恒定源扩散和限定源扩散
集成电路的制作工艺和质量检测
集成电路的制作工艺和质量检测我们在日常工作中有接触的是以硅平面为工艺基础的半导体集成电路。
其制造过程大体可分为三个阶段。
第一阶段：加工制作集成电路用的基片。
第二阶段：是在基片上按平面工艺流程制作集成电路所需的元器件及其相互连线。
第三阶段：将制成的集成电路基片经过初测，筛选，划片，分成一块一块的集成电路芯片。
然后将合格的芯片烧结在管座上，焊上引线，再封装，老化，总测，分档等工序，成为产品。
我们公司主要做第二阶段。
集成芯片制作的基本工艺按照硅平面工艺，集成电路芯片的各个元器件及其相互间的连线都是在统一的工艺流程中，一步步制成。
而这一流程是右一些基本工艺按制作晶体管的顺序编制而成。
1.外延生长工艺：一般是指在一块衬底上生长一层导体单晶或多晶硅。
它是实现元气件相互隔离的一道重要工序，同时解决了高频晶体管C结击穿电压与集电区体电阻对材料电阻率要求的矛盾。
2．氧化工艺：是要在硅表面生成二氧化硅作为介质。
它可以扩散时对杂质起掩蔽作用。
起绝缘作用，如元器件之间隔绝的绝缘层。
对集成芯片上元器件的表面起保护作用等。
3.光刻工艺：是一种微细的加工工艺。
其利用光敏抗蚀层的光化学反应和蚀刻技术可以在二氧化硅薄膜上精确地刻制出所需要的扩散图形以及元器件相互连接的布线图形。
随着集成电路的不断提高，要求芯片上元器件的尺寸越来越小，这样对光刻工艺提出了更高的要求。
目前发展的超微细加工技术，从光源，曝光方式，感光胶配方，蚀刻方法等诸多方面做了大量改进，从而使最小线宽达到了亚微米的水平。
4.扩散工艺：就是在高温下将杂质原子掺入硅片表层，形成不同电阻率的杂质半导体。
根据集成电路图，在规定的区域并选定适当的杂质进行扩散，就可制成隔离PN结、二极管、三极管、及扩散电阻等。
因此可以说，集成电路的基本结构是通过扩散来实现的。
在扩散中为了达到一定的表面杂质浓度和扩散的深度，可以采用恒定源扩散和限定源扩散这两种。
相比之下限定源扩散既能控制硅表面浓度，又能控制扩散深度。
微电子工艺
A.
MBE
B.
VPE、LPE
C.
UHV/CVD
D.
SEG、SPE
正确答案：A、C
第三周作业返回
1单选(1分)
通常掩膜氧化采用的工艺方法为：
A.
干氧
B.
低压氧化
C.
干氧-湿氧-干氧
D.
掺氯氧化
正确答案：C
解析： C、既有较好的质量，利于光刻；又有较快的氧化速率
你没有填写答案
正确答案：自掺杂
解析： 低压气相外延时，从衬底逸出的杂质更易扩散出边界层进入主气流区而离开。
24填空(1分)
热氧化工艺本质上是在硅与二氧化硅 发生的硅的氧化反应。
你没有填写答案
正确答案：界面
解析： Si+O2（或H2O）→SiO2(+H2)
25填空(1分)
2017春季微电子工艺期末考试返回
1单选(1分)
CZ法拉不出高阻单晶硅锭的主要原因是：
A.
干锅清洗不干净造成；
B.
多晶硅原料纯度不够高；
C.
气相杂质融入熔体再进入了硅锭。
D.
坩埚材料分解出的氧会进入硅锭；
正确答案：D
2单选(1分)
实际VPE工艺温度多在质量传递控制区，此时外延速率：
4单选(1分)
磷在硅熔体与晶体中的分凝系数约为0.35，这使得液相掺杂拉制的掺磷硅锭的电阻率：
A.
轴向均匀
B.
轴向递减
C.
轴向递増
D.
