第3章_3_扩散.pptVIP

3.3 掺杂方法之一-----扩散工艺 3.3.1 扩散原理 （1）扩散方程 由于热运动，任何物质都有一种从高浓度向低浓度处运动，使其趋于均匀分布的趋势，称之为扩散现象。在掺杂后，若半导体材料中杂质分布不均匀，则会形成扩散。 杂质扩散流 经过物理经典模型分析，扩散流满足下列方程： 扩散炉 （2）扩散系数 反映扩散快慢的扩散系数与温度之间的关系： 式中，D0为常系数，E0为激活能。 （3）杂质分布的特点和结深 a.恒定表面源扩散 扩散方程： 边界条件：N(0,t)=N, N(∞ ,t)=0 初始条件：N(x,0)=0 通过数学求解满足上述边界条件和初始条件的扩散方程为： b.有限表面源扩散（预沉积扩散） 扩散前样片表面已有一薄层掺入了一定数量Q的杂质原子，即在t’ →0时： （?→0） 在整个扩散过程中硅内的杂质总数保持不变。 初始条件： N(x,0)=0 边界条件： 求解得： X=0时 C.依赖浓度的扩散率 在高浓度情况下，扩散率D将不再是常数，而是掺杂浓度的函数。此时，想用严密的方式推导扩散方程的解几乎是不可能的，通常都结合具体的杂质种类以某些近似解来描述它们。 3.3.3 扩散方法 1、液态源扩散 以保护气体（如氮气）通过含有杂质的液态源，携带杂质蒸汽进入高温下的扩散炉。在高温下，杂质蒸汽分解，与硅反应生成杂质原子，杂质原子经过硅片表面向内部扩散。 硼、磷扩散常用的液态源有三氯氧磷（POC l3)硼酸三甲酯[B(CH8O)3],化学反应式为： 影响扩散参量的因素： （1） 液态源的温度 （2）扩散温度 （3 ）气体流量 2、片状源扩散 含有掺杂物质的是一种外形与硅圆片相同的片状固体扩散源，扩散时将它们与硅片间隔放置，并一起放入高温扩散炉中。 （1）源片的种类 目前国内外使用较多的有BN片和硼、磷微晶玻璃片，每一类源片又有多种型号。 a. BN片型号有HC，S，UA，HP，M等型号 b. 硼微晶玻璃片的主要成分是：SiO2(20~40%), Al2O3(20~30%), B2O3(50%), Mg+BaO(5~15%)，可分为PWB1，PWB2等型号。 c. 磷微晶玻璃片的主要成分是：Al(PO3)3和SiP2O7 根据两者所占比例不同分为SP-2,SP-3,SP-4等型号。 （2）片源处理 a. BN 片处理 BN片是非常稳定的化合物，掺杂能力极低，本身不能作为扩散源，必须在氧气中活化： 4BN+3O2=2B2O8+2N2 然后用三氯乙烯和丙酮等超声或浸泡去油，再在N2保护下慢慢升温烘烤。烘烤除去吸附在气孔中的水份。要避免温度剧烈变化。 如果源片发黑，表面清洗不彻底。 b. 硼、磷微晶玻璃片无须活化，用丙酮和乙醇擦洗，然后用去离子水冲洗，红外烘干即可。 (3)扩散过程 首先将源片和硅片相间地插在石英舟的刻槽内，然后在一定温度下扩散，杂质蒸汽与硅反应生成杂质原子向体内扩散，这步叫预淀积。 去掉源片，然后用氧气进行烘焙，改善硅片表面状态。 然后在较高温下进行再扩散。 硼扩散的反应式： BN： 硼微磷玻璃片（PWB）： 磷微晶玻璃片 3、固-固扩散 固-固扩散的杂质源是硅衬底上的固体薄膜，杂质就从这个固体薄膜扩散到衬底中去。固体薄膜可采用CVD或涂布等方法形成。薄膜有掺杂氧化物、掺杂多晶硅、杂质氧化物或氮化物以及它们的组合等，其中掺杂氧化物用得最多。 （1）工艺设计 结构设计 一般先在低温下在硅衬底上淀积一层掺杂氧化物，然后再淀积一层不掺杂氧化物。 掺杂氧化物的厚度主要由扩散层电阻率及其均匀性、薄膜结构完整性等决定。 最小厚度可用下式决定： 不掺杂氧化物的厚度约为数百纳米。 （2）杂质源的制备 CVD是制备掺杂氧化常用的方法。掺杂氧化物以硅烷和氧下反应生成SiO2为基础，加入不同掺杂气体便形成各种杂质氧化物。 具体见CVD和外延工艺。 （3）工艺实例 固体杂质源在高温下与硅反应，其反应式为： 4 双温区锑扩散 目前集成电路中掺入杂质锑时的一种扩散方法。扩散炉分两个温区，掺杂源Sb2O3放在低温区（一般950℃ ），以控制杂质蒸汽压。硅片放在高温区，温度一般达1250℃ ， 以满足杂质扩散的要求。扩散时用保护气体氮气通过低温区，携带Sb2O3蒸汽进入高温区。由温度、气流和扩散时间控制淀积在硅片表面的杂质量。然后取出低温区中的扩散源，硅片保留在高温区中继续进行再分布扩散。 3.3.3 扩散层质量检测 1、方块电阻（薄层电阻） 方块电阻用