半导体制造工艺之扩散原理概述.pptx
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半导体制造工艺之扩散原理概述.pptx
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)
7
影响杂质分布的其他因素
Fick’s Laws：
Only valid for
diffusion under
special conditions
Simplification !
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
2
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。
第六章 扩散原理 (下)
16
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)
17
2）ORD：对于Sb来说，其在硅中的扩散主要是 通过空位进行。
第六章 扩散原理 (下)
28
片状固态氮化硼扩散 活化处理 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 900 C 1 h. 通 O2 扩散 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B
BN片与硅片大小相当，和硅片相间均匀放置在舟上。 不需载气，但以N2或Ar2保护。
锑的箱法扩散 硅片与扩散源同放一箱内， 源 ：在SNb22气O3保: S护iO下2 扩= 1散:4 (粉末重量比) 2Sb2O3 + 3Si = 4Sb + 3SiO2
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
7
影响杂质分布的其他因素
Fick’s Laws：
Only valid for
diffusion under
special conditions
Simplification !
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
2
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。
第六章 扩散原理 (下)
16
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)
17
2）ORD：对于Sb来说，其在硅中的扩散主要是 通过空位进行。
第六章 扩散原理 (下)
28
片状固态氮化硼扩散 活化处理 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 900 C 1 h. 通 O2 扩散 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B
BN片与硅片大小相当，和硅片相间均匀放置在舟上。 不需载气，但以N2或Ar2保护。
锑的箱法扩散 硅片与扩散源同放一箱内， 源 ：在SNb22气O3保: S护iO下2 扩= 1散:4 (粉末重量比) 2Sb2O3 + 3Si = 4Sb + 3SiO2
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
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
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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
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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 ＋
半导体制造工艺之扩散原理
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
谢谢观看
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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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扩散工艺的化学原理ppt课件
预淀积的杂质层
精选ppt
结深
10
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与 晶格中的硅原子键合，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--
改变硅的电导率。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。
激活
杂质原子
√
精选ppt
11
杂质形态：
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）
精选ppt
3
§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
施放电子，为施主杂质，或 N 型杂质。
精选ppt
4
掺入第III 族元素（如硼，三个价电子）。杂质电离 接受电子，为受主杂质，或P 型杂质。
即在硅片上生成掺有锑杂质的氧化层，在扩散温度下， 锑杂质原了进而向硅内扩散。
精选ppt
26
§6-5 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 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 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。
