晶闸管扩散工艺..
两步扩散工艺
两步扩散工艺一、概述两步扩散工艺是半导体工业中常用的一种工艺，主要用于制造晶体管、集成电路等器件。
该工艺通过控制材料的扩散深度和浓度，来实现对器件性能的调控和优化。
该工艺主要分为两步进行，第一步是在硅片表面形成氧化层，并在氧化层上加热扩散掺杂剂，使其渗透到硅片内部形成P型或N型区域；第二步是在已经形成掺杂区域的硅片上再次进行加热扩散，使得掺杂剂进一步扩散并形成更深的P型或N型区域。
本文将详细介绍两步扩散工艺的具体操作流程和注意事项。
二、准备工作1. 硅片清洗：将待处理的硅片放入去离子水中浸泡10-15分钟，然后取出并用氮气吹干。
2. 氧化处理：将硅片放入氧化炉中，在高温下形成约1000Å左右的氧化层。
需要注意的是，在氧化过程中要避免产生结晶缺陷和氧化层厚度不均匀等问题。
3. 掺杂剂制备：根据所需的掺杂类型和浓度，将掺杂剂与稀释剂混合，制备出相应的掺杂溶液。
需要注意的是，掺杂剂在制备过程中要充分溶解，以确保后续扩散过程中的均匀性。
4. 掺杂前处理：将硅片放入清洗槽中，在去离子水中浸泡10-15分钟，然后取出并用氮气吹干。
接着，将硅片放入盐酸和氢氟酸混合液中浸泡5-10秒钟，以去除氧化层表面的污染物质。
三、第一步扩散1. 控制温度：将硅片放入扩散炉中，并加热到所需的温度。
通常情况下，P型区域需要在1000℃左右进行扩散，而N型区域则需要在1200℃左右进行扩散。
2. 加入掺杂剂：在硅片表面滴加一定量的掺杂溶液，并保持一定时间使其渗透到硅片内部形成P型或N型区域。
需要注意的是，掺杂剂的浓度和加入时间需要根据实际情况进行调整。
3. 冷却处理：在扩散结束后，将硅片从扩散炉中取出，并放入冷却槽中进行快速冷却。
这样可以避免掺杂剂进一步扩散，从而保证掺杂层的深度和浓度。
四、第二步扩散1. 控制温度：将已经形成掺杂区域的硅片放入扩散炉中，并加热到所需的温度。
通常情况下，第二步扩散需要比第一步更高的温度和更长的时间。
晶闸管生产工艺
晶闸管生产工艺
晶闸管是一种电子元器件，常用于电力控制和变频调速等领域。
它的制造过程非常复杂，涉及到多个工序和技术，以下将简要介绍晶闸管的生产工艺。
首先是材料准备。
晶闸管主要由P型和N型硅片组成，需要
选择高纯度的硅材料，并经过特殊工艺制备成硅片。
然后是硅片清洗。
硅片经过切割后容易受到污染，需要通过化学清洗去除杂质。
清洗过程一般包括去除有机物、无机盐和金属离子等步骤。
接下来是扩散。
扩散是晶闸管制造中最重要的步骤之一，它通过在硅片表面进行掺杂，形成P型和N型直流区域。
这一工
艺可以使用不同的掺杂材料和技术，如硫化锌、磷酸实验室、氮氧化物和负载扩散等。
然后是沉积。
沉积是在硅片上形成不同类型的金属和氧化膜的过程。
常用的方法包括物理气相沉积和化学气相沉积，可以制备出金属电极、电阻器和电介质层等。
接下来是光刻。
光刻是利用光敏胶和光掩膜，在硅片上形成图案的过程。
通过光刻可以制作出晶闸管的电极、导体、连接线和控制结构等。
随后是腐蚀。
腐蚀是利用化学溶液，去除光刻过程中未受阳光照射的部分。
这一步骤可以定义晶闸管的形状和电性能。
最后是封装和测试。
封装是将制造好的晶闸管装入外壳，以保护其不受机械和环境的影响。
测试是对晶闸管进行性能和可靠性测试，以确保其符合规定的技术要求。
综上所述，晶闸管的制造工艺包括材料准备、硅片清洗、扩散、沉积、光刻、腐蚀、封装和测试等多个步骤。
