硅集成电路工艺——扩散(Diffusion)
半导体工艺资料
1.氧化（炉）（Oxidation）对硅半导体而言，只要在高于或等于1050℃的炉管中，如图2-3所示，通入氧气或水汽，自然可以将硅晶的表面予以氧化，生长所谓干氧层(dryz/gate oxide)或湿氧层(wet /field oxide)，当作电子组件电性绝缘或制程掩膜之用。
氧化是半导体制程中，最干净、单纯的一种；这也是硅晶材料能够取得优势的特性之一（他种半导体，如砷化镓 GaAs，便无法用此法成长绝缘层，因为在550℃左右，砷化镓已解离释放出砷）硅氧化层耐得住850℃ ~ 1050℃的后续制程环境，系因为该氧化层是在前述更高的温度成长；不过每生长出1 微米厚的氧化层，硅晶表面也要消耗掉0.44微米的厚度。
以下是氧化制程的一些要点：（1）氧化层的成长速率不是一直维持恒定的趋势，制程时间与成长厚度之重复性是较为重要之考量。
（2）后长的氧化层会穿透先前长的氧化层而堆积于上；换言之，氧化所需之氧或水汽，势必也要穿透先前成长的氧化层到硅质层。
故要生长更厚的氧化层，遇到的阻碍也越大。
一般而言，很少成长2微米以上之氧化层。
（3）干氧层主要用于制作金氧半（MOS）晶体管的载子信道（channel）；而湿氧层则用于其它较不严格讲究的电性阻绝或制程罩幕（masking）。
前者厚度远小于后者，1000~ 1500埃已然足够。
（4）对不同晶面走向的晶圆而言，氧化速率有异：通常在相同成长温度、条件、及时间下，{111}厚度≥{110}厚度＞{100}厚度。
（5）导电性佳的硅晶氧化速率较快。
（6）适度加入氯化氢（HCl）氧化层质地较佳；但因容易腐蚀管路，已渐少用。
（7）氧化层厚度的量测，可分破坏性与非破坏性两类。
破坏性量测是在光阻定义阻绝下，泡入缓冲过的氢氟酸（BOE，Buffered Oxide Etch，系 HF与NH4F以1：6的比例混合而成的腐蚀剂）将显露出来的氧化层去除，露出不沾水的硅晶表面，然后去掉光阻，利用表面深浅量测仪，得到有无氧化层之高度差，即其厚度。
bcd的工艺流程
bcd的工艺流程BCD 工艺流程BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）是一种特殊的集成电路工艺，在电子行业中被广泛应用，可以实现各种先进功能。
下面将介绍BCD工艺的主要流程。
1. Substrate 准备：首先，需要准备一块适合使用的硅衬底（substrate），其表面应具备一定的纯度和平整度。
这一步也包括对衬底进行清洗和去除表面杂质的处理。
2. 厚用氧化物（BOX）层制备：在衬底上生长一层厚用氧化物（BOX）层，通过低压化学气相沉积（LPCVD）或者热氧化的方法实现，旨在隔离衬底与器件之间的电场，以提高器件的性能。
3. N型及P型低掺杂区制备：使用掺杂技术，在衬底上形成N型及P型低掺杂区。
常用的掺杂方法包括离子注入（Ion Implantation）和扩散（Diffusion）。
4. N型及P型高浓度区制备：通过再次掺杂技术，在低掺杂区上形成N型及P型高浓度区，以形成PN结。
这一步是制造晶体管的基础，也能够改变材料的电导率，以适应电路需求。
5. 沉积氧化物层：在衬底上，沉积一层氧化物层，主要用于隔离晶体管之间的电场，并提供良好的绝缘性能。
常用的制备方法包括热氧化、LPCVD 和高温氧化。
6. 图案化处理：使用光刻技术，在氧化物层上涂敷光刻胶，并使用光罩转移所需图案模型。
通过曝光和显影，可形成氧化物层的光刻窗口区域。
7. 示踪剂溅射：通过高温蒸发或溅射沉积技术，将示踪剂材料沉积在光刻窗口区域。
示踪剂材料的选择和沉积方法一般是根据电路设计需求来决定的。
8. 金属化处理：在示踪剂层上通过金属蒸发或者溅射沉积技术，沉积金属层，形成导线结构。
先进行预浸泡处理，然后使用光刻技术进行图案化处理。
9. 电性测试：对制造的器件进行电性测试，以确保器件工作性能符合要求。
10. 封装和封装测试：将制造完成的芯片进行封装，然后进行封装测试，以确保芯片在封装之后的性能稳定。
BCD工艺流程可以根据具体的设计需求进行调整和优化，以上仅为一般工艺流程的基本步骤。
半导体知识：扩散工艺基础知识讲解
半导体知识：扩散工艺基础知识讲解扩散技术目的在于控制半导体中特定区域内杂质的类型、浓度、深度和PN结。