间隙式杂质：具有高扩散率的杂质，如金（Au）、铜（Cu）、钠（Na） 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。 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
√
× 精选ppt
12
精选ppt
结深
10
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与 晶格中的硅原子键合，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--
改变硅的电导率。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。
激活
杂质原子
√
精选ppt
11
杂质形态：
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）
精选ppt
3
§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
施放电子，为施主杂质，或 N 型杂质。
精选ppt
4
掺入第III 族元素（如硼，三个价电子）。杂质电离 接受电子，为受主杂质，或P 型杂质。
即在硅片上生成掺有锑杂质的氧化层，在扩散温度下， 锑杂质原了进而向硅内扩散。
精选ppt
26
§6-5 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 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 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。
间隙式杂质：具有高扩散率的杂质，如金（Au）、铜（Cu）、钠（Na） 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。 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
√
× 精选ppt
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第四章 扩散 PPT课件
D = D∞ e —Ea/kT
其中：E a为扩散激活能；D∞ 是一个与温度无关的常数，称为表观扩散系数 （即T ∞时的扩散系数）；k 是玻尔兹曼常数。
3 2019/2/26
1. 间隙式扩散机构 存在于晶格间隙的杂质，主要是半径小的 杂质原子如Li、Na、K、Ar、He、H 。 它们在 Si 中扩散运动是以间隙方式进行 的。
第四章 扩散
概述
是微观粒子的一种极为普遍的热运动形式。 是集成电路生产中一步重要工艺。 扩散工艺用于制造PN结，形成隐埋层和隔离区、 双极器件中的基区、发射区和集电区、MOS器件中 的源区与漏区，扩散电阻、互连引线以及对多晶
硅掺杂等。
2019/2/26
1
4.1 杂质扩散机构
半导体中的原子是按一定规则连续排列的。杂质原子扩散到 半导体中的方式有两种： 半径较小的杂质原子从半导体晶格的间隙中挤进去，即所谓 “间隙式” 扩散； 半径较大的杂质原子代替半导体原子而占据格点的位置，再 依靠周围空的格点（即空位）来进行扩散，即所谓 “替位 式” 扩散。 对于硅，Au、Ag、Cu、Fe、Ni 等半径较小的杂质原子按 间隙式扩散，而 P、As、Sb、B、Al、Ga、In 等半径较大 的杂质原子则按替位式扩散。 间隙式扩散的速度比替位式扩散的速度快得多。
erfc
1
NB
2 N B exp erfc Ns N s
（1-16）
由此可见，在 NB 和 Ns 一定的情况下，PN 结越深，在结
深处的杂质浓度梯度就越小（极限情况下，当杂质均匀分布时，
浓度梯度为 0）；在相同扩散条件下，Ns 越大或D 越小的杂质， 扩散后的浓度梯度将越大（例如，As 扩散的浓度梯度比 B、P 的大）。 2019/2/26
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。
扩散原理PPT课件
Ji Ci.Bi uxi
Ci单位体积中i组成质点数 Vi 质点移动平均速度
Ji
Ci.Bi C uii .C xi J＝－Di
Ci x
Di Ci.Bi C uii Bi lu nC i i
C iC N i( m 分 ) o lC 数 n i l lN n i
Di
Bi
ui lnNi
2021
10
t x2 y2 z2
用途： 适用于不同性质的扩散体系； 可用于求解扩散质点浓度分布随时间和距离而变化的不稳 定扩散问题。
对二定律的评价： (1) 从宏观定量描述扩散，定义了扩散系数，但没有给出D与结构 的明确关系； (2) 此定律仅是一种现象描述，它将浓度以外的一切影响扩散的 因素都包括在扩散系数之中，而未赋予其明确的物理意义； (3) 研究的是一种质点的扩散(自扩散)； (4) 着眼点不一样(仅从动力学方向考虑) C t
2、 离子晶体中的扩散
空位机制： 大部分离子晶体 如： MgO、NaCl、FeO、CoO
两种机制
间隙机制：只有少数开放型晶体中存在 如： CaF2、UO2中的 F－、O2－
应石含用量：不Ca能F超2在过玻5璃0％中，能否降则低加熔2点％，C2降a0F21低2 烧结温度，还可以起澄清剂作2用9 。长
例： CaCl2引入到KCl中，分析K＋的扩散，基质为 KCl KC lVK VC •l (本征)扩散 Ca2 C KlC lCK •aVK 2CClL(非本征 ) 扩散
2021
15
理解：
Di BiRT (1L Lnn iiN )
1 Ln i
LnN i
扩散系数热力学 因子
对于理想混合体系，活度系数
D
* i
Ci单位体积中i组成质点数 Vi 质点移动平均速度
Ji
Ci.Bi C uii .C xi J＝－Di
Ci x
Di Ci.Bi C uii Bi lu nC i i
C iC N i( m 分 ) o lC 数 n i l lN n i