每个步骤都需要严格控制工艺参数和质量要求，以确保最终产品的性能和可靠性。
晶闸管制作工艺
晶闸管制作工艺晶闸管制作工艺介绍•晶闸管是一种常用的半导体器件，具有可控的电流开关特性。
•制作晶闸管需要经过多个工艺步骤。
•本文将介绍晶闸管制作的主要工艺过程。
石英管制备1.制备石英管是制作晶闸管的第一步。
2.采用高纯度的石英材料。
3.使用石英坯料切割成所需尺寸的石英管。
清洗处理1.将石英管进行清洗处理，去除表面的杂质和污垢。
2.使用去离子水或有机溶剂进行清洗。
3.保证石英管表面的纯净度和光洁度。
掺杂与扩散1.在清洗后的石英管上进行掺杂处理。
2.使用外源杂质进行掺杂，常用的杂质有铝、硅等。
3.将掺杂后的石英管放入高温炉中进行扩散处理。
热氧化处理1.经过扩散处理后的石英管进行热氧化处理。
2.将石英管置于高温氧气中，使其表面形成一层二氧化硅薄膜。
3.二氧化硅薄膜可以提高晶闸管的电绝缘性能。
掩膜与光刻1.将石英管表面涂覆上一层感光胶。
2.使用光刻机对感光胶进行曝光和显影，形成特定的图案。
3.通过掩膜与光刻的过程，定义出晶闸管中的P-N结构和电极。
金属沉积与蚀刻1.在暴露出的P-N结构和电极上进行金属沉积，通常使用铝。
2.利用化学蚀刻技术去除多余的金属，只留下所需的电极连接。
封装与测试1.对制作完成的晶闸管进行封装。
2.将晶闸管连接到封装座上，并固定好。
3.进行各项电性能测试，如伏安特性曲线测试等。
结论•晶闸管制作工艺包括石英管制备、清洗处理、掺杂与扩散、热氧化处理、掩膜与光刻、金属沉积与蚀刻、封装与测试等多个步骤。
•每个步骤都需要严格控制，确保晶闸管的质量和性能。
•晶闸管在电子领域中具有广泛的应用，其制作工艺的研究和改进仍然具有重要意义。
以上只是简单介绍了晶闸管制作工艺的几个主要步骤，实际工艺过程可能更加复杂和细致。
焊接与封装1.将制作完成的晶闸管与其他电子元件通过焊接进行连接。
2.焊接可以采用手工焊接或自动化焊接设备。
3.将焊接完成的晶闸管进行封装，常见的封装形式有TO-220、TO-247等。
制作表面绝缘层1.为了提高晶闸管的绝缘性能，需要制作表面绝缘层。
晶闸管的工作原理与工艺流程
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晶闸管制作工艺
晶闸管制作工艺晶闸管是一种半导体器件，其制作工艺对于晶闸管的性能和稳定性至关重要。
本文将从晶闸管的结构和原理出发，介绍晶闸管制作工艺的主要步骤和关键技术。
一、晶闸管的结构和原理晶闸管是由四层P-N结构组成的，通常由P-N-P-N的四层结构构成。
其中，两个P-N结构称为控制结构，另外两个P-N结构称为耦合结构。
晶闸管的控制结构上有一个控制极（G）和一个触发极（G），耦合结构上有一个主极（A）和一个阳极（K）。
晶闸管的工作原理是：当控制极施加一个正向电压时，P-N结构中的两个P型区域形成一个P-N-P三层结构，这时晶闸管处于导通状态。
而当控制极施加一个反向电压时，P-N结构中的两个P型区域形成一个P-N-P-N四层结构，这时晶闸管处于堵塞状态。
晶闸管的制作工艺主要包括晶体生长、切割、清洗、扩散、腐蚀、阳极氧化、金属化、封装等步骤。
1. 晶体生长：晶闸管的制作首先需要通过Czochralski方法或浮区法等方式在高温炉中生长出硅单晶。
