扩散工艺知识

第三章集中工艺在前面“材料工艺”一章，我们就曾经讲过一种叫“三重集中”的工艺，那PN结。第一节集中原理某种阻力进入半导体，并在其中作缓慢的迁移运动。一．集中定义杂质浓度的半导体制造技术，称为集中工艺。二．集中机构杂质向半导体集中主要以两种形式进展：替位式集中，这叫替位式集中。硼〔、磷〔P、砷〔A〕等属此种集中。间隙式集中铜、银等属此种集中。三．集中方程有关。其运动规律可用集中方程表示，具体数学表达式为：ND2N 〔3-1〕t在一维状况下，即为：ND2N

〔3-2〕t x2式中：D为集中系数，是描述杂质集中运动快慢的一种物理量；N为杂质浓度；t为集中时间；x为集中到硅中的距离。四．集中系数D这个物理量，D越大集中越快。其表达式为：DD0EeKT 〔3-3〕e这里：D0——当温度为无穷大时，D的表现值，通常为常数；8.023×10-5ev/ºK；T“ºK”表示；E——有关集中过程的激活能，实际上就是杂质原子集中时所必需抑制的某种势垒。NB及集中杂质的外表浓度NS等有关。五．集中杂质分布的分布状况也就不同。恒定源集中〔气相或固相相NS保持恒定，故称为恒定源集中。恒定源集中的杂质浓度分布的表达式是：x2 DtN(x,t)NSerfc 〔3-42 Dt式中：Nx,t)x及集中时间t的变化关系；NS为外表处的杂质浓度；D为集中系数。erfc为余误差函数。3-1为恒定源集中杂质分布示意图：从图上可见，在不同集中时间外表浓度NS的值不变。也就是说，NS与集中的杂质浓度随时间增加而增加，随离开硅外表的距离增加而削减。图中NB为衬底原始杂质浓度，简称衬底浓度，其由单晶体拉制时杂质掺入量打算。DtSNS、杂质集中系数D之后进入硅片单位面积内的杂质原子数量可由下式给出：DtSDtSQ2DtS

〔3－5〕式中：Q为单位面积内杂质原子数或杂质总量。限定源集中只依靠预沉积在硅片外表上的那一层数量有限的杂质原子向硅内连续进展集中，这就叫限定源集中或有限源集中。其杂质浓度分布表达式为：N(x,t)x2

Q

x2e4Dt 〔3－6〕式中的e4Dt为高斯函数，故这种杂质分布也叫高斯分布。图中各条曲线下面的面积相等。当集中温度恒定时，随集中时间t的增加，一方下降。在“氧化工艺”中曾经分析过，由于热氧化，在再分布时杂质在硅片外表氧化层中会消灭“吸硼排磷”现象，我们不能无视这个因素；并且应当利用这些规律来准确的把握再分布的杂质外表浓度。其次节集中条件面。一．集中源的选择选择还需要遵循如下原则：导电类型与衬底相反；先集中的集中系数要比后集中的小；杂质与掩模之间的协作要协调，集中系数在硅中要比在掩模中大得多；要选择简洁获得高浓度、高蒸汽压、且使用周期长的杂质源；在硅中的固溶度要高于所需要的外表杂质浓度；毒性小，便于工艺实施。状态来看，有固态、液态、气态多种。二．集中条件确实定复性也是选择工艺条件的重要依据。具体讲有：温度对集中工艺参数有打算性影响。对浅结器件一般选低些；对很深的PN结选。时间人为的因素。气体流量MFC。第三节集中参数及测量三者之间有着一个格外亲热的有机联系。一．集中结深jPNPN型两种杂质浓度相等的地方x表示，单位是微米〔m或〕其表达式为：jDtxjADt

〔3-7〕S 式中A是一个与N、N S 余误差分布时：

A2erfc1 BNNSNN

〔3-8〕1 N21SA2S

nN

〔3-9〕B这里erfc-1为反余误差函数，可以查反余误差函数表。㏑为以e为底的自然对数，可以查自然对数表。此外，AA～

S曲线表直接查出。NNBNN阳极氧化法等。二．方块电阻集中层的方块电阻又叫薄层电阻，记作R□

或RS，其表示外表为正方形的扩散薄层在电流方向〔平行于正方形的边〕上所呈现的电阻。RL可推出薄层电阻表达式为：SRL 1RS xL x

〔3-10〕xj j xj式中：、分别为薄层电阻的平均电阻率和电导率。为区分于一般电阻，其单由于： 1qN(x

〔3-11〕qNx为平均迁移率。RS可变换为：R 1

〔3-12〕S x jj qN(x)xjjNx)·x为单位外表积集中薄层内的净杂质总量Q。可见，方块电j

□三．外表杂质浓度x和方块电阻R，再用计算法或图解法间接得出。j □计算法假设集中预沉积杂质集中系数为D，集中时间t，预沉积后外表浓度为1 1N，再集中的集中系数DtS1 2 2N？〔x0〕S2计算步骤如下：再集中杂质浓度遵循了高斯分布。依据公式〔3-6x0有：？恒定外表源集中，依据公式〔3-4〕可知其集中后进入硅片单位面积内杂质总量为：？代入上式即可得到NS2

