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1、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,扩散工艺(Diffusion process),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。3）研究杂质在硅中的扩散运动规律的目的：,扩散运动与扩散工艺,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。,3）形成MOSFET中的漏区和源区,扩散工艺在IC制造中的主要
2、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,(1)气态源：AsH3，PH3，B2H6(2)固态源：,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：,单磷酸铵,(NH4H2PO4),砷酸铝,(AlAsO4),硼源：BBr3(沸点90)磷源：POCl3(沸点107),(3)液态源,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,3、扩散设备类似于氧化炉管。,4、扩散工艺的控制要点：,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
3、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。,第二步：推进扩散,扩散工艺,(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。,第一步：预淀积扩散,“预淀积扩散”+“推进扩散”的两步扩散法,整个扩散工艺过程,清洗硅片
4、,预淀积,测试,开启扩散炉,推进、激活,预淀积,温度：8001000 时间：1030min,预淀积的杂质层,推进,温度：10001250,结深,预淀积的杂质层,激活,稍微升高温度 替位式杂质原子。,杂质原子,激活,横向扩散的存在影响IC集成度，也影响PN结电容。,实际扩散分布的分析(与理论的偏差),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；,当杂质浓度 ni，时，hE=2,2、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,氧化增强扩散或氧化阻滞扩散,3、扩散气氛的影响,P、B在O2气氛中扩散比在N2中快
5、，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。,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 主要是空位扩散机制。,杂质在半导体中的扩散与空位浓度有关,原因,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,5、IC工艺的热预算(Thermal Budget)
6、,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：,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,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 POCl3进行扩散掺杂。,2）扩散工艺存在的主要问题：,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。,2、主要的检测项目：
7、,扩散工艺质量检测,获取作为深度和横向位置函数的杂质浓度(杂质分布),1、目的：,四探针法测量样品薄层电阻,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。,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,1）薄层电阻的测量：,范德堡法,(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。,主要问题,测量结果取决于点接触的重复性。进表面测量比较困难。测量样品
8、与校准标准片比较接近。,2）杂质浓度深度分布关系的测量-扩展电阻法,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。,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；2）对气体流量进行检测和控制。在扩散过程
9、中要在炉管 内一直通氮气，保证炉内处于正压状态；要实时检测 扩散炉内不同气体的流量和比例，保证晶圆的扩散质 量。,半导体生产中扩散工艺的发展,微波加快扩散速度：缩短反应时间离子注入法的引入：所需温度低、易控制、不受杂质固溶态限制,结论,扩散工艺是生产半导体的一种常用方法，本文主要探讨了扩散工艺的工艺流程和扩散工艺的发展方向，半导体的导电特性使其在电视机、收音机等很多领域占据着重要的应用地位，在未来的很长时间内还会发挥不可替代的作用，在半导体的生产过程中，虽然扩散工艺存在着一些问题和不足，但是随着制造工艺的发展，扩散工艺的缺陷将逐渐被克服，在不断的完善过程中继续发挥重要的作用。,参考文献,参考文献,Thanks,祝大家工作顺利，身体健康！,