Di
Bi
ui lnNi
2021
10
t x2 y2 z2
用途： 适用于不同性质的扩散体系； 可用于求解扩散质点浓度分布随时间和距离而变化的不稳 定扩散问题。
对二定律的评价： (1) 从宏观定量描述扩散，定义了扩散系数，但没有给出D与结构 的明确关系； (2) 此定律仅是一种现象描述，它将浓度以外的一切影响扩散的 因素都包括在扩散系数之中，而未赋予其明确的物理意义； (3) 研究的是一种质点的扩散(自扩散)； (4) 着眼点不一样(仅从动力学方向考虑) C t
2、 离子晶体中的扩散
空位机制： 大部分离子晶体 如： MgO、NaCl、FeO、CoO
两种机制
间隙机制：只有少数开放型晶体中存在 如： CaF2、UO2中的 F－、O2－
应石含用量：不Ca能F超2在过玻5璃0％中，能否降则低加熔2点％，C2降a0F21低2 烧结温度，还可以起澄清剂作2用9 。长
例： CaCl2引入到KCl中，分析K＋的扩散，基质为 KCl KC lVK VC •l (本征)扩散 Ca2 C KlC lCK •aVK 2CClL(非本征 ) 扩散
2021
15
理解：
Di BiRT (1L Lnn iiN )
1 Ln i
LnN i
扩散系数热力学 因子
对于理想混合体系，活度系数
D
* i
半导体第十九讲扩散工艺p资料
扩散
70年代初期以前，杂质掺杂主要通过高温的扩散实 现。 杂质原子通过气相源或氧化物源扩散或淀积到硅晶 片的表面。 杂质浓度从表面到体内单调下降 杂质分布主要是由温度和扩散时间决定 可用于形成深结（deep junction），如CMOS中 的双阱（twin well）
离子注入
杂质浓度相等：
C( x j , t） CB
1
CB 结的位置： x j 2 DSiO t erfc A DSiO 2 t 2 Cs 温度通过D对扩散深度和杂质分布情况的影响，同时间t相
比更为重要。
恒定表面源扩散
杂质浓度梯度
任意位置
2 Cs C ( x, t ) x, t e x / 4 Dt x Dt
扩散系数
J ( x, t ) C ( x a / 2, t ) P a C ( x a / 2, t ) P a
v v
C ( x, t ) a P x C ( x, t ) J D x
2 v
其中：V0代表振动频率
Wv代表形成一个 空位所需要的能量
Pv o exp[(WV Ws ) / kT ]
从70年代初开始，掺杂的操作改由离子注入完成 掺杂原子以离子束的形式注入半导体内 杂质浓度在半导体内有峰值分布 杂质分布主要由离子质量和离子能量决定
用于形成浅结（shallow junction），如 MOSFET中的漏极和源极
扩散机理
间隙式扩散
定义：杂质离子位于晶格间隙 杂质：Na、K、Fe、Cu、Au 等元素 势能极大位置：相邻的两个间隙之间 势垒高度Wi：0.6~1.2eV 间隙杂质的振动能在室温时，只有0.026eV； 1200 ℃时为0.13eV，因此间隙杂质靠热涨落越 过势垒 跳跃率： Pi 依赖于温度
扩散片制程简介ppt课件
精密图形制作技术
图形设计
根据产品要求，进行精密的图形设计，以实现所需的光学效果。
制作工艺
利用先进的制作工艺，如光刻、蚀刻、激光切割等，实现高精度的 图形制作。
图形精度
保证图形的精度和一致性，以满足产品性能的要求。
高效清洗与检测技术
清洗技术
01
采用高效的清洗技术，如超声波清洗、化学清洗等，以去除表
批次追溯与记录
对每批次的成品进行追溯，记 录生产过程的关键数据和信息
，便于质量分析和改进。
05
CATALOGUE
扩散片制程的发展趋势与挑战
技术创新与发展趋势
精细化加工技术
随着电子工业的快速发展，扩散片的加工技术越来越精细，以满足 高精度、高稳定性的要求。
新型材料应用
新型材料的引入，如纳米材料和复合材料，为扩散片制程提供了更 多的可能性。
面污物和杂质。
检测技术
02
利用先进的检测技术，如光学检测、电子显微镜检测、X射线检
测等，对膜层和图形进行全面的质量检测。
数据分析
03
对检测数据进行精确分析，以提供反馈并指导生产过程的改进
。
04
CATALOGUE
扩散片制程的质量控制
原材料的质量控制
供应商管理
确保从可靠的供应商获取高质量的原材料，建立严格的供应商评 估和审核程序。
03
CATALOGUE
扩散片制程中的关键技术
高精度膜层制备技术
薄膜厚度控制
制备的薄膜厚度需精确控制，以确保其在微观结 构、光学性能和机械性能等方面达到要求。
薄膜均匀性
制备的薄膜需要在整个表面上具有高度均匀性， 以保证光学的扩散效果。
表Hale Waihona Puke 粗糙度薄膜的表面粗糙度需严格控制，以防止对光的散 射和反射。
半导体物理基础(5)扩散运动ppt课件
x
最后得 nx n0e Ln
注意到
nLn
1 e
n0
6
x Ln
若样品厚为W（W ∞) 并设非平衡少子被全部引出
则边界条件为： ∆n(0)= (∆ n)0 ∆n(W)=0
x
x
带入方程 nx Ae Ln BeLn
得
7
sinh(W x )
n(x) (n)0
Ln sinh(W )
Ln
当W<<Ln时，
空穴的扩散和漂移流密度
15
Sp
Jp q
Dp
p x
p p
空穴积累率
S p x
Dp
2 p x 2
p p
d
dx
p
p x
复合率
p
p
其它产生率 g p
p t
Dp
2 p x2
p p
d
dx
p
p x
p
p
gp
讨论（1）光照恒定
（2）材料掺杂均匀
（3）外加电场均匀
16
p 0 t p p x x
d 0
dx
空穴在寿命时间内所漂移的距离
考虑到非平衡载流子是随x衰减的
p Be2x
又 x 0时，p （p）0 则 B （p）0
21
最后得：
p (p)0 e2x
其中
2 Lp ( )
L2p ( ) 4L2p
2 L2p
Lp ( ) Lp
1
L（p ）
Lp ( ) Lp
1
Lp
22
x
p
(p)0
e
dx
13
而 dV
dx
最后得
最后得 nx n0e Ln
注意到
nLn
1 e
n0
6
x Ln
若样品厚为W（W ∞) 并设非平衡少子被全部引出
