编批——清洗——水汽氧化——一次光刻——检查——清洗——干氧氧化——硼注入——清洗——UDO淀积——清洗——硼再扩散——二次光刻——检查——单结测试——清洗——干氧氧化——磷注入——清洗——铝下CVD——清洗——发射区再扩散——三次光刻——检查——双结测试——清洗——铝蒸发——四次光刻——检查——氢气合金——正向测试——清洗——铝上CVD——检查——五次光刻——检查——氮气烘焙——检查——中测——中测检查——粘片——减薄——减薄后处理——检查——清洗——背面蒸发——贴膜——划片——检查——裂片——外观检查——综合检查——入中间库。
PNP小功率晶体管制造的工艺流程为:外延片——编批——擦片——前处理——一次氧化——QC检查(tox)——一次光刻——QC检查——前处理——基区CSD涂覆——CSD预淀积——后处理——QC 检查(R?)——前处理——基区氧化扩散——QC检查(tox、R?)——二次光刻——QC 检查——单结测试——前处理——POCl3预淀积——后处理(P液)——QC检查——前处理——发射区氧化——QC检查(tox)——前处理——发射区再扩散(R?)——前处理——铝下CVD——QC检查(tox、R?)——前处理——HCl氧化——前处理——氢气处理——三次光刻——QC检查——追扩散——双结测试——前处理——铝蒸发——QC检查(tAl)——四次光刻——QC检查——前处理——氮气合金——氮气烘焙——QC检查(ts)——五次光刻——QC检查——大片测试——中测——中测检查(——粘片——减薄——减薄后处理——检查——清洗——背面蒸发——贴膜——划片——检查——裂片——外观检查)——综合检查——入中间库。
GR平面品种(小功率三极管)工艺流程为:编批——擦片——前处理——一次氧化——QC检查(tox)——一次光刻——QC 检查——前处理——基区干氧氧化——QC检查(tox)——一GR光刻(不腐蚀)——GR硼注入——湿法去胶——前处理——GR基区扩基区扩散与氧化—散——QC检查(Xj、R?)——硼注入——前处理———QC检查(Xj、tox、R?)——二次光刻——QC检查——单结测试——前处理——发射区干氧氧化——QC检查(tox)——磷注入——前处理——发射区氧化和再扩散——前处理——POCl3预淀积(R?)——后处理——前处理——铝下CVD——QC检查(tox)——前处理——氮气退火——三次光刻——QC检查——双结测试——前处理——铝蒸发——QC检查(tAl)——四次光刻——QC检查——前处理——氮气合金——氮气烘焙——正向测试——五次光刻——QC检查——大片测试——中测编批——中测——中测检查——入中间库。
半导体器件的制造工艺和性能
半导体器件的制造工艺和性能半导体器件是现代电子技术的基础，它常常被用于计算机芯片、手机芯片、光电器件和集成电路等领域。
制造出高质量可靠的半导体器件对于提高电子产品的性能至关重要。
本文将介绍半导体器件的制造工艺和性能。
1. 半导体器件制造工艺1.1 晶圆制备晶圆是半导体器件的基板，它通常由硅材料制成。
晶圆的制作需要借助成熟的硅片技术。
硅片可以通过多种方法生长，例如气相生长法、液相生长法和熔融生长法。
晶圆的表面要经过抛光和清洗等过程，以去除表面污染物和缺陷。
1.2 晶圆上的工艺流程在晶圆上，半导体器件的制造通常需要多达几十甚至数百道工序，这些工序要依次进行。
其中，最关键的工艺有以下几种：1.2.1 硅片清洗在制造过程中，硅片表面会附着有大量的有机和无机物。
这些物质会引入杂质，导致器件性能下降。
因此，在制备晶圆之前，必须用油污清洗剂、碱洗液等去除污染物。
1.2.2 光刻工艺光刻是半导体器件制造过程中最基本和关键的工艺之一。
通过将硅片涂覆上感光胶并使用光刻胶模板，可以将芯片图形投影到感光胶上。
该方法需要高精度光刻机和光刻胶模板。
1.2.3 金属沉积金属沉积是指将金属材料沉积到器件表面。
对于半导体器件而言，铝是最常用的材料。
沉积过程需要使用物理气相沉积和化学气相沉积等方法。
1.2.4 氮化硅工艺氮化硅是一种高硬度、高耐腐蚀的材料，通常用于半导体器件的保护层、隔离层，以及用于改善电学性能和热学性能。
氮化硅沉积过程涉及到物理气相沉积、化学气相沉积和物理沉积等方法。
2. 半导体器件性能半导体器件的性能对于电子产品的功能和可靠性有着重要的影响。
以下是主要性能参数的介绍：2.1 导电性能导电性能是半导体器件最重要的性能参数之一。
为了提高导电性能，通常会通过提高掺杂浓度或缩小掺杂区域等方法加强材料的导电性能。
2.2 活性面积活性面积是指半导体器件中可用于导电的表面积。
通常，电流必须通过良好的活性面积流过才能保证器件的正常工作。
半导体工艺制造技术的原理与
半导体工艺制造技术的原理与应用半导体工艺制造技术的原理与应用半导体工艺制造技术是指将半导体材料加工成各种器件的技术过程。
随着科技的快速发展，半导体工艺制造技术在电子产业中发挥着重要的作用。
本文将介绍半导体工艺制造技术的原理和应用。
一、半导体工艺制造技术的原理半导体工艺制造技术的原理主要涉及到半导体材料的特性和制造工艺的基本原理。
1. 半导体材料的特性半导体材料具有介于导体和绝缘体之间的电导率。
这是由于半导体材料的能带结构决定的。
在半导体材料中，价带是最高的完全占据能级，而导带是最低的未占据能级。
两者之间的能量间隙称为禁带宽度。
半导体材料的导电性取决于禁带宽度的大小。
2. 制造工艺的基本原理半导体器件的制造过程主要包括沉积、光刻、蚀刻、扩散和离子注入等步骤。
