第三章 扩散工艺

J2
A
讨论晶体中杂质浓度与扩散时间的关系 在均匀横截面A的长条材料上，取长度为dx的一小段， J1 是流入这一段体积的流量，J2 是流出这一段体积 的流量,流出该段体积的流量差为：
J 2 J1
如果J2 ≠ J1 ，说明在这一小段体积中扩散物质的浓度发生了 变化，在这一体积元内杂质的数量为浓度和微分体积元（A· dx ）的乘积，因此连续性方程可以表示为：
Xj1 Xj2 Xj3
X
表面浓度 CS 随时间而降低：
t3>t2>t1
C S C (0, t )
Q
t1 t2
D2 t 2
t3
延长扩散时间(提高扩散温度T )： ①杂质表面浓 度迅速减小；②杂质总量不变； ③结深增加； ④杂质浓度梯度减小。

如果衬底杂质浓度为CB，扩散杂质与衬底杂 质反型，计算扩散形成的PN结结深：

x 式中：Cs—恒定表面浓度 C x, t C s erfc D—扩散系数 2 Dt
Dt —特征扩散长度 erfc 是余误差函数，x为距离坐标
恒定表面源扩散杂质浓度分布图
在实际工艺中，Cs的值一般都是杂质 在硅中的固溶度。 固溶度：平衡态下，杂质可溶于半导 体材料中的最高浓度，与温度有关。
3)
C ( x, t ) J D x
(3.1)
其中：C为杂质浓度,个/cm3 ；D为扩散系数， cm2/s ；J为杂 质净流量（单位面积单位时间内流过的原子个数），个/cm2· s
虽然费克第一定律精确地描述了扩散过程，但在实际应用 中很难去测量杂质的扩散流密度。
3) 菲克第二定律
dx
J1
扩散炉同氧化炉基本一样，英文中都用 “furnace”这个词。差别是扩散系统的携带 气体采用N2和Ar，并有扩散源。而氧化系统主 要是O2 、N2 、H2 等气体。 从杂质源组成来看，分为单质元素、化合物 和混合物等形式。 从杂质在常温下所处的状态，分为固态源扩 散、液态源扩散和气态源扩散。
时间越长，扩散深度越深，表面 浓度不变前式对 x 积分，就可以 得到扩散杂质剂量随时间变化的 关系：
Cs
t3>t2>t1 C(x,t) t1 t2 t3
CB
0
xj1 xj2 xj3
x
Q C ( x, t )dx
0

2

CS Dt
(3.4)
——扩散入硅片单位表面的杂质总量
如果衬底杂质浓度为CB，扩散杂质与衬底 杂质反型，计算扩散形成的PN结结深：
概述
扩散是微电子工艺中最基本的工艺之一，是 在约1000℃的高温、p型或n型杂质气氛中， 使杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到 一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一 种工艺方法，也称为热扩散。 目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体 导电类型，电阻率，或形成PN结。
扩散工艺在IC制造中的主要用途
间隙-替位式扩散
杂质原子被从晶 格位置“踢出”
(Kick-out)
A+I
Ai 有两种机制可能使这 些杂质回到晶格位置 。一种填隙杂质被一 个空位俘获。另一种 是杂质原子取代一个 硅原子的晶格位置。
AV
1.2杂质扩散系数与扩散方程
1) 菲克第一定律 2) －如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯
度 C x，则杂质将会产生扩散运动，而且杂质的扩 散方向是使得杂质浓度梯度减小。 菲克第一定律：杂质的扩散流密度J正比于杂质浓度 梯度 C x ，比例系数D定义为杂质在基体中的扩散 系数。表达式为:
C J Adx A( J 2 J 1 ) Adx t x
或者：
dx
C x, t J t x
J1
J2
A