则边界条件为： ∆n(0)= (∆ n)0 ∆n(W)=0
x
x
带入方程 nx Ae Ln BeLn
得
7
sinh(W x )
n(x) (n)0
Ln sinh(W )
Ln
当W<<Ln时，
空穴的扩散和漂移流密度
15
Sp
Jp q
Dp
p x
p p
空穴积累率
S p x
Dp
2 p x 2
p p
d
dx
p
p x
复合率
p
p
其它产生率 g p
p t
Dp
2 p x2
p p
d
dx
p
p x
p
p
gp
讨论（1）光照恒定
（2）材料掺杂均匀
（3）外加电场均匀
16
p 0 t p p x x
d 0
dx
空穴在寿命时间内所漂移的距离
考虑到非平衡载流子是随x衰减的
p Be2x
又 x 0时，p （p）0 则 B （p）0
21
最后得：
p (p)0 e2x
其中
2 Lp ( )
L2p ( ) 4L2p
2 L2p
Lp ( ) Lp
1
L（p ）
Lp ( ) Lp
1
Lp
22
x
p
(p)0
e
dx
13
而 dV
dx
最后得
《chap扩散工艺,》PPT课件
利用掺杂技术，可以制作P-N结、欧姆接触区、IC中的电阻、硅栅和硅互连线等等。
2020/11/11
掺杂（doping）：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅 中，并获得精确的杂质分布形状（doping profile）。
NMOS
BJT
BE
C
p well
p n+
p+
n-
n+
p
n+ p+
掺杂应用：
2020/11/11
2020/11/11
Chap 3 扩散工艺 Difussion
§3.1杂质扩散机构 §3.2扩散原理（扩散系数扩散方程） §3.3扩散杂质的分布 §3.4影响杂质分布的其他因素 §3.5扩散工艺 §3.6扩散工艺的发展（自学） §3.7工艺控制和质量监测（补充）
2020/11/11
掺杂技术就是将所需要的杂质，以一定的方式（合金、扩散或离子注入等）加 入到硅片内部，并使其在硅片中的数量和浓度分布符合预定的要求。
—浓度、时间、空间的关系
A
单位体积内杂质原子数 的变化量等于流入和流 出该体积元的流量差
Δt 时间内该小体积内的杂质数目变化为
Cx,t t Cx,t Ax
这个过程中由于扩散进出该小体积的杂质原子数为
Fx,t Fx x,t A t Fx x,t Fx,t A t
Cx,t t Cx,t A x Fx x,t Fx,t A t
D0：扩散率，E：扩散工艺激活能，k0：玻耳兹曼 常数，T：绝对温度。
2020/11/11
2. 扩散工艺激活能E， • 间隙扩散物质：如He, H2, O2, Au, Na, Ni,
Cu, Fe。E在0.2～2.0eV之间 • 替位扩散物质：如B, As, P, Sb
2020/11/11
掺杂（doping）：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅 中，并获得精确的杂质分布形状（doping profile）。
NMOS
BJT
BE
C
p well
p n+
p+
n-
n+
p
n+ p+
掺杂应用：
2020/11/11
2020/11/11
Chap 3 扩散工艺 Difussion
§3.1杂质扩散机构 §3.2扩散原理（扩散系数扩散方程） §3.3扩散杂质的分布 §3.4影响杂质分布的其他因素 §3.5扩散工艺 §3.6扩散工艺的发展（自学） §3.7工艺控制和质量监测（补充）
2020/11/11
掺杂技术就是将所需要的杂质，以一定的方式（合金、扩散或离子注入等）加 入到硅片内部，并使其在硅片中的数量和浓度分布符合预定的要求。
—浓度、时间、空间的关系
A
单位体积内杂质原子数 的变化量等于流入和流 出该体积元的流量差
Δt 时间内该小体积内的杂质数目变化为
Cx,t t Cx,t Ax
这个过程中由于扩散进出该小体积的杂质原子数为
Fx,t Fx x,t A t Fx x,t Fx,t A t
Cx,t t Cx,t A x Fx x,t Fx,t A t
D0：扩散率，E：扩散工艺激活能，k0：玻耳兹曼 常数，T：绝对温度。
2020/11/11
2. 扩散工艺激活能E， • 间隙扩散物质：如He, H2, O2, Au, Na, Ni,
Cu, Fe。E在0.2～2.0eV之间 • 替位扩散物质：如B, As, P, Sb
半导体制造工艺基础之扩散工艺培训课件(PPT 28页)
(4) 方块电阻偏大或偏小。方块电阻的变化反映了扩散到硅中的杂质总量的多少。
作业
说明恒定表面源扩散和有限源扩散的异同。
热扩散中的横向扩散通常是纵向结深的75%-85%。
6.1.3 扩散层测量
扩散工艺的结构可由三种测量方式来评价：扩散层的结深、 薄层电阻与杂质分布。下图是在半导体内磨以凹槽并用溶液 腐蚀去除表面，溶液会使P区颜色暗，因而描绘出结深。
用磨槽和染色法测量结深
若R0是磨槽所用工具的半径，则可得结深：
扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。 高温扩散：杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散到硅 片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质 分布主要是由高温与扩散时间来决定。
形成深结
扩散工艺的优越性：
（1）可以通过对温度、时间等工艺条件的准确调节，来控 制PN结面的深度和晶体管的基区宽度，并能获得均匀平坦 的结面。
半导体制造工艺基础
扩散
本章重点
掺杂的目的； 掺杂的方法； 恒定源扩散； 有限源扩散；
什么是掺杂
掺杂：掺杂技术是在高温条件下，将杂质原子以一 定的可控量掺入到半导体中，以改变半导体硅片的 导电类型或表面杂质浓度。
形成PN结、电阻 磷(P)、砷(As) —— N型硅 硼(B) —— P型硅
形成浅结
掺杂区
掺杂区的类型：相同或相反 结深：硅片中p型杂质与n型杂质相遇的深度，用