2. 切割：将生长好的硅单晶切割成具有一定尺寸的硅片，也称为晶圆。
3. 清洗：将切割好的晶圆进行去杂质的清洗处理，以确保晶圆表面的纯净度。
4. 扩散：通过将晶圆放入扩散炉中进行高温处理，使得控制结构和耦合结构之间形成P-N结构，从而形成晶闸管的基本结构。
5. 腐蚀：在扩散完成后，晶圆表面的氧化硅层需要进行腐蚀处理，以便后续的金属化工艺能够顺利进行。
6. 阳极氧化：将晶圆放入氧化炉中进行高温氧化处理，使得晶圆表面形成一层氧化膜，这是晶闸管的重要保护层。
7. 金属化：通过光刻、蒸镀等工艺将电极金属化在晶圆表面，以便与晶闸管的结构相连接。
8. 封装：将制作好的晶闸管芯片进行封装，以保护晶闸管的内部结构。
三、晶闸管制作工艺的关键技术晶闸管制作工艺中有几个关键技术需要特别注意。
1. 扩散工艺：扩散工艺是晶闸管制作中最关键的一步，需要严格控制温度、时间和掺杂浓度等参数，以确保P-N结构的形成和稳定性。
扩散工艺知识..
扩散⼯艺知识..第三章扩散⼯艺在前⾯“材料⼯艺”⼀章，我们就曾经讲过⼀种叫“三重扩散”的⼯艺，那是对衬底⽽⾔相同导电类型杂质扩散。
这样的同质⾼浓度扩散，在晶体管制造中还常⽤来作欧姆接触，如做在基极电极引出处以降低接触电阻。
除了改变杂质浓度，扩散的另⼀个也是更主要的⼀个作⽤，是在硅平⾯⼯艺中⽤来改变导电类型，制造PN 结。
第⼀节扩散原理扩散是⼀种普通的⾃然现象，有浓度梯度就有扩散。
扩散运动是微观粒⼦原⼦或分⼦热运动的统计结果。
在⼀定温度下杂质原⼦具有⼀定的能量，能够克服某种阻⼒进⼊半导体，并在其中作缓慢的迁移运动。
⼀．扩散定义在⾼温条件下，利⽤物质从⾼浓度向低浓度运动的特性，将杂质原⼦以⼀定的可控性掺⼊到半导体中，改变半导体基⽚或已扩散过的区域的导电类型或表⾯杂质浓度的半导体制造技术，称为扩散⼯艺。
⼆．扩散机构杂质向半导体扩散主要以两种形式进⾏：1．替位式扩散⼀定温度下构成晶体的原⼦围绕着⾃⼰的平衡位置不停地运动。
其中总有⼀些原⼦振动得较厉害，有⾜够的能量克服周围原⼦对它的束缚，跑到其它地⽅，⽽在原处留下⼀个“空位”。
这时如有杂质原⼦进来，就会沿着这些空位进⾏扩散，这叫替位式扩散。
硼（B ）、磷（P ）、砷（As ）等属此种扩散。
2．间隙式扩散构成晶体的原⼦间往往存在着很⼤间隙，有些杂质原⼦进⼊晶体后，就从这个原⼦间隙进⼊到另⼀个原⼦间隙，逐次跳跃前进。
这种扩散称间隙式扩散。
⾦、铜、银等属此种扩散。
三．扩散⽅程扩散运动总是从浓度⾼处向浓度低处移动。
运动的快慢与温度、浓度梯度等有关。
其运动规律可⽤扩散⽅程表⽰，具体数学表达式为： N D tN 2?=?? （3-1）在⼀维情况下，即为： 22xN D t N ??=?? （3-2）式中：D 为扩散系数，是描述杂质扩散运动快慢的⼀种物理量；N 为杂质浓度；t 为扩散时间；x 为扩散到硅中的距离。
四．扩散系数杂质原⼦扩散的速度同扩散杂质的种类和扩散温度有关。
2、半导体工艺原理-扩散
薄层电阻Rs（方块电阻） 表面浓度：扩散层表面的杂质浓度。
扩散层质量参数
方块电阻
方块电阻是标志扩散层质量的另一个重要参数， 一般用R□或Rs表示，单位是Ω/□ 。
2、恒定杂质总量扩散
扩散开始时，表面放入一定量的杂质源，而在以后的扩散
过程中不再有杂质加入。假定扩散开始时硅片表面极薄一层内
单位面积的杂质总量为 QT ，杂质的扩散长度远大于该层厚度，
