热扩散工艺原理9

Ns t) （
Q
Dt
（三）、两步扩散
恒定表面源扩散，难于制作低表面浓度的深结； 有限表面源扩散，难于制作高表面浓度的浅结。 为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求， 实际生产中常采用两步扩散工艺：
Байду номын сангаас
第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表
面源扩散方式在硅片表面扩散一层杂质原子，其分布为余 误差函数，目的在于控制扩散杂质总量； 第二步称为再扩散或再分布，将表面已沉积杂质的硅片在较 高温度下扩散，以控制扩散深度和表面浓度。
形成这一偏离的因素为：


（2）若某种杂质在氧化硅层一侧的扩散系数较大时会影 响在硅中的分布。
（3）由于氧化层不断的增厚，硅和二氧化硅界面也随着 时间向硅一侧移动。

扩散原理
间隙式杂质
（杂质原子半径较小）
替位式杂质
（杂质原子与本体原子电子壳层和价电子数接近，
半径大小相当）

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。
1、磷的固态源扩散
2、磷的液态源扩散 3、磷的气态源扩散
主要采用三氯氧磷的液态杂质扩散：
5PO CL3 3P CL5 P2 O5
PO
2
5
Si 5Si O2 4 P
三、砷扩散 四、锑扩散 五、金扩散
氧化硅-硅界面的杂质在分布

在扩散的过程中往往结合氧化在一起的，这使得杂质在界 面处按分配系数进行再分布，这将导致硅界面一侧中杂质 总量的减少。 （1）不同类型的杂质在硅和二氧化硅界面出的分凝系数 不同。
1、表面杂质浓度Ns 由所扩散的杂质在扩散温度（900℃1200℃）下的固溶度决定。 2、扩散时间越长，扩散温度越高，扩散进硅片内的杂质数 量越多。 3、扩散时间越长，温度越高，扩散深度越大。结深的位置：
x j 2 Dt erfc (
1
NB Ns
) A Dt
称为 “ 扩散长度 ”
（二）、有限表面源扩散
（一）、恒定表面源扩散
2 N ( x, t ) N S 1
x

2 Dt
e

2
0
x d N S erfc 2 Dt
在整个扩散过程中，
杂质不断进入硅中，而表面杂
质浓度始终保持不变。杂质浓 度分布呈余误差分布。
恒定表面源扩散的主要特点如下：
杂质的扩散方法 扩散方法很多，按所用杂质源的形式来分，有： 固态源扩散、液态源扩散、气态源扩散； 一、硼扩散 扩硼的杂质源均是先分解或化合产生 B2O3 ，再与 表面硅反应产生单质B 并向硅内扩散。
2 B2 O3 3Si 4 B 3Si O2
二、磷扩散
磷扩散源很多，其共性在于先生成P2O5 ，再与硅 反应生成单质磷向硅内扩散。

对硅而言，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。
扩散系数与扩散方程
费克第一定律——扩散定律 一维情况下，单位时间内垂直扩散通过单位面积的 粒子数——即扩散流密度jp( x, t )与粒子的浓度梯度成 正比。
扩散开始时，表面薄层内的杂质总量一定，而在以后的扩 散过程中不再有杂质加入，此种扩散称为有限源扩散。
有限源扩散的杂质分布为高斯分布，其 表达式为：
N ( x, t ) Q
x
2
Dt
e
4 Dt
有限源扩散的特点如下： （1）杂质分布：扩散时间越长，杂质扩散得越深， 表面浓度越低；扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质 扩散得也越深，表面浓度下降得越多； （2）在整个扩散过程中，杂质总量 Q 保持不变。 （3）表面杂质浓度可控，任何 t 为： 时刻的表面浓度
扩散工艺原理

掺杂目的：改变其电学性质，并使掺入的杂质数量和分布 情况都满足要求、

掺杂类型：高温扩散和低温离子注入
掺杂方法： 1、 高温气相环境下采用气态杂质源实现淀积、 扩散 2、采用含有高剂量的杂质的氧化物或化合物源与 待掺杂材料放置在一起实现掺杂的目的 3、 利用杂质的高能离子态注入待掺杂材料的一 定位置，经过退火使注入的原子激活从而完成掺杂
j p ( x, t ) D
dN ( x, t ) dx
扩散系数D与温度T（K）之间有如下指数关系：
D = Do exp(-ΔE/k T)

费克第二定律——扩散方程
S
x
N ( x, t ) t
x x
D
N ( x, t )
2
x
2
式中假定D为常数，与杂质浓度 N( x, t )无关，x 和 t 分别表示位置和扩散时间。针对不同边界条件求出方程 的解，可得出杂质浓度 N 的分布，即 N 与 x 和 t 的关 系。 两种扩散方式 ：恒定表面源扩散 有限表面源扩散


扩散原理：当环境温度升高时，基底材料的原子在平衡格 点附近振动，它们当中有的会获得足够的能量而离开平衡 格点，成为处于填隙状态的原子，同时在原格点上产生空
位。当临近的杂质原子或基质原子迁移到空位时，发生空
位扩散，如果迁移原子是基质原子，则称为自扩散行为， 若是迁移原子是杂质原子，则称为杂质的扩散行为。

高温扩散

定义：将一定数量和一定种类的杂质在高温下掺入到硅片 或其它晶体中。这是一种基本而重要的半导体技术。扩散 工艺用于形成双极器件中的基区、发射区和集电区、MOS 器件中的源区与漏区，扩散电阻、互连引线以及多晶硅掺 杂等。浓度越大，扩散越快；温度越高，扩散也越快 扩散掺杂的缺点 —生产周期长 —掺杂浓度不好控制 —掺杂的深度和宽度无法控制 —热缺陷，不能实现化合物的扩散。