在集成电路发展初期是半导体器件生产的主要技术之一。
但随着离子注入的出现，扩散工艺在制备浅结、低浓度掺杂和控制精度等方面的巨大劣势日益突出，在制造技术中的使用已大大降低。
3．1 扩散机构3．1．1 替位式扩散机构这种杂质原子或离子大小与Si原子大小差别不大，它沿着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占据晶格格点的正常位置，不改变原来硅材料的晶体结构。
硼、磷、砷等是此种方式。
3．1．2 填隙式扩散机构这种杂质原子大小与Si原子大小差别较大，杂质原子进入硅晶体后，不占据晶格格点的正常位置，而是从一个硅原子间隙到另一个硅原子间隙逐次跳跃前进。
镍、铁等重金属元素等是此种方式。
3．2 扩散方程N / t = D*2N / x2N=N（x，t）杂质的浓度分布函数，单位是cm-3D：扩散系数，单位是cm2/s加入边界条件和初始条件，对上述方程进行求解，结果如下面两小节所诉。
3．2．1 恒定表面浓度扩散整个扩散过程中，硅片表面浓度N S保持不变N（x，t）=N S erfc（x/（2*（Dt）1/2））式中erfc称作余误差函数，因此恒定表面浓度扩散分布符合余误差分布。
3．2．2．限定源扩散杂质源限定在硅片表面薄的一层，杂质总量Q是常数。
N（x，t）=（Q/（pDt）1/2）*exp（-X2/4Dt）exp（-X2/4Dt）是高斯函数，因此限定源扩散时的杂质分布是高斯函数分布。
由以上的求解公式，可以看出扩散系数D以及表面浓度对恒定表面扩散的影响相当大3．2．3 扩散系数扩散系数是描述杂质在硅中扩散快慢的一个参数，用字母D表示。
D大，扩散速率快。
D与扩散温度T、杂质浓度N、衬底浓度N B、扩散气氛、衬底晶向、缺陷等因素有关。
D=D0exp（-E/kT）T：绝对温度；K：波尔兹曼常数；E：扩散激活能D0：频率因子3．2．4 杂质在硅中的固溶度杂质扩散进入硅中后，与硅形成固溶体。
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。
半导体制造工艺之扩散原理概述
半导体制造工艺之扩散原理概述引言半导体器件是现代电子化工程的重要组成部分，而半导体制造工艺中的扩散过程是其中的核心步骤之一。
扩散是指将外部杂质或原子通过加热和蒸发的方式引入半导体晶体内部，从而改变其导电性能的过程。
本文将概述半导体制造工艺中的扩散原理，包括扩散的定义、分类、扩散过程的主要步骤以及应用。
扩散的定义和分类扩散在半导体制造加工中是用于改变材料电学特性和形成器件结构的重要工艺。
它通过在半导体材料中掺杂外部杂质或原子，改变其禁带宽度、导电性能和晶格结构，从而实现对器件特性的控制。
根据掺杂的原子种类和结构变化，扩散可以分为以下几类：1.硼扩散（Boron diffusion）：将硼原子引入到半导体材料中，可以增加材料的p型掺杂浓度。
2.磷扩散（Phosphorus diffusion）：将磷原子引入到半导体材料中，可以增加材料的n型掺杂浓度。
3.氮扩散（Nitrogen diffusion）：将氮原子引入到半导体材料中，可以改变半导体材料的特性，如降低材料的电阻率和增加材料的硬度。
4.氢扩散（Hydrogen diffusion）：将氢原子引入到半导体材料中，可以提高材料的电阻率。
5.金属扩散（Metal diffusion）：在半导体材料中引入金属原子，可以改变材料的特性，如增强导电性能或改变器件结构。
扩散过程的主要步骤扩散过程是一个涉及多个步骤的复杂过程，主要包括以下几个步骤：清洗在扩散之前，半导体晶体需要进行清洗，以去除表面的污染物和杂质，保证扩散过程的准确性和稳定性。
清洗步骤可以使用化学清洗方法或物理清洗方法，如溶剂洗涤、超声波清洗等。
预处理预处理步骤是为了提高扩散效果和降低生产成本而进行的一系列处理。
包括表面氧化、蚀刻、离子注入等工艺，以提高扩散层的质量和一致性。
掺杂掺杂是扩散过程中的核心步骤，通过向半导体晶体中注入外部杂质，改变材料的导电性能。
掺杂过程中需要控制掺杂浓度和深度，以满足器件设计要求。
扬州大学物理学院半导体工艺
1、ILD:层间介质：充当了各层金属间以及第一层金属与硅之间的介质材料。
层间介质上有很多小的通孔，这些层间介质上的细小开口为相邻的金属层之间提供了电学通道。