则杂质的初始分布可取为 函数，扩散方程的初始条件和边界
条件为
0 N (x, t)dx QT
N (,t) 0
2 NS1
D1t1 D2t2
exp
x
2 j
4 D2t2
NB
即可解得
xj 2
D2t2
ln
2 NS1
NB
1
D1t1 D2t2
2
A
D2t2
掺杂分布控制：
3.3 简单理论的修正
前面得出的扩散后的杂质分布是采用理想化假设的结果， 而实际分布与理论分布之间存在着一定的差异，主要有：
1、二维扩散（横向扩散） 实际扩散中，杂质在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。考虑到横向扩散后，要得 到实际的杂质分布，必须求解二维或三维扩散方程。横向扩散 的距离约为纵向扩散距离的 75% ~ 80% 。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，此效应将直接影响到 VLSI 的集成度。
2、杂质浓度对扩散系数的影响
前面的讨论假定扩散系数与杂质浓度无关。实际上只有当 杂质浓度比扩散温度下的本征载流子浓度 ni(T) 低时，才可认 为扩散系数与掺杂浓度无关。在高掺杂浓度下各种空位增多， 扩散系数应为各种电荷态空位的扩散系数的总和。
晶闸管的工艺
晶闸管的工艺
晶闸管（Thyristor）的制造工艺主要分为以下几个步骤：
1. 单晶生长：使用单晶生长炉，在高纯硅棒中控制温度和气氛，使硅棒逐渐冷却凝固，形成单晶硅棒。
2. 硅片切割：将单晶硅棒通过切割机切割成薄片，称为硅片。
硅片的厚度通常为200-300微米。
3. 清洗：对硅片进行化学清洗，去除表面的杂质和污染物。
4. 掺杂：通过扩散或离子注入等方法，向硅片中掺入所需的杂质（如硼或砷），形成PN结。
5. 给电极：在硅片上涂上金属或导电材料，形成正负极，供电线连接。
6. P结封装：将PN结的硅片放置在芯片座中，通过高温焊接或焊料密封，确保结构的稳定。
7. 绝缘处理：通过氧化、脱氧和镀膜等化学处理，对晶闸管进行绝缘处理，以降低电流泄露和漏电流。
8. 封装：将晶闸管芯片放置在塑料或金属外壳中，进行封装，以保护芯片不受外界环境的损害。
9. 老化：将封装后的晶闸管放置在高温高湿度环境中进行老化测试，以验证其性能和可靠性。
10. 测试和分选：通过电性能测试和按功率分选，将合格的晶闸管分为不同的规格和级别。
以上是晶闸管的主要制造工艺，不同的晶闸管类型和应用领域可能会有些许差异。
这些工艺步骤的实施需要精密的设备和控制技术，以确保晶闸管的质量和性能。
晶闸管工艺
周新田
典型工艺流程
原始硅单晶
P型扩散
N型发射区扩散
金属淀积和图形确定 边缘成型和钝化
N型发射区图形确 定
晶片的制备
CZ用于大功率晶闸管最严重的缺点就是50Ω —cm以上 的电阻率不容易得到，这是因为在单晶生长中要防 止坩埚的污染是极困难的。而一般的功率晶闸管需 要的电阻率都是超过这个数值的，因而直拉单晶是 不能使用的 一般用FZ悬浮区熔法来制备单晶 用无心研磨法把硅棒磨到适当的直径，把硅棒用内 圆金刚石锯切成圆片，再进行机磨
寿命控制
考虑低的通态电压降(低频晶闸管和非单联应用的单 个器件) 防止寿命降低：通过DLTS(深触级瞬态谱仪技 术)OCVD(开路电压衰减技术)对制造工艺中有害杂质 和缺陷进行检测 多数情况下，考虑晶闸管的导通电压和关断特性 降低寿命措施：掺入金属杂质如金铂或者高能辐照 (电子辐照、r辐照、质子辐照)的方法
