扩散工艺知识..

第三章 扩散工艺

在前面“材料工艺”一章，我们就曾经讲过一种叫“三重扩散”的工艺，那是对衬底而言相同导电类型杂质扩散。这样的同质高浓度扩散，在晶体管制造中还常用来作欧姆接触，如做在基极电极引出处以降低接触电阻。除了改变杂质浓度，扩散的另一个也是更主要的一个作用，是在硅平面工艺中用来改变导电类型，制造PN 结。 第一节 扩散原理

扩散是一种普通的自然现象，有浓度梯度就有扩散。扩散运动是微观粒子原子或分子热运动的统计结果。在一定温度下杂质原子具有一定的能量，能够克服某种阻力进入半导体，并在其中作缓慢的迁移运动。

一．扩散定义

在高温条件下，利用物质从高浓度向低浓度运动的特性，将杂质原子以一定的可控性掺入到半导体中，改变半导体基片或已扩散过的区域的导电类型或表面杂质浓度的半导体制造技术，称为扩散工艺。

二．扩散机构

杂质向半导体扩散主要以两种形式进行：

1．替位式扩散

一定温度下构成晶体的原子围绕着自己的平衡位置不停地运动。其中总有一些原子振动得较厉害，有足够的能量克服周围原子对它的束缚，跑到其它地方，而在原处留下一个“空位”。这时如有杂质原子进来，就会沿着这些空位进行扩散，这叫替位式扩散。硼（B ）、磷（P ）、砷（As ）等属此种扩散。

2．间隙式扩散

构成晶体的原子间往往存在着很大间隙，有些杂质原子进入晶体后，就从这个原子间隙进入到另一个原子间隙，逐次跳跃前进。这种扩散称间隙式扩散。金、铜、银等属此种扩散。

三． 扩散方程

扩散运动总是从浓度高处向浓度低处移动。运动的快慢与温度、浓度梯度等有关。其运动规律可用扩散方程表示，具体数学表达式为： N D t

N 2∇=∂∂ （3-1） 在一维情况下，即为： 22x

N D t N ∂∂=∂∂ （3-2） 式中：D 为扩散系数，是描述杂质扩散运动快慢的一种物理量；

N 为杂质浓度；

t 为扩散时间；

x 为扩散到硅中的距离。

四．扩散系数

杂质原子扩散的速度同扩散杂质的种类和扩散温度有关。为了定量描述杂质扩散速度，引入扩散系数D 这个物理量，D 越大扩散越快。其表达式为：

KT E

e D D ∆-=0 （3-3）

这里：D 0——当温度为无穷大时，D 的表现值，通常为常数；

K ——玻尔兹曼常数，其值为8.023×10-5ev/ºK ；

T —— 绝对温度，单位用“ºK ”表示；

E ∆——有关扩散过程的激活能，实际上就是杂质原子扩散时所必须

克服的某种势垒。

扩散系数除与杂质种类、扩散温度有关，还与扩散气氛、衬底晶向、晶格完整性、衬底材料、本体掺杂浓度N B 及扩散杂质的表面浓度N S 等有关。

五．扩散杂质分布

在半导体器件制造中，虽然采用的扩散工艺各有不同，但都可以分为一步法扩散和二步法扩散。二步法扩散分预沉积和再分布两步。一步法与二步法中的预沉积属恒定表面源扩散。而二步法中的再扩散属限定表面源扩散。由于恒定源和限定源扩散两者的边界和初始条件不同，因而扩散方程有不同的解，杂质在硅中的分布状况也就不同。

1．恒定源扩散

在恒定源扩散过程中，硅片的表面与浓度始终不变的杂质（气相或固相）相接触，即在整个扩散过程中硅片的表面浓度N S 保持恒定，故称为恒定源扩散。恒定源扩散的杂质浓度分布的表达式是： erfc N t x N S •=),(Dt

x 2 （3-4） 式中：),(t x N 表示杂质浓度随杂质原子进入硅体内的距离x 及扩散时间t 的变化关系；

N S 为表面处的杂质浓度；

D 为扩散系数。

erfc 为余误差函数。

因此恒定源扩散杂质浓度分布也称余误差分布。图3-1为恒定源扩散杂质分布示意图：

从图上可见，在不同扩散时间表面浓度N S 的值不变。也就是说，N S 与扩散时间无关，但与扩散杂质的种类、杂质在硅内的固溶度和扩散温度有关。硅片内的杂质浓度随时间增加而增加，随离开硅表面的距离增加而减少。图中N B 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决定。

由恒定源扩散杂质分布表达式中可知道，当表面浓度N S 、杂质扩散系数D 和扩散时间t 三个量确定以后，硅片中的杂质浓度分布也就确定。经过恒定源扩散之后进入硅片单位面积内的杂质原子数量可由下式给出：

Dt N Dt N Q S S 13.12==π （3－5）

式中：Q 为单位面积内杂质原子数或杂质总量。

2．限定源扩散

在限定源扩散过程中，硅片内的杂质总量保持不变，它没有外来杂质的补充，只依靠预沉积在硅片表面上的那一层数量有限的杂质原子向硅内继续进行扩散，这就叫限定源扩散或有限源扩散。其杂质浓度分布表达式为： e Dt x Dt Q t x N 42),(-=

π （3－6）

式中的e Dt x 42-为高斯函数，故这种杂质分布也叫高斯分布。

图3-2是限定源扩散杂质分布示意图。由于扩散过程中杂质总量保持不变，图中各条曲线下面的面积相等。当扩散温度恒定时，随扩散时间t 的增加，一方面杂质扩散进硅片内部的深度逐渐增加；另一方面，硅片表面的杂质浓度将不断下降。

在讨论限定源扩散，即两步法的再分布时，必须考虑的一个因素是分凝效应。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表面氧化层中会出现“吸硼排磷”现象，我们不能忽略这个因素；并且应当利用这些规律来精确的控制再分布的杂质表面浓度。

第二节 扩散条件

扩散条件选择，主要包括扩散杂质源的选择和扩散工艺条件的确定两个方面。

一．扩散源的选择

选取什么种类的扩散杂质源，主要根据器件的制造方法和结构参数确定。具体选择还需要遵循如下原则：

1．导电类型与衬底相反；

2．先扩散的扩散系数要比后扩散的小；

3．杂质与掩模之间的配合要协调，扩散系数在硅中要比在掩模中大得多；

4．要选择容易获得高浓度、高蒸汽压、且使用周期长的杂质源；

5．在硅中的固溶度要高于所需要的表面杂质浓度；