第三章：扩散

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

扩散目的：主要形成P－N结

扩散是硅基集成电路的基础工艺之一
3.2 扩散原理
■
杂质扩散机制
■
C ( x, t ) 非克（Fick）第一定律： J ( x, t ) D x
J— 扩散粒子流密度—单位时间通过单位面积的粒

第一步：预扩散或预沉积，温度一般较低（800℃
~ 1100℃ ）、时间通常较短（10~40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
（ 1000℃~1250℃ ）、时间较长（大于60分），同
时生长SiO2 （此步已完成了杂质的电激活） 此步扩散为有限表面源扩散高斯分布
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

方块电阻

结深的定义
杂质扩散浓度分布曲线与衬底掺杂浓度曲线交点 的位置称为结深。

结深公式的导出
结深可由扩散方程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


固溶度就是在一定的温度下，掺入杂质在硅中的最 大浓度。
硅的原子密度： 5.0×1022/cm3
表1
Hale Waihona Puke Baidu
1100℃下硅中的固溶度
杂
质
固溶度（atoms/cm3）
2.2×1020 1.1×1021 1.7×1021 5.0×1019 1.8×1019
硼（B） 磷（P） 砷（As） 锑（Sb） 铝（Al）



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

固溶度

硼的涂源扩散（属于预扩散或预沉积）
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
掺入硼或磷杂质的硅片在氧化中，杂质在SiO2－Si 界面两侧SiO2和Si中重新分布，这种现象称为分凝 效应。
子数
扩散系数



C — 扩散粒子的浓度（单位：粒子数/cm3）
D — 扩散系数—表征杂质扩散快慢的系数 非克第一定律揭示了扩散的本质即浓度差越大，温 度越高，扩散就越快。


常用扩散杂质
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
本章作业
1. 请描述硅中的杂质扩散 2. 硅中杂质扩散的目的是什么？
第三章 扩 散
掺杂技术之一
3.1 引 言

扩散的本质：
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。


为什么研究扩散？ （形成PN结）
硅中的杂质扩散：
把一定种类和一定数量的杂质引入到硅或其它晶 体中，以改变晶体的电学性质，并使引入的杂质
数量和分布情况都满足要求的过程。
分凝效应造成在硅中的硼杂质总量比磷损失的多，
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
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
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
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）扩散采用两步扩散
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 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

扩散的用途：形成P－N结二极管及三极管等
（a）简单的二极管结构
（b）简单的三极管结构

方块电阻
方块电阻的定义：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
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

磷的液态源扩散（属于预扩散或预沉积）
三氯氧磷（POCl3）是普遍选用的液态源，无色 透明液体，有毒，在室温下具有较高的蒸气压。 磷的液态源扩散做为预扩散，其化学反应式：
POCl3 → PCl5 ＋ P2O5
PCl5 ＋ O2 → P2O5 ＋ Cl2
POCl3 ＋ O2→ P2O5 ＋ Cl2
P2O5 ＋ Si → P ＋ SiO2