2ND1t1D2D1t1D2t2

〔3－13〕之假设是硼集中，实际外表浓度比计算数据要低。图解法SNB下不同杂质分布的外表N与平均电导率的关系曲线。SS

能得到：xjx

1 〔3-14〕RxS jB衬底材料电阻率往往是的，从而可用手册上～N 曲线查出衬底浓BNB。固然也可以依据阅历公式：NB

1 〔3-15〕qB。有了B，只要知道杂质分布类型〔恒定源还是限定源集中，就x可以通过和衬底浓度NB相应的那组NS～曲线，查到从外表〔x0〕到结〔x＝ 〕之间任意一点x处的杂质浓度。xj第四节集中方法集中方法很多。常用的主要有：集中法:

液态源集中气—固集中 乳胶源集中固—固集中 CVD掺杂集中PVD蒸发集中〔固态外表接触时的最终状态是气态还是固态法。一．气－固集中气－固集中。液态源集中用保护性气体〔如N2〕通过液态源瓶〔鼓泡或吹过外表〕把杂质源蒸气带集中。液态源集中的优点是PN结均匀平坦，本钱低，效率高，操作便利，重复)反响方程式分别如下：)(BCHO(3

00C上BO

CO 2

OC...........22 3232BOSi00上SiO 422 3235POCl522 222 2

600上3PCl PO32 32 粉状源

PO5Si900上5SiO

4P双极电路隐埋集中现在还用粉状源三氧化二锑〔Sb23。但也不再用“箱”法，N2Sb2O3蒸气由低温区进入高温区沉积于硅片外表，再进展反响生成锑向硅中集中。再分布时将源舟取出。反响方程式为：2Sb2O33Si3SiO24Sb平面片状源〕与硅片相间地放置在石英舟的“V”型槽上，并保持平行，用高纯度的N2保护，利用杂质源外表。挥发出PN结。二．固—固集中〔化学气或者涂布一层杂质或掺杂氧化物，再通过高温实现杂质向硅中的集中。低温沉积掺杂氧化层法〔CVD法〕及缺陷的几率很小，因此这种方法也是完善单晶工艺〔PCT〕或半完善单晶工艺〔1/2PCT〕的重要环节之一。蒸发源集中普遍使用这种集中。二氧化硅乳胶源涂布集中PCT介绍，以避开与氧化雷同。集中质量对半导体器件芯片的好坏有着打算性影响，其具体表达在外表质xj，RN

进展了较为具体的介绍，下面对有关集中工艺中常见的一些质量问题作□ S些简要的阐述。一．外表不良合金点：主要缘由是外表杂质浓度过高。黑点或白雾：主要是酸性沾污、水气和颗粒沾污造成的。外表凸起物：大多由较大颗粒经过高温处理后形成。玻璃层：会造成光刻脱胶。集中温度过高，时间过长造成。工艺过程中硅片外表滑移线或硅片弯曲：是由高温下的热应力引起，一般是由于进出舟速度过快、硅片间隔太小、石英舟开槽不适当等导致。二．方块电阻偏差RSi片中的杂质总量的多少，与器件特性亲热相□关。22R偏大。相反，杂□质蒸气压过大，温度偏高，时间过长会导致R偏小。假设在预沉积时觉察R偏□ □三．结特性参数特别数h 。FEPN东西，反向漏电大，PN结击穿电压低。工艺中常见的不良反向击穿主要有：于清洗不好，有一些金属离子进入氧化层，如钠离子，从而增加漏电降低击穿。二氧化硅外表吸附了气体或离子以及二氧化硅本身的缺陷如氧空位等，使得SiO2带上了电荷，形成了外表沟道效应，增大了反向漏电流。硅片外表上沾污有重金属杂质，在高温下，很快集中进Si片体内，沉积在硅内的晶格缺陷中，引起电场集中，发生局部击穿现象，造成很大的反向漏电流光刻时图形边缘不完整，消灭尖峰毛刺，外表有合金点、破坏点，引起了纵向集中不均匀，PN结消灭尖峰会形成电场集中，击穿将首先发生在这些尖峰上。因此，制艺等，都能起到改善器件击穿特性的作用。hFE是晶体管，同时也是集中层的另一个重要参数。放基区杂质浓度比，外表是否有沾污和复合等提高放大。此外，材料中的位错密度大，有害金属杂