第三章：扩散
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在硼、磷杂质的再扩散中，总是要生长一定 厚度的SiO2，杂质在SiO2－Si界面发生分凝效 应，使杂质在SiO2和Si中重新分布，其结果造 成在硅中的硼杂质总量比磷损失得多，其现象 俗称SiO2吸硼排磷。
硼、磷杂质在SiO2－Si界面的分凝效应
杂质在Si中的平衡浓度 分凝系数 m 杂质在SiO2中的平衡浓度
POCl3 ＋ O2→ P2O5 ＋ Cl2
P2O5 ＋ Si → P ＋ SiO2
硼的涂源扩散
B2O3乳胶源是普遍选用的扩散源，该源无毒。通 过旋转涂敷到硅片上，经过烘培除去有机溶剂然 后进入高温炉进行预扩散。
其化学反应式：
B2O3 ＋ Si → B＋ SiO2
硼、磷杂质在SiO2－Si界面的分凝效应
第三章 扩 散
掺杂技术之一
3.1 引 言
ຫໍສະໝຸດ Baidu
扩散的本质：扩散是微观粒子（原子、分 子等）一种普遍的热运动形式，运动的结 果使浓度分布趋于均匀。
扩散：是将一定数量和一定种类的杂质掺 入到硅或其它晶体中，以改变晶体的电学 性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都 满足要求的工艺过程。
扩散分类：气态、液态和固态三种。硅中 的杂质扩散属于固态扩散 杂质扩散机制：间隙式扩散，替位式扩散 两种 扩散是硅基集成电路的基础工艺之一。
方块电阻和结深是扩散的重要工艺参数， 两个参数已知则扩散分布曲线也可确定下 来。
横向扩散
Xj横＝（0.75～0.85）Xj纵
3.3 扩散工艺
扩散系统
下图是液态源扩散系统
两步扩散工艺 常规深结（Xj≥２μｍ）扩散都采用两步扩 散 ● 第一步：预扩散或预沉积，温度一般较低 （980℃ 以下）、时间短（小于60分）。 此步扩散为恒定表面源扩散余误差分布 ● 第二步：再扩散或结推进，温度一般较高 （1200℃ 左右）、时间长（大于120分）， 同时生长SiO2 此步扩散为有限表面源扩散高 斯分布
■
固溶度 固溶度就是在一定的温度下，掺入杂质在硅 中的最大浓度。 表1 1100℃下硅中的固溶度
杂 质 固溶度（atoms/cm3） 2.2×1020 硼（B）
硅的原子密度：5.0×1022/cm3
磷（P） 砷（As）
锑（Sb） 铝（Al）
1.1×1021 1.7×1021
5.0×1019 1.8×1019
扩散杂质的分布
1、余误差函数分布（恒定表面源扩散属于此分布）
其扩散方程：
z 2 Dt 0
2 C ( z, t ) CS 1
e
2
z d CSerfc 2 Dt
式中的erfc 代表余误差函数
余误差函数分布的特点： a、杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下 的固溶度所决定。当扩散温度不变时，表 面杂质浓度维持不变
使杂质在SiO2－Si界面再分布的因素
1、杂质的分凝效应，杂质在 Si、SiO2 中平衡浓度 不同
杂质在Si中的平衡浓度 分凝系数 m 杂质在SiO2中的平衡浓度
2、杂质在 Si、SiO2 中扩散速度不同 3、氧化速率的快慢
3.4 扩散设备
卧式扩散炉
立式扩散炉
立式炉系统
扩散炉的组成
1、工艺腔 2、硅片传输系统 3、气体分配系统 4、温控系统 5、尾气系统
本章习 题
本章习题（书中第17章）：
3、12、15
第二、三章作业
第二章（书中第10章） 1. 热氧化的工艺目的是什么？请描述硅的热氧化。 2. 列出热氧化在集成电路制造中的6种用途及目的。 3. 如果热生长1000nm的SiO2，那么Si消耗多少？ 第三章（书中第17章） 4. 什么是扩散？扩散的工艺目的是什么？并描述结 深。 5. 列举4种常用杂质并说明它们是N型还是P型。 6. 为什么杂质需要激活？
3.2 扩散原理
■
杂质扩散机制
在间隙位置的杂质
杂质
空位
（a）间隙式扩散
（b）替位式扩散
■
杂质在硅中的扩散机制
■
扩散系数
非克（Fick）第一定律：
C ( x, t ) J ( x, t ) D x
J为扩散粒子流密度、定义为单位时间通过单位面 积的粒子数，C是扩散粒子的浓度，D为扩散系数 是表征杂质扩散快慢的系数。非克第一定律表达了 扩散的本质即浓度差越大，温度越高，扩散就越快。
磷的液态源扩散