2、Damascene:大马士革工艺：工艺首先要求淀积一层介质薄膜，接下来是化学机械抛光、刻印、刻蚀和钨金属淀积，最后以金属层抛光结束。
这种工艺称为大马士革。
这种工艺的最后结果是在硅片表面得到一种类似精制的镶嵌首饰或艺术品的图案。
3、Polish:抛光：通过使硅片凸出的部分减薄到凹陷部分的厚度，以实现硅片表面平坦化。
CMP是目前先进的抛光方法。
4、anneal:退火：加高温使晶格重新生长消除缺陷，原理：温度升高，硅原子剧烈运动，撤去热源，硅原子重新按能量最低原理排列。
退火作用：推进，激活杂质，修复损伤。
5、Diffusion：扩散：扩散是由粒子浓度较高的地方向着浓度较低的地方进行，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀；浓度的差别越大，扩散越快；温度越高，扩散也越快。
扩散需要三个步骤：预淀积，推进和激活。
6、dry oxidation:干法氧化：1、如果生长发生有干氧，化学反应方程式：Si＋O2 SiO2 氧化速度慢，氧化层干燥、致密，均匀性、重复性好，与光刻胶的粘附性好7、atmospheric pressure：APCVD常压化学气相淀积：二、APCVD工艺化学反应在常压下进行，APCVD常用于淀积二氧化硅，特别是掺杂的SiO2 ，如磷硅玻璃（PSG）。
APCVD特点：(1)、Si片水平放置，产量低，易被管壁掉渣污染，需冷壁加热；(2)、常用温度700~ 900 ℃，沉淀速率由质量转移和反应速度决定(3)、均匀性较差，易产生雾状颗粒、粉末等。
为提高均匀性，须提高稀释气体流量，同时降低淀积温度。
目前普遍采用LTCVD（常压下低温化学气相淀积）SiO2 和掺杂SiO2 膜。
8、Epitaxial layer：外延层：外延是在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层。
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
硅集成电路工艺——扩散(Diffusion)
天津工业大学
§3.1 杂质扩散机构（机理，机制）
间隙式扩散： 间隙式扩散：
间隙式杂质从一个间隙位置运动 到另一个间隙位置 间隙位置： 间隙位置： 势能min 势能 相邻两间隙位置： 势能 相邻两间隙位置： 势能max 势垒高度： 势垒高度：Wi=0.6~1.2 eV 主要与晶格结构与晶向有关， 主要与晶格结构与晶向有关，原 子 密度越大，间隙越小， 密度越大，间隙越小， Wi就越大 就越大 运动条件： 运动条件：E> Wi 跳跃率： 跳跃率：Pi=V0 exp(-Wi/kT)
天津工业大学
两步扩散
两步扩散（控制表面浓度，杂质数量，结深等指标） 两步扩散（控制表面浓度，杂质数量，结深等指标）
预扩散（预淀积） 预扩散（预淀积） (predeposition)
主扩散（再分布） 主扩散（再分布） (drive-in)
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§3.4 影响杂质分布的其他因素
硅中点缺陷 杂质浓度对扩散系数的影响 氧化增强扩散 发射区推进效应 二维扩散 电场效应 热氧化过程中的杂质再分布 硅片晶向的影响
天津工业大学
§3.2 扩散系数与扩散方程
菲克(Fick)第一定律： 第一定律： 菲克 第一定律 J= -D[əC(x,t)/ əx]
杂质的扩散流密度正比于 杂质浓度梯度， 杂质浓度梯度，比例系数 D定义位杂质在基体中的 定义位杂质在基体中的 扩散系数
扩散系数： 扩散系数： J(x,t)=C(x-a/2,t)PvaC(x+a/2,t)Pva D=a²Pv =a²v0exp[-(Ws+Wv)/kT] =D0exp(-∆E/kT)
Chap.3 扩散（Diffusion）
扩散（ 扩散（Diffusion） ）
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
扩散有生产工艺
扩散有生产工艺扩散是一种常用的材料处理工艺，它广泛应用于半导体、光电子、电子器件等领域。
扩散工艺的主要目的是在半导体材料的表面或界面上引入不同的杂质，从而改变材料的导电性能和特性。