（1）沉积：沉积是将材料沉积在基片上形成薄膜的过程。
常用的沉积方法有化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）等。
（2）光刻：光刻是通过光刻胶和光刻机将图案转移到基片上的过程。
光刻胶会在紫外线曝光后发生化学反应，形成图案。
（3）蚀刻：蚀刻是通过化学反应将不需要的材料从基片上去除的过程。
常用的蚀刻方法有湿蚀刻和干蚀刻等。
（4）扩散：扩散是将杂质掺入半导体材料中，改变材料的电性质的过程。
常用的扩散方法有固相扩散和液相扩散等。
（5）离子注入：离子注入是将离子注入到半导体材料中，形成特定的杂质区域的过程。
离子注入可以改变材料的电性能。
二、半导体工艺制造技术的应用半导体工艺制造技术在电子产业中有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面：1. 集成电路制造集成电路是半导体工艺制造技术的重要应用领域之一。
通过将不同的电子器件集成在一个芯片上，实现了电子元件的微型化和高集成度。
集成电路制造技术的不断发展，使得计算机、手机、平板电脑等电子产品的性能和功能不断提升。
2. 太阳能电池制造太阳能电池是利用半导体材料的光电转换效应将太阳能转化为电能的装置。
半导体工艺制造技术在太阳能电池的制造过程中起到了至关重要的作用。
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
半导体制造工艺扩散上
半导体制造工艺扩散上半导体制造工艺中的扩散技术是一种基础性的工艺技术，它具有极高的重要性。
扩散技术主要用于控制半导体材料中杂质浓度及其分布，以及基本材料参数（例如，导电性、PN结绝缘等等），这对于制造优质半导体芯片来说是不可或缺的。
扩散技术的原理“扩散”一词意为“分散”或“分布”。
在半导体领域中，“扩散”指的是杂质（或原子）从一个区域逐渐分散到另一个区域的的过程。
扩散过程主要是基于热力学原理发生的，其发生的基本原理是高浓度区域向低浓度区域传输，这种传输是一种自然趋势。
扩散过程需要满足Fick’s定律，即杂质或原子的扩散迁移率与它在材料中的浓度梯度成正比，与温度和材料阻力成反比。
扩散技术在半导体材料制备过程中的应用扩散技术是半导体制造中最为基础并且也是最为普遍应用的技术之一。
它可以应用于制备许多不同种类的器件，例如：1.PN结制备扩散技术在PN结制备中是不可或缺的。
通过对半导体硅晶片进行扩散掺杂，可以在硅晶片表面形成浓度梯度，从而在P型区域和N型区域形成硅晶片的PN结。
2.表面功能化和通道控制在面向晶圆的制造工艺中，扩散技术通常用于表面功能化和通道控制。
通过半导体材料表面的扩散工艺，可以轻松地在晶圆表面形成氧化物层、硅类材料层等功能性层，还可以通过扩散工艺控制通道的形状和尺寸。
3.金属接触制备扩散技术通常可以与金属联系在一起，制备金属与半导体之间的接触点。
在该过程中，原子从金属的表面逐渐进入半导体材料，并将金属与半导体之间形成硬接结，这是许多器件的耐久性和稳定性的基础。
扩散技术的技术调优当人们在制造半导体器件时，对于扩散技术的选择，需要根据具体细节和设备要求进行调优。
以下是扩散技术的技术调优方法：1.涂覆层厚度和材料的选择在很多情况下，使用涂覆材料可以帮助控制扩散过程。
经典的例子是硅胶片，它在半导体晶体片制造过程中通常用作覆盖层。
通过合理地选择涂覆层的厚度和材料，制造人员以期望的方式控制扩散过程，从而缩小半导体器件的尺寸并控制制造纯度。
半导体制造工艺之扩散原理概述
半导体制造工艺之扩散原理概述引言半导体器件是现代电子化工程的重要组成部分，而半导体制造工艺中的扩散过程是其中的核心步骤之一。
扩散是指将外部杂质或原子通过加热和蒸发的方式引入半导体晶体内部，从而改变其导电性能的过程。
本文将概述半导体制造工艺中的扩散原理，包括扩散的定义、分类、扩散过程的主要步骤以及应用。
扩散的定义和分类扩散在半导体制造加工中是用于改变材料电学特性和形成器件结构的重要工艺。
它通过在半导体材料中掺杂外部杂质或原子，改变其禁带宽度、导电性能和晶格结构，从而实现对器件特性的控制。
根据掺杂的原子种类和结构变化，扩散可以分为以下几类：1.硼扩散（Boron diffusion）：将硼原子引入到半导体材料中，可以增加材料的p型掺杂浓度。
2.磷扩散（Phosphorus diffusion）：将磷原子引入到半导体材料中，可以增加材料的n型掺杂浓度。
3.氮扩散（Nitrogen diffusion）：将氮原子引入到半导体材料中，可以改变半导体材料的特性，如降低材料的电阻率和增加材料的硬度。
4.氢扩散（Hydrogen diffusion）：将氢原子引入到半导体材料中，可以提高材料的电阻率。
5.金属扩散（Metal diffusion）：在半导体材料中引入金属原子，可以改变材料的特性，如增强导电性能或改变器件结构。
扩散过程的主要步骤扩散过程是一个涉及多个步骤的复杂过程，主要包括以下几个步骤：清洗在扩散之前，半导体晶体需要进行清洗，以去除表面的污染物和杂质，保证扩散过程的准确性和稳定性。
清洗步骤可以使用化学清洗方法或物理清洗方法，如溶剂洗涤、超声波清洗等。
预处理预处理步骤是为了提高扩散效果和降低生产成本而进行的一系列处理。
包括表面氧化、蚀刻、离子注入等工艺，以提高扩散层的质量和一致性。