三氯氧磷（POCl3）是普遍选用的液态源， POCl3是无色透明液体，其熔点是2 ℃，沸点是 105.3 ℃，具有窒息性气味，在室温下具有较高的 蒸气压，有毒。磷的液态源扩散属于预扩散。 化学反应式： POCl3 → PCl5 ＋ P2O5
PCl5 ＋ O2 → P2O5 ＋ Cl2
扩散目的：主要形成P－N结
（a）简单的二极管结构
（b）简单的三极管结构
方块电阻
方块电阻就是长宽相等的扩散电阻，它与长 宽大小无关。方块电阻通常用R□表示，单位 为Ω/□。 扩散电阻与方块电阻的关系： R＝ρ.L/W.Xj , 当L=W时，R＝ R□ =ρ/Xj 因此扩散电阻R＝ R□.L/W 方块电阻可以通过四探针测试仪测量。 其中ρ为扩散层的平均电阻率
b、扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散 进入硅片内的杂质总量就越多 c、扩散时间越长，扩散温度越高，杂质扩 散得越深
2、高斯分布（有限源扩散属于此分布）
其扩散方程：
z2 4 Dt
QT C ( z, t ) e Dt
式中的QT为杂质总量
高斯分布的特点： a、在整个扩散过程中，杂质总量保持不变 b、扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质 扩散得越深，表面浓度越低 c、表面杂质浓度可控
常规扩散杂质
形成P型硅的杂质：B、Ga、Al（Ⅲ族元素） ● 形成N型硅的杂质：P、As、Sb（Ⅴ族元素） ● IC制造中常用的杂质： B、 P、As、Sb ● B：硼、Ga：镓、Al：铝， P：磷、As：砷、 Sb：锑
●
杂质在硅和SiO2中的扩散特征 ● 硅中慢扩散杂质（扩散系数小）： B、 As、 Sb ● 硅中快扩散杂质（扩散系数大）： P、 Ga、 Al ● 在SiO2中扩散系数非常 小的杂质： B、 P、 As、Sb ● 在SiO2中扩散系数大的杂质：Ga、Al
方块电阻
结深
杂质扩散浓度分布曲线与衬底掺杂 浓度曲线的交点的位置称为杂质扩 散的结深。由扩散方程N（xj , t） = NB导出。余误差函数分布和高 斯分布的结深公式相同，但A值有 区别。
结深公式
余误差分布
高斯分布
结深的测量 结深可以通过磨角法、滚槽法测量
磨角染色法
Xj ＝ L×tgθ
硼、磷杂质在SiO2－Si界面的分凝效应
杂质在Si中的平衡浓度 分凝系数 m 杂质在SiO2中的平衡浓度
POCl3 ＋ O2→ P2O5 ＋ Cl2
P2O5 ＋ Si → P ＋ SiO2
硼的涂源扩散
B2O3乳胶源是普遍选用的扩散源，该源无毒。通 过旋转涂敷到硅片上，经过烘培除去有机溶剂然 后进入高温炉进行预扩散。
其化学反应式：
B2O3 ＋ Si → B＋ SiO2
硼、磷杂质在SiO2－Si界面的分凝效应
第三章 扩 散
掺杂技术之一
3.1 引 言
ຫໍສະໝຸດ Baidu
扩散的本质：扩散是微观粒子（原子、分 子等）一种普遍的热运动形式，运动的结 果使浓度分布趋于均匀。
扩散：是将一定数量和一定种类的杂质掺 入到硅或其它晶体中，以改变晶体的电学 性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都 满足要求的工艺过程。
扩散分类：气态、液态和固态三种。硅中 的杂质扩散属于固态扩散 杂质扩散机制：间隙式扩散，替位式扩散 两种 扩散是硅基集成电路的基础工艺之一。
方块电阻和结深是扩散的重要工艺参数， 两个参数已知则扩散分布曲线也可确定下 来。
横向扩散
Xj横＝（0.75～0.85）Xj纵
3.3 扩散工艺
扩散系统
下图是液态源扩散系统
两步扩散工艺 常规深结（Xj≥２μｍ）扩散都采用两步扩 散 ● 第一步：预扩散或预沉积，温度一般较低 （980℃ 以下）、时间短（小于60分）。 此步扩散为恒定表面源扩散余误差分布 ● 第二步：再扩散或结推进，温度一般较高 （1200℃ 左右）、时间长（大于120分）， 同时生长SiO2 此步扩散为有限表面源扩散高 斯分布
■
固溶度 固溶度就是在一定的温度下，掺入杂质在硅 中的最大浓度。 表1 1100℃下硅中的固溶度
杂 质 固溶度（atoms/cm3） 2.2×1020 硼（B）
硅的原子密度：5.0×1022/cm3
磷（P） 砷（As）
锑（Sb） 铝（Al）
1.1×1021 1.7×1021