Xj表示，深度等于结深的地方，电子与空穴的浓 度相等。
6.1 基本扩散工艺
掺入方式有：气相源；固相源；液相源，其中液态 源最常用。 使用液相源的磷扩散的化学反应如下：
4 P O C l3 3 O 2 2 P 2 O 5 6 C l2
作业
说明恒定表面源扩散和有限源扩散的异同。
热扩散中的横向扩散通常是纵向结深的75%-85%。
6.1.3 扩散层测量
扩散工艺的结构可由三种测量方式来评价：扩散层的结深、 薄层电阻与杂质分布。下图是在半导体内磨以凹槽并用溶液 腐蚀去除表面，溶液会使P区颜色暗，因而描绘出结深。
用磨槽和染色法测量结深
若R0是磨槽所用工具的半径，则可得结深：
扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。 高温扩散：杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散到硅 片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质 分布主要是由高温与扩散时间来决定。
形成深结
扩散工艺的优越性：
（1）可以通过对温度、时间等工艺条件的准确调节，来控 制PN结面的深度和晶体管的基区宽度，并能获得均匀平坦 的结面。
半导体制造工艺基础
扩散
本章重点
掺杂的目的； 掺杂的方法； 恒定源扩散； 有限源扩散；
什么是掺杂
掺杂：掺杂技术是在高温条件下，将杂质原子以一 定的可控量掺入到半导体中，以改变半导体硅片的 导电类型或表面杂质浓度。
形成PN结、电阻 磷(P)、砷(As) —— N型硅 硼(B) —— P型硅
形成浅结
掺杂区
掺杂区的类型：相同或相反 结深：硅片中p型杂质与n型杂质相遇的深度，用
Xj表示，深度等于结深的地方，电子与空穴的浓 度相等。
6.1 基本扩散工艺
掺入方式有：气相源；固相源；液相源，其中液态 源最常用。 使用液相源的磷扩散的化学反应如下：
4 P O C l3 3 O 2 2 P 2 O 5 6 C l2
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半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
3
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)
4
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
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
15
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
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
1
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
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
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)
14
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。
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
12
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
13
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。
8
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：
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)
5
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
第六章 扩散原理 (下)
16
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)
17
2）ORD：对于Sb来说，其在硅中的扩散主要是 通过空位进行。
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
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
2
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。
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)
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)
7
影响杂质分布的其他因素
Fick’s Laws：
Only valid for
diffusion under
special conditions
Simplification !
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
Ftotal
Fdiffusion
Fdrift
D C x
mEC
， 以n型掺杂为例 内建电场
x
m q D
kT
kT q
ln
n ni
F
D
C x
DC
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
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)
11
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)