上式可以写为：
C ( x, t ) J ( x, t ) t x

代入菲克第一定律(3.1)得菲克第二定律：
C x, t D C ( x, t ) x t x
由于
C ( x j , t ) CB

C(z)
Cs
可得结深
1 C B x j 2 Dterfc C s
CB t1 0 t2 >t1 Z
恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布，延长扩散时间： ①表面杂质浓 度不变； ②结深增加； ③扩入杂质总量增加； ④杂质浓度梯度减小 。
写为：
C ( z , t ) 2 C z, t D t z 2
上式被称为菲克简单扩散方程
1.3扩散形式
扩散工艺是要将具有电活性的杂质，在一定温度，以一定 速率扩散到衬底硅的特定位置，得到所需的掺杂浓度以及 掺杂类型。 两种方式：恒定表面源扩散和限定表面源扩散
扩散工艺重要的工艺参数包括：
片状源扩散优点：方便、重复性好、生产效率高。也称开管扩散。 间距：2-4mm。并通入保护气体，作用：既可防止大气反向扩散到石英 管内造成污染，并能改善扩散结果的波动性。 BN Si BN Si BN Si
（4）计算两步扩散法的杂质分布
a) 预淀积扩散 初始条件：C(z,0)=0 边界条件：C(0,t)=Cs，以及： C(∞,t)=0，扩散后的杂质分布：
预淀积
z C ( z, t ) C S erfc 2 D t 扩散后的杂质总量：
Q C ( z, t )dz
（2）恒定杂质总量扩散
在硅片的扩散过程中，硅片内的杂质总量保持不变，没有
外来杂质补充，仅限于扩散前积累在硅片表面无限薄层内 的有限数量的杂质，向硅片体内扩散，又称“限定源”或 “再分布”。 ﹡假设扩散开始时杂质总量Q0均匀分布在厚度为h的一 个薄层内，不考虑硅片衬底杂质浓度的条件下：

C (, t ) 0
扩散后的杂质分布： C


0
C ( z, t )dz QT
2Cs D1t1


推进扩散

z
2
z, t
Cs
Dt
D1t1 e D2 t 2
QT
e
4 Dt
t>0
2
假设推进扩散的扩散系数为D2,扩散时间t2为, 上式改为：
C z , t1 , t 2 2
h
C( x,0) xh 0
C (, t ) 0
h0

0
C ( x,0)dx Q0
x
根据上述边界条件，菲克定律的解是一个中心 在 x=0 处的高斯分布：
x C ( x, t ) exp( ) 4 D2 t 2 D2 t 2 Q
2
, t2 ＞0
C(x,t) Cs Cs’ Cs” CB 0δ
①杂质的分布 ②表面浓度 ③结深 ④掺入杂质总量
1)
预淀积扩散（菲克定律的第一类解）：杂质源通常为
气相源，原子自源蒸气输运到硅片表面，并扩散到硅 内，在扩散过程中源蒸气保持恒定的表面浓度，这种 扩散称为预淀积扩散,又称为恒定表面源扩散 时间t=0时，初始条件：C(x,0)=0 边界条件：C(0,t)=Cs 以及： C(∞,t)=0 满足上述初始条件和边界条件的式（3.2）的解为
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第三章 扩散工艺
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主要内容
概述 扩散原理（模型与公式） 实际扩散分布的分析 扩散工艺和设备 扩散工艺质量检测
掺杂——将所需要的杂质按要求的浓度和分布掺入到半导 体材料中的规定区域，以达到改变材料导电类型或电学性 质的过程。 掺杂的方法很多：合金法、扩散法、离子注入法。在IC制 造中主要采用扩散和离子注入法。 合金掺杂——通过杂质材料与半导体材料合金的方法实 现掺杂的过程。 离子注入掺杂——杂质通过离化、加速形成高能离子流， 靠能量打入半导体材料的规定区域、形成杂质分布的过程。 高浓度深结掺杂采用扩散方法，高精度浅结采用离子注入 方法 半导体器件制造中常用的掺杂杂质有磷、硼、砷，锑
(2) 替位式扩散（substitutional）
间隙扩散杂质：O，Au，Fe， 替位扩散杂质：As， Al，Ga，Sb，Ge。 Cu，Ni，Zn，Mg 替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前题
B，P，一般作为替位式扩 散杂质，实际情况更复杂， 包含了硅自间隙原子的作 用，称填隙式或推填式扩 散
3)间隙-替位式扩散 许多杂质即可以是替位式也可以是间隙式溶于晶 体的晶格中，并以间隙-替位式扩散。 这类扩散杂质的跳跃率随空位和自间隙等缺陷的 浓度增加而迅速增加。
晶体管的基区、发射区 双极器件的扩散电阻 在MOS制造中形成源和漏 互连引线 多晶硅掺杂 太阳能电池
杂质扩散机构
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。
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。
研究杂质在硅中的扩散运动规律目的何在呢？ 开发合适的扩散工艺，预测和控制杂质浓度分布。 研究IC制造过程中其它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。
1.1扩散的微观机制
间隙式杂质：存在与晶格间隙的杂质
替位式杂质：占据晶格位置的外来原子称为替位杂质。
(1) 间隙式扩散（interstitial）
3、扩散工艺和扩散设备
3.1固态源扩散
扩散方式
片状源扩散 开管扩散 箱式扩散 涂源扩散
铂源舟 石英舟和硅片
接排风
阀和流量计 载 气 石英管
固态源
陶瓷片或粉体： BN、B2O3、 Sb2O5、P2O5等
开管固态源扩散 系统
片状源扩散: ——将固体扩散源做成与晶片一样大小的园片，与硅片 相间地插在石英舟上，在一定温度下扩散。也分预淀积和 再分布两步。目前最常用的是BN、硼微晶玻璃(后者不需活 化)常用片状源扩散。
z