径向递减
正确答案：B
解析： B、因为掺入硅锭的杂质是轴向递增的。
集成电路版图设计习题答案第二章集成电路制造工艺
集成电路版图设计习题答案第2章 集成电路制造工艺【习题答案】1．硅片制备主要包括（直拉法）、（磁控直拉法）和（悬浮区熔法）等三种方法。
2．简述外延工艺的用途。
答：外延工艺的应用很多。
外延硅片可以用来制作双极型晶体管，衬底为重掺杂的硅单晶（n +），在衬底上外延十几个微米的低掺杂的外延层（n ），双极型晶体管（NPN ）制作在外延层上，其中b 为基极，e 为发射极，c 为集电极。
在外延硅片上制作双极型晶体管具有高的集电结电压，低的集电极串联电阻，性能优良。
使用外延硅片可以解决增大功率和提高频率对集电区电阻要求上的矛盾。
图 外延硅片上的双极型晶体管集成电路制造中，各元件之间必须进行电学隔离。
利用外延技术的PN 结隔离是早期双极型集成电路常采用的电隔离方法。
利用外延硅片制备CMOS 集成电路芯片可以避免闩锁效应，避免硅表面氧化物的淀积，而且硅片表面更光滑，损伤小，芯片成品率高。
外延工艺已经成为超大规模CMOS 集成电路中的标准工艺。
3．简述二氧化硅薄膜在集成电路中的用途。
答：二氧化硅是集成电路工艺中使用最多的介质薄膜，其在集成电路中的应用也非常广泛。
二氧化硅薄膜的作用包括：器件的组成部分、离子注入掩蔽膜、金属互连层之间的绝缘介质、隔离工艺中的绝缘介质、钝化保护膜。
4．为什么氧化工艺通常采用干氧、湿氧相结合的方式？答：干氧氧化就是将干燥纯净的氧气直接通入到高温反应炉内，氧气与硅表面的原子反应生成二氧化硅。
其特点：二氧化硅结构致密、均匀性和重复性好、针孔密度小、掩蔽能力强、与光刻胶粘附良好不易脱胶；生长速率慢、易龟裂不宜生长厚的二氧化硅。
湿氧氧化就是使氧气先通过加热的高纯去离子水（95℃），氧气中携带一定量的水汽，使氧化气氛既含有氧，又含有水汽。
因此湿氧氧化兼有干氧氧化和en +SiO 2n -Si 外延层 n +Si 衬底水汽氧化的作用，氧化速率和二氧化硅质量介于二者之间。
实际热氧化工艺通常采用干、湿氧交替的方式进行。
扩散原理及技术介绍
1.3 晶体中的扩散
晶体中原子的扩散涉及到具体的扩散机制以及晶体结构，因此需要对公式 X 2 = 6Dt 做一些修正。
以面心立方晶格的空位机制为例。如右图 所示，晶格中的空位A可能跃迁的有12个方向 矢量，这12个方向矢量是等价的，其跃迁的几 率相等。
对于某特定的跃迁矢量，必定有另一个方 向相反大小相等的跃迁矢量，所以有：
则有，在左面，流量 J x dydz 是流 入，在右面流量 J x+dx dydz 则是流出。
( ) ( ) 净流入量= J x −J x+dx dydz = − J x+dx − J x dydz
又 J = −D ∂C ，所以上式为： ∂X
= − ∂J dxdydz dx
净流入量=
−
∂J dx
dxdydz=
12
12
∑ ∑ sis j = s2 cosθij = 0
j =1
j =1
12
所以，在空位扩散机制和面心立方格子中，下式中第二项为零。
n
n−1 n
∑ ∑ ∑ X
2 i
=
( s1
+
s2
+
+ sn )2 =
s2j + 2
s j sk
j =1
j=1 k = j+1
即 考虑到
n
∑ ( ) X
2 i
=
s1 + s2 +
在晶格中原子每次跃迁的距离就是该方向上的原子间距a。一个原子经过多次 跃迁才出现一个净位移，如下图所示。但单位时间内原子跃迁的次数愈多造成较大 净位移的可能性愈大，或者说回到原来位置的可能性愈小。 所以可以认为单位时间内的净位移愈大，表征布朗运动愈 强烈。这种净位移的大小与浓度梯度的存在与否无关。没 有浓度梯度时原子的布朗运动照样存在，只是不出现定向 扩散流。
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，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：a N、 ——=D V 2N（3-1）a t在一维情况下，即为：a N a 2N ---- =D------- a t a x 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。
《半导体器件物理基础》复习要点V2.1Final
《半导体器件物理基础》复习要点授课教师：李洪涛编辑：徐驰第一章PN结载流子：N型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子；P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
pn结：指半导体中p区和n区的交界面及两侧很薄的过渡区,由p区和n区共格相连而构成。