特定杂质原子对单晶结构影响很大，原子大小失配 严重会产生位错缺陷使单晶晶格扭曲 铝、镓、砷原子与硅原子十分接近
镓扩散和铝扩散
结深要求30-140um，通过开管或闭管扩散工艺来单 独或者同时掺杂镓和铝
沉积在硅片上的杂质数量取决于两个因素：源的固 溶度和源在闭管中的蒸汽压 铝较镓有较低的分压强，所以表面浓度也比较低， 所以铝一般采用开管扩散
PN结的制作
外延 功率晶闸管要求于外延的特殊问题是需要在大面积 上生长出低缺陷水平的外延层，并要能精确的控制 外延层的厚度
但是，为了在大批量低成本工艺条件下达到很低的 缺陷密度所遇到的问题已经超过了外延所能提供的 技术效益，因而在多数情况下不采用外延法来形成 器件的p型层和n型层
PN结的制作
离子注入：由于离子注入引入的掺杂层结深较浅， 它在功率晶闸管中形成PN结方面的应用仅限于作为 掺杂源被采用 扩散工艺 扩散N型：磷、砷 扩散P型：硼、铝、镓
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
晶闸管扩散工艺资料课件
在半导体照明中，扩散工艺可以 提高芯片的光效和可靠性，同时
还可以降低生产成本。
高频大功率器件制造中的应用实例
高频大功率器件是电力电子装置中的重要元件，可以用于高压大功率的 场合。
扩散工艺可以用于制造高频大功率器件中的P-N结、接触电极等关键结 构。
在高频大功率器件制造中，扩散工艺可以提高器件的开关速度和可靠性 ，同时还可以降低器件的损耗和噪声。
当在晶闸管的阳极和阴极之间加 上正向电压时，P型和N型半导 体之间会产生强烈的电场，导致
空穴和电子加速流动。
当空穴和电子相遇时，会产生电 流，这个电流就是晶闸管内部的
电流。
当在晶闸管的阳极和阴极之间加 上反向电压时，由于P型和N型 半导体之间的电场较弱，所以晶
闸管内部不会产生电流。
02
扩散工艺的基本原理
。
清洗硅片
使用化学试剂清洗硅片表面， 去除油脂、金属杂质和有机物 等。
放置源料
将源料放置在设备的指定位置 。
校准位置
校准硅片与源料的位置，确保 源料准确放置在硅片上。
扩散操作流程
打开设备
按照操作规程打开扩散设备。
扩散时间
根据工艺要求设定扩散时间，确保硅片充分 吸收源料。
升温与保温
将设备加热至指定温度并保温一定时间，确 保源料充分融化并渗透进硅片。
VS
解决方法
通过优化晶闸管的设计和使用条件，如采 用低电压大电流的设计、降低使用温度等 ，来延缓晶闸管性能的退化。同时，也可 以通过定期检测和更换晶闸管，来确保其 性能的稳定性和可靠性。
THANKS。
扩散工艺的主要参数
01
02
03
04
扩散时间
MOS控制晶闸管的三重扩散工艺研究
MOS控制晶闸管的三重扩散工艺研究
李学宁
【期刊名称】《电子学报》
【年(卷),期】1996(24)5
【摘要】本文对ＭＣＴ的核心工艺－三重扩散工艺进行了详细研究。
通过ＳＵＰＲＥＭ－Ⅲ计算机工艺仿真，获得了三重扩散的工艺条件。
【总页数】1页(P63)
【作者】李学宁
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TN342.054
【相关文献】
1.MOS控制晶闸管的最大可关断电流 [J], 张鹤鸣;戴显英;林大松;王伟;解勇