掺杂掺杂是扩散过程中的核心步骤，通过向半导体晶体中注入外部杂质，改变材料的导电性能。
掺杂过程中需要控制掺杂浓度和深度，以满足器件设计要求。
半导体制造工艺_08扩散(下)
26
例 ： 预淀积 :1050 C N2 和 O2 再分布: 950 C O2
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下) 3、固态源扩散 （B2O3，P2O5，BN等）
预淀积＋退火。预淀积：气固相预淀积 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 反应形成分凝相的最大浓度。
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下) 费克定律解析解的应用
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下) 1、电场效应（Field effect）——非本征扩散
如果NA、ND＞ni（扩散温度下）时，非本征扩散效应 电场的产生：由于载流子 的迁移率高于杂质离子， 二者之间形成内建电场。 载流子领先于杂质离子， 直到内建电场的漂移流与 扩散流达到动态平衡。
8
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
所以，杂质流由两部分组成：
9
Ftotal Fdiffusion Fdrift
C D mEC x
q m D kT
，
以n型掺杂为例 内建电场
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kT n ln q ni
n n C F D DC ln DC ln C n x x n x i i
14
即使 Dtpredep
2.310 Dt
drivein
3.7 10
9
但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离子注入！
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
影响杂质分布的其他因素
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
扩散工艺
2、主要的检测项目：
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。
四探针法测量样品薄层电阻
1）薄层电阻的测量：
■
范德堡法
1 V34 V41 V12 V23 R 4 I12 I 23 I 34 I 41
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；
横向扩散的存在影响IC集成度，也影响PN结电容。
■
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
■
当杂质浓度 << ni，时， hE = 1
■
当杂质浓度 >> ni，时， hE = 2
扩散工艺 (Diffusion Process)
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
扩散运动与扩散工艺
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。
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SiO2中的浓度 杂质分凝系数
半导体制造工艺之扩散原理
半导体制造工艺之扩散原理引言半导体制造工艺中的扩散是一种重要的步骤，用于在半导体材料中引入或控制杂质的浓度分布。
扩散过程是通过高温下将杂质分子在半导体晶体中的自由扩散实现的。
本文将介绍半导体制造工艺中的扩散原理以及相关的技术和应用。
扩散原理扩散是指在固体中，不同的原子或分子由于热运动而互相转移的过程。
在半导体制造工艺中，常见的扩散过程是通过高温下将杂质原子引入半导体晶体中，从而改变其导电性能。
扩散过程中，杂质原子会从高浓度区域向低浓度区域扩散，不断地向晶体内部转移。
扩散速度取决于杂质原子的浓度梯度，扩散系数和材料的温度。
半导体晶体的晶格结构和杂质原子的尺寸也会影响到扩散速度。
扩散技术热扩散热扩散是半导体制造中最常用的扩散技术，它是通过高温处理将杂质原子引入晶体中。
常见的扩散设备包括扩散炉和扩散蒸发器。
在热扩散过程中，将半导体晶体和源材料一同放入扩散炉中，通过控制炉温和扩散时间来调整杂质原子的浓度分布。
离子注入离子注入是一种直接将高能量离子注入到半导体晶体中的扩散技术。
在离子注入过程中，通过控制加速电压和注入剂量来控制离子的能量和浓度分布。
离子注入在制造MOSFET器件和深结构规模集成电路中广泛应用。
分子束外延分子束外延是一种高真空技术，通过热蒸发或分子束淀积将杂质原子沉积在半导体晶体表面。
通过控制杂质的分子束强度和沉积速度，可以实现对杂质浓度和分布的高精度调控。
分子束外延常用于制备薄膜和高性能器件。
扩散应用掺杂形成PN结在半导体器件中，通过控制杂质的扩散可以形成PN结，这是半导体器件中常见的结构。
PN结具有整流特性，在半导体器件中起到了关键作用。
控制扩散过程可以调整PN结的深度和浓度分布，从而优化器件的性能。
温度传感器扩散过程中的温度影响着扩散速度，因此扩散过程可以用于制造温度传感器。