4 D2t 2
, t2 0
源自文库
说 明
a) 上面两种扩散形式杂质分布的公式推导是基于理想 的边界条件下，比如两步扩散法的公式，只有推进 扩散时间比淀积扩散时间长得多的情况下才接近实 际。即只有满足 D1t1 D2t 2 时，两步扩散中 的推进扩散边界条件才成立。 b) 上述公式只考虑一维扩散方程的解，对于有掩蔽窗 口的扩散，在窗口边缘需要考虑二维或三维扩散方 程的解。
0

2

C S Dt
预淀积
假设预淀积扩散的扩散系数为D1,扩散时间t1为, 上式改为：
QT t C ( z, t )dz
0

2

C S D1t1
（4）计算两步扩散法的杂质分布
b) 有限表面源扩散（推进扩散） 初始条件，边界条件：
C( z,0) z 0 0 0

C ( z,0)dz Q0
由于
C ( x j , t ) CB
CS x j 2 ln C B
1 2
可得结深
Dt
2
xj Q CB C ( x j , t ) exp( ) 4D t D t
（3）两步扩散法
在实际工艺中，往往用“预淀积”+“再分布”的两步扩散 法。 第一步：在较低的温度下进行短时间的恒定表面源扩散， 扩散深度很浅，目的是控制进入硅片的杂质总量，称“预 淀积）； 第二步：以预扩散杂质分布作为掺杂源，高温下进行有限 表面源的推进扩散，使杂质向硅片内部推进，重新分布， 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），又称“再分布”、主扩散。 作用：较好地解决了表面浓度、结深与扩散温度、时间之 间的矛盾。
(3.2)
——费克第二定律最通用的表达式。
假设D和位置无关（杂质浓度很低时,可认为扩散系数与 浓度无关，D为常数) ，式3.2可以简化为：
C ( x, t ) 2 C x, t D t x 2
(3.3)
因为沿硅片深度方向的扩散是主要的关注之一，所以也 可把位置变量用沿着硅圆片深度方向(Z)取代，上式可改
c) 高浓度扩散、扩散气氛不同（如：氧气和氮气）、 杂质不同、硅衬底的晶向不同等，实际扩散情况同 理论公式都有差别，必须要修正。
d) 由于离子注入技术的发展，大多数掺杂工艺已不再 使用扩散法，但是需要重掺杂时仍然采用扩散方式。
2.实际扩散分布的分析
实际扩散工艺中，由于各种因素的影响，常使 杂质分布偏离理论结果。 横向扩散：杂质在纵向扩散的同时，也进行横向扩 散，实际情况应是高维的扩散方程解。 横向扩散长度是纵向扩散深度的0.75～0.85。 横向扩散直接影响VLSI的 集成度，也影响着PN结电容。 而离子注入的横向扩散要小的多。