2.一种高di/dt栅控晶闸管的三重扩散工艺优化 [J], 孙瑞泽;陈万军;彭朝飞;阮建新;张波
3.MOS耗尽型晶闸管—一种新型MOS控制的双极功率器件 [J], Bali.,BJ;陈力才
4.基于MOS控制晶闸管的高压电容放电特性 [J], 覃新;朱朋;徐聪;杨智;张秋;沈瑞琪
5.槽栅MOS控制的晶闸管(英文) [J], 张鹤鸣;戴显英;张义门;林大松
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除了场助效应、荷电空位效应对扩散系数的影响外，凡是能引起 自由载流子( n,p) 和本征载流子浓度( ni ) 发生变化的因素，如杂 质浓度、应力效应，结团效应、缺陷等都会影响到扩散系数，从 而影响杂质分布。
发射极的陷落效应 发射区高浓度扩散时，基区杂质的继续扩散受到发射 区杂质的影响，使发射区正下方的集电结发生陷落的现象。
理论分布与实际分布的差异
两种典型扩散的杂质分布及主要参数
两步扩散的杂质分布及主要参数
常见扩散质量问题分析
1、表面合金点：
在显微镜下观察，前者是一些黑色的小圆点由于有过多的杂质原子 堆积在一起与硅片生成合金点，是一种玻璃体结构。形成表面合金点的 主要原因是表面浓度过高。
A、 合金点引起加速扩散而导致结面不平整，使PN结低击穿或 “分段击穿” B 通常是由下述原因引起的。 （1）预扩时携带源的气体流量过大。如预扩时源的浓度过高， 液态源通的气体流量过大或在通气时发生气体流量过冲。 （2）源温度过高，使扩散源的蒸汽压过大。 （3）源的纯度不高，含有杂质或水分。 （4）预扩时扩散温度过高，时间太长。 为了改善高浓度扩散的表面，常在浓度较高的预扩气氛中加一 点氯气，防止合金点产生。
2) 杂质剂量Q0 Q0指扩入单位面积硅中的杂质总数(cm-2)，
3) 方块电阻R□( 薄层电阻RS ) 对正方形扩散层,长和宽分别为一个单位长度，结深为xj的扩 散层电阻,与扩散入硅中的杂质总量Q成反比
扩散主要参数
4) 结深xj
若扩散杂质与本底杂质导电类型相反，则在C(x)等于衬 底杂质浓度（CB）处就形成ＰＮ结，它到表面的距离即 为结深。
常见扩散质量问题分析
3、表面凸起物 主要是由较大粒径的颗粒污染经过高温处 理后形成的。如灰尘、头屑、纤维等落在硅片 表面；或石英管内的粉尘、硅屑等在进、出溅 到硅片表面。表面凸起物一般在日光灯下用肉 眼可以看到。 4、表面氧化层颜色不一致 通常是预扩时氧化层厚度不均匀，有时也 可能是扩散时气体管路泄露引起气流紊乱或气 体含有杂质，使扩散过程中生长的氧化层不均 匀，造成氧化层表面发花。
固- 固扩散：
低温下利用CVD 技术或胶体涂布的方法，在硅片 表面淀积一层含有一定杂质浓度的固体薄膜，然后以 此为掺杂剂，在高温下进行扩散，从而达到掺杂的目 的。
只要适当地调节氧化层中的杂质浓度，通过一次 扩散就可以获得任意低的表面杂质浓度,克服了两步 扩散的缺点。
理论分布与实际分布的差异
实际扩散是比较复杂的，不一定严格遵守某种形 式的扩散，但往往是比较接近于某种分布，因此，可 在足够精确的程度上采用某种分布来近似分析。同时， 由于扩散模型本身作了理想化的假设，并忽略了实际 扩散过程中的各种效应。因此，实际分布通常偏离理 论分布。 1 、模型的偏离——模型的假设 2 、场助效应——内建电场的作用 3 、荷电空位效应——缺陷对杂质扩散的影响 4 、陷落效应——杂质的相互作用 5 、氧化对扩散的影响——氧化增强扩散和杂质分凝 6 、横向扩散/或二维扩散——扩散窗口的理想化