通过测量扩散速度，可以间接得到环境的温度信息。
晶体管制造扩散过程在晶体管制造中也扮演着重要的角色。
通过控制杂质原子的扩散，可以形成晶体管的掺杂区域，从而实现对晶体管性能的调控。
半导体制造工艺基础之扩散工艺培训
半导体制造工艺基础之扩散工艺培训简介半导体制造是现代电子行业中非常重要的一环，扩散工艺作为其中的一种关键工艺，其作用是在半导体晶片表面或表面以下扩散掺杂特定的杂质，以改变材料的电子性质。
本文将介绍扩散工艺的基本概念、原理、设备和步骤等内容，为对半导体制造工艺感兴趣或从事相关工作的读者提供基础性培训。
扩散工艺的基本概念扩散是指通过高温下大气中有害杂质向半导体晶体中扩散迁移，并将半导体晶体杂质浓度均匀化的过程。
扩散工艺的关键步骤是通过高温加热使杂质分子迅速扩散到晶片内部，然后通过快速冷却固化杂质。
扩散工艺的原理扩散工艺的实现基于以下几个原理：•Fick’s 第一定律：物质在浓度梯度的驱动下，会自发地从高浓度区域向低浓度区域扩散。
•自扩散：同种原子在晶体内扩散迁移的现象。
扩散工艺需要精确控制温度、时间和扩散源的浓度，以确保扩散过程的效果和均匀性。
扩散工艺的步骤扩散工艺一般包括以下几个步骤：1.涂胶：将液态的胶原料均匀地涂在半导体晶片表面。
2.预热：将涂胶的晶片放入预热炉中，在一定温度下进行烘烤，使胶原料固化。
3.扩散：将预热后的晶片放入扩散炉中，通过控制温度和时间，将所需杂质扩散到晶片内部。
4.冷却：在扩散完成后，将晶片快速冷却以固化扩散的杂质。
5.清洗：将冷却后的晶片进行清洗，去除多余杂质和胶原料。
6.检测：对扩散后的晶片进行测试和检测，以确保质量符合要求。
扩散工艺的设备扩散工艺通常需要以下设备：•扩散炉：用于控制温度和时间进行扩散过程。
•预热炉：用于将涂胶的晶片进行烘烤，以固化胶原料。
•清洗设备：用于清洗扩散后的晶片，去除多余的杂质。
•检测设备：对扩散后的晶片进行测试和检测，以确保质量符合要求。
扩散工艺的应用扩散工艺在半导体制造中有广泛的应用，主要用于掺杂制造PN结、MOS结构以及形成超浅和深层掺杂等。
常见的扩散工艺包括硼扩散、砷扩散、硅扩散等。
结束语扩散工艺是半导体制造过程中不可或缺的一环，它的实施对于半导体器件的性能和质量具有重要影响。
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D
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x
ln
n ni
DC
x
ln C
n ni
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
10
N
D
p
N
A
n
由 np ni2
并假定杂质全部离化，有
C NA ND
tdrivein
3.7 109 cm2 1.51013 cm2 sec
6.8 hours
3）所需离子注入的杂质剂量
可以推算出 Q Cs Dt 4 1017 3.7 109 4.31013 cm2
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
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
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1、电场效应（Field effect）——非本征扩散
如果NA、ND＞ni（扩散温度下）时，非本征扩散效应
✓电场的产生：由于载流子 的迁移率高于杂质离子， 二者之间形成内建电场。
✓载流子领先于杂质离子， 直到内建电场的漂移流与 扩散流达到动态平衡。
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
9
所以，杂质流由两部分组成：
D eff A
D0
D
n ni
D
n ni
2
D eff A
D0
D
p ni
D
p ni
2
n型掺杂 p型掺杂
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
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1000 C下，非本征扩散系数：
DAs 1.661014 cm2 / 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。
第六章 扩散原理 (下)
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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
（1＋2）Si＋2OI＋2V↔SiO2＋2I＋stress
A+I AI
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
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2）ORD：对于Sb来说，其在硅中的扩散主要是 通过空位进行。
CB
Cs
exp
x
2 j
4Dt
Cx,t
Q
Dt
exp
x2 4Dt
Dt
x
2 j
3104 2 3.7 109 cm2
4
ln
Cs CB
4
ln