5.0×1019 1.8×1019
扩散杂质的分布
1、余误差函数分布（恒定表面源扩散属于此分布）
其扩散方程：
z 2 Dt 0
2 C ( z, t ) CS 1
e
2
z d CSerfc 2 Dt
式中的erfc 代表余误差函数
余误差函数分布的特点： a、杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下 的固溶度所决定。当扩散温度不变时，表 面杂质浓度维持不变
使杂质在SiO2－Si界面再分布的因素
1、杂质的分凝效应，杂质在 Si、SiO2 中平衡浓度 不同
杂质在Si中的平衡浓度 分凝系数 m 杂质在SiO2中的平衡浓度
2、杂质在 Si、SiO2 中扩散速度不同 3、氧化速率的快慢
3.4 扩散设备
卧式扩散炉
立式扩散炉
立式炉系统
扩散炉的组成
1、工艺腔 2、硅片传输系统 3、气体分配系统 4、温控系统 5、尾气系统
本章习 题
本章习题（书中第17章）：
3、12、15
第二、三章作业
第二章（书中第10章） 1. 热氧化的工艺目的是什么？请描述硅的热氧化。 2. 列出热氧化在集成电路制造中的6种用途及目的。 3. 如果热生长1000nm的SiO2，那么Si消耗多少？ 第三章（书中第17章） 4. 什么是扩散？扩散的工艺目的是什么？并描述结 深。 5. 列举4种常用杂质并说明它们是N型还是P型。 6. 为什么杂质需要激活？
3.2 扩散原理
■
杂质扩散机制
在间隙位置的杂质
杂质
空位
（a）间隙式扩散
（b）替位式扩散
■
杂质在硅中的扩散机制
■
扩散系数
非克（Fick）第一定律：
C ( x, t ) J ( x, t ) D x
J为扩散粒子流密度、定义为单位时间通过单位面 积的粒子数，C是扩散粒子的浓度，D为扩散系数 是表征杂质扩散快慢的系数。非克第一定律表达了 扩散的本质即浓度差越大，温度越高，扩散就越快。
磷的液态源扩散
三氯氧磷（POCl3）是普遍选用的液态源， POCl3是无色透明液体，其熔点是2 ℃，沸点是 105.3 ℃，具有窒息性气味，在室温下具有较高的 蒸气压，有毒。磷的液态源扩散属于预扩散。 化学反应式： POCl3 → PCl5 ＋ P2O5
PCl5 ＋ O2 → P2O5 ＋ Cl2
扩散目的：主要形成P－N结
（a）简单的二极管结构
（b）简单的三极管结构
方块电阻
方块电阻就是长宽相等的扩散电阻，它与长 宽大小无关。方块电阻通常用R□表示，单位 为Ω/□。 扩散电阻与方块电阻的关系： R＝ρ.L/W.Xj , 当L=W时，R＝ R□ =ρ/Xj 因此扩散电阻R＝ R□.L/W 方块电阻可以通过四探针测试仪测量。 其中ρ为扩散层的平均电阻率
b、扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散 进入硅片内的杂质总量就越多 c、扩散时间越长，扩散温度越高，杂质扩 散得越深
2、高斯分布（有限源扩散属于此分布）
其扩散方程：
z2 4 Dt
QT C ( z, t ) e Dt
式中的QT为杂质总量
高斯分布的特点： a、在整个扩散过程中，杂质总量保持不变 b、扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质 扩散得越深，表面浓度越低 c、表面杂质浓度可控
常规扩散杂质
形成P型硅的杂质：B、Ga、Al（Ⅲ族元素） ● 形成N型硅的杂质：P、As、Sb（Ⅴ族元素） ● IC制造中常用的杂质： B、 P、As、Sb ● B：硼、Ga：镓、Al：铝， P：磷、As：砷、 Sb：锑
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杂质在硅和SiO2中的扩散特征 ● 硅中慢扩散杂质（扩散系数小）： B、 As、 Sb ● 硅中快扩散杂质（扩散系数大）： P、 Ga、 Al ● 在SiO2中扩散系数非常 小的杂质： B、 P、 As、Sb ● 在SiO2中扩散系数大的杂质：Ga、Al
方块电阻
结深
杂质扩散浓度分布曲线与衬底掺杂 浓度曲线的交点的位置称为杂质扩 散的结深。由扩散方程N（xj , t） = NB导出。余误差函数分布和高 斯分布的结深公式相同，但A值有 区别。
结深公式
余误差分布
高斯分布
结深的测量 结深可以通过磨角法、滚槽法测量
磨角染色法
Xj ＝ L×tgθ