扩散工艺主要包括以下几个步骤：1. 清洗：将半导体芯片放入清洗槽中进行清洗，去除表面的污物和杂质。
清洗槽中的溶液通常是硝酸、硫酸和蒸馏水的混合物，可以有效去除大部分的杂质。
2. 扩散源制备：将所需的杂质制备成扩散源。
常用的杂质有磷、硼、锑等。
扩散源的制备通常采用多晶硅的气相扩散、离子注入或电子束蒸发等方法。
3. 扩散：将扩散源和半导体芯片一起放入炉中进行扩散。
扩散炉是将芯片和扩散源置于高温环境中，使杂质从扩散源向芯片中扩散。
高温可以提高杂质的扩散速率，一般在800-1200摄氏度之间。
4. 干燥：在扩散过程中，芯片表面会有一层氧化物形成。
为了去除这层氧化物，需要进行干燥处理。
干燥通常采用高温退火的方法，将芯片置于高温环境中，使氧化物转化为气态，从表面蒸发掉。
5. 电极制备：扩散完成后，需要在芯片上制备电极。
电极的制备通常采用光刻工艺和蒸镀工艺。
光刻是将光阻涂覆在芯片表面，然后通过光刻曝光与显影的步骤，将光阻部分去除，暴露出电极区域。
蒸镀是将金属材料蒸发到芯片表面，并在光刻后形成电极。
6. 清洗和检测：电极制备完成后，需要进行清洗和检测。
清洗是将芯片放入清洗槽中，去除制备电极时产生的杂质和残留物。
检测是对芯片进行电学性能测试，以确保芯片的质量和性能。
扩散工艺的关键是控制扩散的深度和浓度。
深度和浓度的控制主要依靠扩散时间、温度和杂质浓度的控制。
通过合理地选择这些参数，可以实现对扩散过程的精确控制。
总之，扩散工艺是一种重要的材料处理工艺，广泛应用于半导体、光电子、电子器件等领域。
通过合理地控制扩散的深度和浓度，可以改善材料的导电性能和特性。
扩散工艺
其中，F(Q)是形状因子，对于正方形结构，
范德堡法测量样品薄层电阻
A
26
2）杂质浓度—深度分布关系的测量--扩展电阻法
(1) 将样品磨出一个小角度斜面
(2) 将样品放在载片台上，用一对探针以预定压力与样品 表面接触，测量该电阻值。
(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。
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。
3）研究杂质在硅中的扩散运动规律的目的：
■ 开发合适的扩散工艺，预测和控制杂质浓度分布。 ■ 研究IC制造过程中其他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。
A
3
扩散工艺在IC制造中的主要用途：
1）形成硅中的扩散层电阻 2）形成双极型晶体管的基区和发射区 3）形成MOSFET中的漏区和源区
第一步：预淀积扩散 A
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
A
10
预淀积
温度：800~1000℃ 时间：10~30min
预淀积的杂质层
A
11
推进
温度：1000~1250℃
预淀积的杂质层
A
结深
12
激活
稍微升高温度 替位式杂质原子。
激活
杂质原子
√
A
13
A
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。
A
27
文献阅读：扩散工艺在半导体生产中的应用
扩散
几率增大且空位浓度增大，有利扩散。）
扩散介质的结构（介质结构越紧密，越不易扩
散。）
扩散时间（扩散时间越长，扩散越深） 结构缺陷（原子沿点、线、面缺陷扩散速率比沿晶
内体扩散速率大。）
扩散掺杂的缺点
扩散是各向同性工艺，因此总是会扩散 到掩膜氧化层下面，无法独立控制结深和 浓度，曾被广泛用于早期的IC制造业，但 1970年代中期开始被离子注入技术替代。 目前主要应用： 阱注入之后的推阱 形成超浅结（USJ）
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半导体diffusion工艺
半导体diffusion工艺半导体diffusion工艺是半导体器件制造中的一项重要工艺步骤。
它通过在半导体材料表面进行掺杂和扩散的方式，改变材料的电学性质，从而实现对器件性能的控制和优化。
本文将对半导体diffusion工艺的原理、步骤和应用进行详细介绍。
一、原理半导体diffusion工艺的原理基于半导体材料的掺杂和扩散效应。