横向扩散指靠近窗口边缘的区域，除了垂直于表面的扩散作用外， 还有平行于表面的扩散（属于二维扩散）。考虑横向扩散后，必 须求解二维的（D 为常系数）扩散方程。所以，应采用二维情况 来描述杂质浓度分布。 横向扩散模型(假设) ： ①. 扩散窗口是理想的：边缘陡直，且杂质只能 由裸露的窗口扩入硅中，窗口形状是长条状宽 矩形(即Wd>>xj) ； ②. 扩散系数D 与杂质浓度C无关。
3. 合金法 4. 中子嬗变法
常规的扩散系统与扩散工艺
气态源扩散系统
扩散系统
液态源扩散系统
固态源扩散系统
扩散系统
1、气态源扩散
气态杂质首先在硅片表面进行化学反应，生成掺杂氧化层，杂质再 由氧化层向硅中扩散。 气态杂质源：B2H6 / PH3 / AsH3 运载/ 稀释气体：氮气(N2)、氩气(Ar2) 反应所需气体：氧气(O2)
以杂质化合物的形式进行扩散的方式要采用辅助方式解决 化合物高温分解后对硅片产生的不良影响
固体中的热扩散现象
1、扩散机构：间隙式扩散和替位式扩散
固体中的热扩散现象
2. 扩散现象的本质
粒子流密度: 在单位时间内通过单位面积的粒子个数(1/cm2∙s) 流密度由浓度差引起的—扩散运动
微观上，每个杂质粒子 (如获得能量)总是向临近的位置跳跃,扩散就是大量粒 子作无规则热运动的统计结果； 宏观上，大量粒子在一定条件下 (如浓度差)总是由其浓度高的地方往浓度低 的地方迁移。
常见扩散质量问题分析
9、扩散的均匀性和重复性
在实际生产中经常发现同一炉扩散出来的硅片其薄层电阻相差特大， 特别是在低浓度扩散时更为明显，这就是扩散的均匀性问题。 当用同样的条件进行扩散时，发现各次扩散的结果有差异，这就是 1 a. b.恒温区有变化或太短。如果恒温区短，会使石英舟各处温度有差异， 从而造成扩散结果不均匀，如果恒温区变化未及时调整，同样会出现这 个问题。因此，在生产上是经常测量恒温区的，并且恒温区制的特别长。 c.杂质蒸汽压的影响。如果石英舟上各处的杂质蒸汽压不均匀，也会 使得扩散结果不均匀。如携带杂质源的N2流量太小或，源瓶温度低，而 保护性N2流量又过大。或者石英管粗细不均匀使得石英舟上各处杂质蒸 汽压不一致。改进的办法是在进气端安装一个气体混和室，使得保护性
常见扩散质量问题分析
7、薄层电阻偏差： a．扩散炉温失控或不稳定。 b．预扩时气体流量不稳定或温度不稳定。 c．预扩或在扩散时气体管路泄露或气体含有 杂质。 d．光刻腐蚀后有残留氧化膜或在清洗过程中 产生较厚的自然氧化膜阻碍了杂质扩散。 e．扩散过程中设备的故障、误动作或操作人 员的操作不当。
3. 扩散系数
物理含义 ：表示粒子扩散快慢的物理量。
Ea ：扩散所需的激活能，表示跃迁的难易，决定了扩散的快慢 决定 D∞： D∞称为频率因子或表观扩散系数 因素 T ：温度 影响因素 ：场助效应、荷电空位效应、杂质浓度等
lnD~1/T的关系
扩散主要参数Βιβλιοθήκη 1) 表面处浓度及次表面浓度 表面浓度是扩散层表面的杂质浓度 次表面浓度是硅片几何表面内某一地方的杂质浓度 这两个杂质浓度可以通过计算平均电导率， 查依尔芬曲线得到
用途：利用掺杂技术可以制作PN结、欧姆接触区等
n 型，如P、As、Sb等； 杂质 p 型，如B、Al 、Ga等。