4 1017 1015
该数值为推进扩散的“热预算”。
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
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2）推进退火的时间
假定在1100 C进行推进退火，则扩散系数D=1.5×10-13 cm2/s
6
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 Q 2Cs
Dt
预淀积时间为
tpredep
2
4.3 1013 2.510
20
2
4.2 1015
5.5 sec
即使 Dtpredep 2.31014 Dtdrivein 3.7 109
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
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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
半导体制造工艺基础
氧化注入间隙间隙和空位在硅中复合 硅中空位浓度减小Sb的扩散被抑制
I+VSis
表示晶格上 的Si原子
n C 2 4ni2 C 2
场助扩散方程：
F
hD
C x
其中h为扩散系数的电场增强因子： h 1
C C 2 4ni2
当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时，h 接近 2。
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
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电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
2、两种特殊条件下的费 反应形成分凝相的最大浓度。
克第二定律的解及其特 点？特征扩散长度？
表面浓度恒定，余误差函数分布(erfc)。 随时间变化：杂质总量增加，扩散深度
C
x,
t
Cs
erfc
2
x Dt
增加
杂质总量恒定，高斯函数/正态分布
Cx,t
QT
Dt
exp
x2 4Dt
(Gaussian)。随时间变化：表面浓度下降， 结深增加
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
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费克定律解析解的应用
本征扩散时，理想边界条件下的解。实际情况需要修正，如： ✓高浓度 ✓电场效应 ✓杂质分凝 ✓点缺陷 ✓…
如何判断对费克定律应用何种解析解？
✓当表面浓度为固溶度时，意味着该分布是余误差分布
✓当表面浓度较低时，意味着该分布是经过长时间的推进 过程，是高斯分布。
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
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例题：CMOS中的p阱的形成。要求表面浓度Cs=4x1017 cm-3， 结深xj=3 mm。 已知衬底浓度为CB=1×1015 cm3。 设计该工艺过程。
离子注入 ＋
退火
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
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解：1）假设离子注入+推进退火 假定推进退火获得的结深，则根据
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2、扩散系数与杂质浓度的关系
在杂质浓度很高
时，扩散系数不
箱型
再是常数，而与
掺杂浓度相关
扩Ct散方程x改 D写Ae为ff ：Cx
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第六章 扩散原理 (下)
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Ⅲ、Ⅴ族元素在硅中的扩散运动是建立在杂质与空位相互作用 的基础上的，掺入的施主或受主杂质诱导出了大量荷电态空位， 从而增强了扩散系数。
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
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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
但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离子注入！
半导体制7
影响杂质分布的其他因素
Fick’s Laws：
Only valid for
diffusion under
special conditions
Simplification !
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第六章 扩散原理 (下)