掺杂是向半导体晶体中引入杂质原子，改变材料的电子能带结构，从而使其具备导电性。
扩散是指掺杂材料中的原子在晶体中的自由迁移，使杂质原子分布均匀。
通过控制掺杂材料的类型、浓度和扩散条件，可以在半导体材料中形成具有特定电学性质的区域，从而实现对器件的控制和优化。
二、步骤半导体diffusion工艺一般包括以下几个步骤：1. 清洗：将半导体晶片放入酸性或碱性溶液中进行清洗，去除表面的杂质和污染物。
2. 氧化：将半导体晶片放入高温氧气环境中进行氧化处理，形成一层薄膜氧化物（如SiO2），用于保护表面和调控掺杂过程中的扩散速率。
3. 掺杂：使用掺杂源（如磷、硼等）将杂质原子引入半导体晶体，改变其电学性质。
掺杂源可以是固体、气体或液体。
掺杂过程中，需要控制掺杂源的浓度、温度和时间等参数，以实现所需的掺杂效果。
4. 扩散：在高温下，使掺杂材料中的原子在半导体晶体中自由迁移，形成掺杂区域。
扩散速率受到温度、时间和氧化层等因素的影响。
5. 清洗和退火：在扩散完成后，需要进行清洗和退火处理，去除残留的杂质和应力，提高晶体的质量和稳定性。
三、应用半导体diffusion工艺广泛应用于各种半导体器件的制造过程中。
其中，最常见的应用是在晶体管的制造中。
通过掺杂和扩散工艺，可以形成源极、漏极和栅极等区域，实现对晶体管的电流控制和放大功能。
此外，半导体diffusion工艺还可以用于制备二极管、光电器件、传感器等各种半导体器件。
总结：半导体diffusion工艺是半导体器件制造中的重要工艺步骤，通过控制掺杂和扩散过程，实现对半导体材料电学性质的调控。
扩散工艺知识
-X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：—=D 2N （3-1）在一维情况下，即为：(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。
为了定量描述杂质扩散速度，引入扩散系数D这个物理量，D越大扩散越快。
集成电路工艺第三章：扩散
常用扩散杂质
形成P型硅的杂质： 形成P型硅的杂质：B、Ga、Al（Ⅲ族元素） Ga、Al（ 族元素） 形成N型硅的杂质： 形成N型硅的杂质：P、As、Sb（Ⅴ族元素） As、Sb（ 族元素） IC制造中常用的杂质： IC制造中常用的杂质： B、 P、As、Sb As、 制造中常用的杂质 B：硼、Ga：镓、Al：铝 Ga： Al： P：磷、As：砷、Sb：锑 As： Sb：
本章习题（书中第17章 本章习题（书中第17章）： 2、8
本章作业
1. 简要描述热扩散（即回答扩散的概念） 简要描述热扩散（即回答扩散的概念）
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≥２ ｍ）扩散采用两步扩散 常规深结（Xj≥２µｍ）扩散采用两步扩散 第一步：预扩散或预沉积，温度一般较低（980℃ 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 以下）、时间短（小于60分）。 ）、时间短 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 第二步：再扩散或结推进， （1200℃ 左右）、时间长（大于120分），同时生 1200℃ 左右）、时间长（大于120分），同时生 ）、时间长 长SiO2 此步扩散为有限表面源扩散高斯分布
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、 结深可以通过磨角法、滚槽法测量
磨角染色法 Xj ＝ L×tgθ × 方块电阻和结深是扩散的重要工艺参数，两个参 方块电阻和结深是扩散的重要工艺参数， 数已知则扩散分布曲线也可确定下来。 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 横＝（ ～ ） 纵
半导体diffusion工艺
半导体diffusion工艺半导体diffusion工艺是半导体器件制造过程中的一项关键工艺，它在半导体材料表面上注入特定的杂质，以改变材料的电学性质。
本文将就半导体diffusion工艺的原理、步骤和应用进行详细介绍。
一、工艺原理半导体diffusion工艺的核心原理是通过控制杂质的扩散来改变半导体材料的电学性质。
