扩散相关知识介绍-第七步drive-in

Diver-in 扩散第七步知识介绍

杂质原子穿越硅结构的热扩散方式和载流子扩散的方式非常相似。由于较重的杂质原子和晶体结构结合的更牢固，所以为了获得适当的扩散率需要800℃到1250℃的高温。一旦杂质进入预期的节深度，wafer就要冷却下来，杂质原子也被固定到晶体结构中。用这种方法形成的掺杂区域叫做diffusion。

通常制作一个diffusion包括两个步骤：首先是沉积（或预沉积），然后是drive（或drive-in）。沉积指加热wafer，让它和外部的杂质原子源接触。其中的一些从源扩散到硅wafer的表面形成一浅层重掺杂区。然后移开外部杂质源，wafer被加热到一个更高的温度并保持一段时间。在沉积过程中引入的杂质向下运动，形成更深的但浓度降低的diffusion。如果要制作掺杂非常重的结，就不需要从wafer旁移开杂质源，沉积和接下来的drive就能合并成一个步骤。

在硅工艺中有4种广泛使用的杂质：硼，磷，砷和锑。（选这些杂质的原因是他们很容易离子化和溶于硅形成重掺杂diffusion。参见F.A. Trumbore, “Solid Solubilities of Impurity Elements in Germanium and Silicon,”Bell Syst. Tech. J., Vol. 39, #1, 1960, pp. 205-233.）只有硼是acceptor；其他三个都是donors。硼和磷扩散起来相对来说更快，

砷和锑扩散起来就慢了很多。砷和锑用在要求非常慢速的扩散场合-----比如，要制作非常浅的结的时候。即使硼和磷在温度低于800℃也不扩散，必须使用特别的高温扩散炉。

典型磷扩散设备长的fused silica管子穿过电炉，电炉能在管子的中部产生一个非常稳定的加热区。Wafer装上wafer boat后，通过控制插入速率的机构慢慢的被推进炉子。氮气加入有液体氯氧化磷（POCl3，通常叫做pockle）的瓶子。一小部分POCl3蒸发了，并由气流带到wafer。由POCl3分解出的磷原子扩散到氧化层，形成掺杂氧化物，它起到了沉积源的作用。当足够长时间沉积大量的杂质在硅上后，wafer撤出炉子并去除掺杂的氧化物（称为deglazing的过程）。Wafer然后装入到另一个炉子，他们被加热来驱使磷向下扩散形成需要的diffusion。如果要制作高浓度的磷diffusion，drive前的deglazing 就不需要了。只要对杂质源做适当的变化，这个设备就能用来扩散4种杂质中的任何一种。

已经有很多其他沉积源被发明出来了。气态的杂质比如乙硼烷（代替硼）或磷化氢（代替磷）可以直接注入到运送气流。放在硅wafer 之间的薄氮化硼圆片能作为硼的固体沉积源。在高温氧化环境中，从这些圆片中释放出的三氧化硼会接触到周围的wafer。其他不同的

spin-on glasses也被作为杂质源出售。这些含有掺杂氧化物的东西溶解于挥发性的溶剂中。当溶液被滴入wafer上后，简短的烘焙去掉溶剂，在wafer上留下掺杂氧化层。这个叫做glass的物质就作为接下来扩散的杂质源。

这些沉积方法都不特别好控制。即使使用气态源（它能被精确计量），wafer周围不均匀的气体流不可避免的产生掺杂变化。对于不非常苛刻的工艺，比如标准bipolar，这些方法都能得到很好的结果。现代CMOS和BiCMOS（BiCMOS：BiCMOS工艺技术是将双极与CMOS 器件制作在同一芯片上，这样就结合了双极器件的高跨导、强驱动和CMOS器件高集成度、低功耗的优点，使它们互相取长补短、发挥各自优点，从而实现高速、高集成度、高性能的超大规模集成电路。）工艺要求比通常的沉积技术能达到的更精确的沉积程度和结深度控制。离子植入能达到需要的精度，但代价是更复杂和更昂贵的设备。

drive in主要与温度和时间有关,在再扩散时一般采用调节通湿氧和干氧气体的时间主要是取得所要达到的表面浓度及结深,有时为了达到一定的结深且达到一定的氧化层厚度(即氧化层厚度不能太厚)再扩散时可以通N2对片子进行保护,也可通其他惰性气体,但N2价廉物美.

drive in 就是一个扩散过程，和糖化在水里的道理一样，N2也好Ar也好，是保护气体不起作用。

O2在氧化晶片表面的过程中，会使杂质在Si-SiO2界面两侧再分布，改变了浓度分布曲线，另外O2的存在增加了单晶内部的晶格缺陷浓度，于是增加了磷硼推进速度。注意O2的存在是会减慢砷及某些杂质的扩散速度的，这是因为杂质原子本身的特性不同造成的扩散机理不同。

磷扩的deposition是先在表面形成一层含磷的氧化层，一般工艺上通三氯氧磷和氧气，温度一般比较低大多900～1050C；drive-in是将杂质通过高温推入硅内，一般通少量氧气或纯氮气，温度一般比较高，多在1100～1200C之间。这两部由于工艺气氛不一样，且淀积炉管比较容易有偏磷酸等沾污，所以一般都分为两部在不同的机台作业，但实际上也有的会放在同一个设备使用一个整个的recipe工作，但其实还是两步完成的。

在Deffison中POCl3不是和Si反应，是分解出P2O5，附着在硅表面。此时炉管内的气氛中是包含P的，如果直接升温进行Drive，不好控制。所以基本都是分开进行，Drive in基本都是无源的。