扩散工艺参考资料

VI1324
Байду номын сангаас
V41 I 23
V12 I34
V23 I 41
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
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。
第一步：预淀积扩散
第二步：推进扩散
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
预淀积
温度：800~1000℃ 时间：10~30min
预淀积的杂质层
推进
温度：1000~1250℃
预淀积的杂质层
结深
激活
稍微升高温度 替位式杂质原子。
激活
杂质原子
√
实际扩散分布的分析(与理论的偏差)
扩散工艺和设备
1、目前的扩散工艺已基本被离子注入取代，只有在进行重掺 杂时还用扩散工艺进行。
2、 扩散工艺的分类主要取决于杂质源的形态，常见的杂质源 形态包括：
(1) 气态源： AsH3，PH3，B2H6 (2) 固态源：
单磷酸铵
(NH4H2PO4) 砷酸铝
(AlAsO4)
(3) 液态源
硼源：BBr3(沸点90℃) 磷源：POCl3(沸点107℃)
主要是空位扩散机制。
氧化增强扩散或氧化阻滞扩散
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
3、扩散气氛的影响
■ P、B在O2气氛中扩散比在N2中快，称之为氧化增强扩散。 ■ As 在O2气氛中扩散比在N2中慢，称之为氧化阻滞扩散。
原因 杂质在半导体中的扩散与空位浓度有关 ■ 氧化时硅片表面存在大量过剩填隙原子，填隙原子数增
加，导致空位数量减少(填隙原子一空位复合)。 ■ P，B的扩散机制主要是推填隙扩散机制；As的扩散机制
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。
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
3、扩散设备类似于氧化炉管。
4、扩散工艺的控制要点： ■ 防止引入污染 ■ 工艺参数控制：温度分布、气流量和排片方式、片间距等
如何选择扩散源： 1）半导体材料的导电类型需要； 2）选择在硅中具有适当的扩散速度的杂质； 3 ）选择纯度高、毒性小的扩散源。 常用的扩散杂质有硼（B），磷（P）、锑（Sb）、砷（As）。 扩散杂质源（含有这些杂质原子的某些物质）有固态源、液态源和气态 源。
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
有效扩散系数Deff
扩散+漂移。
■ 当杂质浓度 << ni，时， hE = 1 ■ 当杂质浓度 >> ni，时， hE = 2
扩散工艺
“预淀积扩散”+“推进扩散”的两步扩散法
(1) 先进行恒定表面源的预淀积扩散(温度低，时间短)， 扩散很浅，目的是控制进入硅片的杂质总量；
(2) 以预扩散杂质分布作为掺杂源再进行有限表面源的推进扩 散，又称主扩散，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）。
为获得足够浅的预淀积分布，也可改用离子注入方法取代预扩散步骤。
5、IC工艺的热预算(Thermal Budget)
■ IC制造过程中经过的每一步高温工艺，都会对最终的 杂质分布产生影响。—— 杂质再分布
■ 假设硅片经过的高温过程有：温度T1下时间t1，温度 T2下时间t2，……，其相对应的扩散率为D1，D2 ， …… ， 则总的有效扩散特征长度为：
扩散工艺的局限性 1） 在CMOS IC工艺中，只有多晶硅淀积后重掺杂P还采用
注意事项：
1）对扩散炉温度工艺曲线的控制。至少分别对扩散炉的 9个温度检查点执行检查显示和控制操作，及时矫正 控制参数；
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。
文献阅读：扩散工艺在半导体生产中的应用
1.半导体生产中的扩散工艺流程 在半导体的生产过程中，晶圆的扩散是一道非常重要的工 序，一般在扩散炉内完成，具体的工艺流程如下： 1） 注入足量的氮气或氧气； 2） 电加热使炉内的温度升高到特定值； 3） 晶圆送入到扩散炉内； 4） 再注入足够的氮气或氧气； 5） 再次升温； 6） 将掺杂的气体注入到扩散炉内； 7） 炉内温度恒定，一定时间后，进行降温处理。
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。
扩散工艺质量检测
1、目的：
获取作为深度和横向位置函数的杂质浓度(杂质分布)
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
R
1 4
POCl3进行扩散掺杂。 2） 扩散工艺存在的主要问题：
■ 不能精确控制掺杂浓度和分布，横向效应大 ■ 不适于低剂量、浅分布的掺杂工艺 ■ 扩散设备无法实现在线质量监控
3）随着器件尺寸的缩小，杂质分布要求越来越浅，掺杂精确度要 求越来越高，因此，扩散工艺在1980年代后逐步被离子注入掺 杂技术所取代。