通常情况下，半导体材料是纯净的，即没有掺杂杂质。
而通过diffusion工艺，可以在半导体材料中引入掺杂杂质，从而改变材料的导电性质。
二、工艺步骤半导体diffusion工艺一般包括以下几个步骤：1. 清洗：首先对半导体材料进行清洗，以去除表面的杂质和污染物，保证工艺的准确性和稳定性。
2. 掺杂源制备：制备掺杂源，即含有所需杂质的化学物质。
常见的掺杂源有磷、硼、锑等。
3. 掺杂：将掺杂源涂覆在半导体材料表面，然后通过热处理使杂质扩散到半导体材料中。
4. 清洗：清洗掉表面的掺杂源和杂质残留物，确保材料的纯净度。
5. 烘烤：进行烘烤处理，使杂质在材料中扩散得更加均匀。
6. 化学蚀刻：利用化学物质对材料进行蚀刻，去除不需要的部分。
7. 沉积：在材料表面沉积一层保护层，以提高器件的稳定性和可靠性。
三、工艺应用半导体diffusion工艺广泛应用于半导体器件制造中，其中最常见的应用是制造PN结和MOS结构。
1. PN结制造：通过在半导体材料中掺入P型和N型杂质，形成P 区和N区，从而制造出PN结。
PN结是半导体器件中最基本的结构之一，广泛应用于二极管、三极管等器件中。
2. MOS结构制造：在半导体材料上制造一层绝缘层，然后再在绝缘层上形成金属-氧化物-半导体结构，即MOS结构。
MOS结构是集成电路中重要的结构之一，广泛应用于存储器、微处理器等器件中。
四、工艺优势半导体diffusion工艺具有以下优势：1. 精度高：工艺过程可以精确控制杂质的扩散深度和浓度，从而实现对材料电学性质的精确控制。
2. 可靠性好：工艺过程稳定可靠，可以保证器件的一致性和可靠性。
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将可控制数量的杂质 掺入到半导体内， 掺入到半导体内，主 要目的就是要改变半 导体的电特性
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扩散示意图及结深的定义
：
lnC
•高温扩散方式，杂质掺入无 高温扩散方式， 高温扩散方式 方向性 •杂质浓度从表面到体内单调 杂质浓度从表面到体内单调 下降 •杂质分布主要由扩散温度和 杂质分布主要由扩散温度和 时间决定 •一般用于形成深结 一般用于形成深结
x x+? x
?x
-əC(x,t)/ ət= əJ(x,t)/əx = ə[D əC(x,t)/ ət]/ əx =D ə²C(x,t)/ əx²
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§3.3 扩散杂质分布
恒定表面源扩散： 恒定表面源扩散：
边界条件： 边界条件：C(0,t)=Cs; C(∞ ,t)=0 初始条件： 初始条件：C(x,0)= 0, x>0 C(x,t)= Cs[1-erf(x/2(Dt)1/2)] = Cs erfc(x/2(Dt)1/2) Q(t) = 2Cs(Dt/ π)1/2 Xj = 2(Dt)1/2erfc-1(CB/Cs） ）
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扩散方程
C(x,t)∆s∆x-C(x,t+∆t) ∆s∆x= -[C(x,t+∆t)-C(x,t)]∆s∆x J(x+∆x,t) ∆s ∆t-J(x,t) ∆s ∆t= [J(x+ ∆x,t)- J(x,t)] ∆s ∆t
J1 J2
?S
扩散方程（菲克第二定律）： 扩散方程（菲克第二定律）：
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§3.1 杂质扩散机构（机理，机制）
间隙式扩散： 间隙式扩散：
间隙式杂质从一个间隙位置运动 到另一个间隙位置 间隙位置： 间隙位置： 势能min 势能 相邻两间隙位置： 势能 相邻两间隙位置： 势能max 势垒高度： 势垒高度：Wi=0.6~1.2 eV 主要与晶格结构与晶向有关， 主要与晶格结构与晶向有关，原 子 密度越大，间隙越小， 密度越大，间隙越小， Wi就越大 就越大 运动条件： 运动条件：E> Wi 跳跃率： 跳跃率：Pi=V0 exp(-Wi/kT)
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§3.2 扩散系数与扩散方程