掺杂技术主要有： 1. 热扩散工艺：利用杂质在高温(>800 ℃) 下由高浓度区向低浓度区的扩散来进行 硅的掺杂。
2. 离子注入：将杂质转换为高能离子的形式，直接注入进硅， 将杂质转换为高能离 子的形式，直接注入到硅体内。
内的杂质，这些杂质将全部扩入硅片内部。
3. 两步扩散：第一步采用恒定表面源扩散方式，第二步采用有限表面源扩
散方式。
4. 固-固扩散
恒定表面源扩散
扩散后杂质浓度分布 为余误差函数分布
工艺举例：真空闭管 扩散、预沉积扩散、涂 层扩散等
特点： 其表面浓度等于在该扩散温度下杂质在半导体中的固溶度,是T的函数；在 温度的不断增加中有一个峰值； 固溶度是指在一定温度下杂质能溶入固体中的最大浓度；温度不变时， 整个扩散过程中, Cs 保持不变， Q0随t↑不断增加，结深不断加深； 缺点： ①采用固态源和液态源预淀积时， Q0大易产生杂质沉积和缺陷； ②杂质的表面浓度Cs保持不变，不能满足实际需要。
有限表面源扩散
有限表面源扩散在硅片内形成的杂质分布为高斯分布。
杂质浓度梯度随时间或温度的增加而减小( 曲线变缓)
两步扩散
第一步：采用恒定表面源扩散方式，在硅片表面淀积一定数量的杂 质原子，称预扩散或预沉积。
特征：温度较低，时间较短。
第二步：采用有限表面源扩散方式，把淀积好的硅片放入较高温的 炉中推进，使表面浓度和结深达到要求为止。称再分布或 主扩散、推进。 特征：温度较高，时间较长。 能很好地解决Cs 、xj 与扩散温度、时间之间的矛盾。可以 控制表面浓度和结深。（较高Cs 、较深xj）
理论分布与实际分布的差异
1、预沉积过程中，基片在刚开始时是没有杂质的，即: 当t=0 →t>0 时, C(t,0)由0→Cs有一个建立的过程，而理论上是保持不变的 2、对实际氧化气氛下的有限源扩散，由于Si 表面存在杂质的浓度梯 度及杂质的分凝，所以杂质浓度分布并不完全满足高斯分布。
理论分布与实际分布的差异
常见扩散质量问题分析
2、表面黑点或白雾
一般在显微镜下观察是密布的小黑点，在聚光灯下看是或 浓或淡的白雾。这种现象大多发生在液态源磷扩散。因为磷扩散 时杂质浓度过高及石英管中存在偏磷酸，在扩散时会有大量烟雾 喷射到硅片表面，在快速冷却过程中，就产生了白雾。这些白雾 使得光刻胶和硅片粘附不好，同样会产生浮胶或钻蚀现象。解决 的办法是控制好扩散温度，不要扩散的太浓，冷却时要慢。因此 源瓶温度很重要，另通氧气量直接影响偏磷酸量，需关注。 另外产生的原因主要还有有以下几种： （1）硅片表面清晰不良，有残留的酸性水汽。 （2）纯水或化学试剂过滤孔径过大，使纯水或化学试剂中含有 大量的悬浮小颗粒（肉眼观察不出）。 （3）预扩气体中含有水分。 （4）扩散N2中含有水分。 （5）硅片在扩散前暴露在空气中时间过长，表面吸附酸性气体。
陷落效应形成原因： ①磷扩散时产生了大量的过剩的间隙硅原子，它与B 原子相互作 用，增强了B 扩散。 ②磷与硅中的空位相互作用，形成杂质-空位(P+V=)对。P+V=对 分解时提供的空位，能扩散到相当远处，在增强P 扩散同时，也 增强B 扩散。
理论分布与实际分布的差异
硼：氧化层下方硼扩散结深增加——氧化增强扩散 杂质B通过双扩散机制( 即空位- 间隙)两种方式进行扩散；在 硅-二氧化硅界面存在过剩的间隙硅原子，间隙硅与替位硼杂质相 互作用，使得B 以替位-间隙交替方式运动，其扩散速度比单纯的 替位-替位要快。磷与硼相似