菲克(Fick)第一定律： 第一定律： 菲克 第一定律 J= -D[əC(x,t)/ əx]
杂质的扩散流密度正比于 杂质浓度梯度， 杂质浓度梯度，比例系数 D定义位杂质在基体中的 定义位杂质在基体中的 扩散系数
扩散系数： 扩散系数： J(x,t)=C(x-a/2,t)PvaC(x+a/2,t)Pva D=a²Pv =a²v0exp[-(Ws+Wv)/kT] =D0exp(-∆E/kT)
扩散
x
lnC
离子注入： 离子注入： •离子束注入方式，杂质掺入 离子束注入方式， 离子束注入方式 直进性 •杂质浓度在体内有峰值分布 杂质浓度在体内有峰值分布 •杂质分布主要由离子质量和 杂质分布主要由离子质量和 注入能量决定
离子注入
x
•一般用于形成浅结 一般用于形成浅结
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扩散的缺点
横向扩散，工艺难以控制 横向扩散， 在高精度场合逐渐被离子注入取代
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§3.6 扩散工艺的发展
快速气相掺杂（ 快速气相掺杂（RVD） ） 掺杂原子直接从气相向硅中扩散， 掺杂原子直接从气相向硅中扩散，并能形成超浅 结
气体浸没激光掺杂（ 气体浸没激光掺杂（GILD） ） 液相扩散， 液相扩散，可形成陡峭的杂质分布形式
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Chap.3 扩散（Diffusion）
扩散（ 扩散（Diffusion） ）
杂质掺杂 Impurity doping
通过高温扩散的方式， 通过高温扩散的方式，杂质原子通过气相源或掺杂 过的氧化物扩散或淀积到硅片表面并进一步扩散到 体内形成掺杂
离子注入（ 离子注入（Ion implantation） ）
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两步扩散
两步扩散（控制表面浓度，杂质数量，结深等指标） 两步扩散（控制表面浓度，杂质数量，结深等指标）
预扩散（预淀积） 预扩散（预淀积） (predeposition)
主扩散（再分布） 主扩散（再分布） (drive-in)
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§3.4 影响杂质分布的其他因素
硅中点缺陷 杂质浓度对扩散系数的影响 氧化增强扩散 发射区推进效应 二维扩散 电场效应 热氧化过程中的杂质再分布 硅片晶向的影响
替位式扩散： 替位式扩散：
替位式杂质从一个替位位置运动 到另一个替位位置 (a) 直接交换（打断 个键） 直接交换（打断6个键 个键） (b) 空位交换（打断 个键，主要） 空位交换（打断3个键 主要） 个键， 间隙位置： 势能max 间隙位置： 势能 晶格位置： 势能min 晶格位置： 势能 势垒高度： 势垒高度： Ws 运动条件： 运动条件：E> Ws；该离子邻位正 ； 好出现一空位(n/N=exp(-Wv/kT)) 好出现一空位 跳跃率： 跳跃率：Pv=exp(-Wv/kT)V0 exp(Ws/kT) = V0 exp[-(Ws+Wv)/kT]
有限表面源扩散： 有限表面源扩散：
边界条件： 边界条件：C(x,0)=0 x>h; C(∞ ,t)=0 初始条件： 初始条件：C(x,0)=Cs(0)=Q/h 0<x<h C(x,t) = Q/(πDt)1/2 exp(-x2/4Dt) ＝Cs(t) exp(-x2/4Dt) Xj = 2(Dt)1/2[ln(Cs/CB)]1/2
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§3.5 扩散工艺
固态源扩散（ 固态源扩散（B2O3,P2O5,BN等） 等 开管扩散 箱法扩散 涂源法扩散 液态源扩散（ 液态源扩散（BBr3,BCl3,PBr3,PCl3,POCl3等） 系统简单，操作方便，成本低，效率高，易控制， 系统简单，操作方便，成本低，效率高，易控制， 最常用 气态源扩散（杂质的氢化物和卤化物） 气态源扩散（杂质的氢化物和卤化物）