多子的扩散运动使空间电荷区变宽，少子的漂移运动使空间电荷区变窄，最终达到动态平衡，Ｉ扩＝Ｉ漂，空间电荷区的宽度达到稳定，即形成ＰＮ结。
突变结：由合金法、分子束外延法制得的pn结，在p区和n区内杂质分布均匀，而在交界面处杂质类型突变。
缓变结：由扩散法制得的p－n结，扩散杂质浓度由表面向内部沿扩散方向逐渐减小，交界面处杂质浓度是渐变的。
施主杂质浓度空间电荷区：ＰＮ结的内部由于正负电荷的相互吸引，使过剩电荷分布在交界面两侧一定的区域内。
电离施主与电离受主都固定在晶格结点上，因此称为“空间电荷区”。
空间电荷区电子浓度公式：n=n i exp((E f-E i)/KT)载流子在pn结区附近的分布：空间电荷区载流子浓度分布则如下图所示：用线性轴则如下图：结区电场、电位分布：耗尽区单位体积带电量相同。
势垒区内电场强度正比于Q1Q2/r2, 中心处电场最强。
所以就有了如下的电场强度分布和电位分布。
耗尽近似：空间电荷区只存在未被中和的带点离子，而不存在自由载流子，或者说自由载流子浓度已减小到耗尽程度，因此ＰＮ结又称为“耗尽层”。
耗尽区因无载流子，可忽略扩散和漂移的运动。
pn结能带图：接触电位差V D：pn结的内建电势差，大小等于空间电荷区靠近p区侧边界处电位与靠近n 区处电位之差。
n、p区掺杂浓度越大（或结区杂质浓度梯度越大）、材料禁带宽度越宽，温度越低，接触电势差越大。
PIN结构：在P区与N区中间加入一层本征半导体构造的晶体二极管。
高低结：n+-n或者p+-p结构的结。
同样有扩散和漂移的平衡，结区也有电场，但结区的载流子浓度介于两侧的浓度之间。
没有单向导电性。
对扩散后方块电阻、表面浓度和结深的影响,采用四探针测
对扩散后方块电阻、表面浓度和结深的影响,采用四探针测摘要：本文研究了单晶硅片不同的基体电阻率，对扩散后方块电阻、表面浓度和结深的影响，采用四探针测试法测定了发射极的方块电阻，结果显示基体电阻率越高，扩散后的方阻越高，采用电化学电压电容（ECV）测量方法测量了发射极表面浓度与结深的变化， ECV测量的结果表明了电阻率高的硅片扩散后表面浓度低、结深越小，是扩散后方阻高的原因，这些结果对太阳能电池生产的扩散工艺有一定的指导意义。
引言：目前，在国际环境和能源问题日趋严重的大背景下，新型无污染的新能源得到的快速的发展，而太阳能电池能够将太阳能直接转化成电能得到了大力的发展，到目前为止，晶体硅太阳能电池仍占据着整个太阳能电池的主要市场[1-3]。
然而到目前为止使用太阳能电池的成本依然较高，虽然成本每年都在降低。
降低太阳能电池发电的生产成本和提高其转换效率一直是研究的热点[4]。
扩散形成p-n结实太阳能生产中的重要的环节，p-n结是整个太阳能电池的心脏部分，通过改变扩散生产工艺，来提高太阳能电池性能的研究有很多。
李等通过改变扩散的时间和温度来改变多晶硅扩散的电阻在发现，当方阻小于70Ω/sq的时候，电池效率随着方阻的增加而增加，当大于70Ω/sq的时候随着方阻的增加而减小[ 5 ]。
Betezen等从实验中得出，降低温度和延长扩散时间有利于硅片的吸杂作用[6]。
豆等通过改变多晶硅中气体流量的大小与RIE制绒工艺进行匹配，在方阻为80Ω/sq的情况下得到了转换效率为17 . 5%的太阳能电池，比相应的酸制绒效率提高了0.5%[7]。
在一些重参杂的研究中发现，重参杂会增加发射极载流子的复合速率[8-9]。
上述的研究表明了扩散方阻对电池最终的转换效率有重要的影响，这些结果对生产中扩散工艺都具有重要的知道意义。
然而，上述的研究，都是通过改变扩散的时间或者源流量的大小来改变扩散后方阻的大小。
到目前为止，对不同电阻率硅片扩散后方阻的研究还比较少。
氧化扩散工艺培训-串讲(简)
三
氧化工艺介绍 （Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）
•3.1 氧化膜的性质 •3.2 氧化膜的作用 •3.3 氧化膜的制备 •3.4 影响氧化膜质量的因素 •3.5 氧化工艺质量的监控
3.1 热生长氧化膜的性质
•SiO2结构为无定型（amorphous); •SiO2密度为2.2mg/cm3 ; •较好的电绝缘性 电阻率＞1.0E20ohm-cm 禁带宽度~9eV •较高的介电强度 ＞10MV/cm； •能形成较稳定的Si/SiO2界面；
吸附 解吸
被吸附离子+热
２．４ 硅片清洗的一般顺序
纯水冲洗 纯水冲洗 干燥
去分子型杂质（包括油污） 纯水冲洗 去离子型杂质 去原子型杂质
２．５ 主要的化学清洗液
• • • • APM (NH4OH：H2O2：H2O) HPM (HCL：H2O2：H2O) SPM ( H2SO4：H2O2) 稀HF的漂洗
n
氧化气体中掺入含Cl元素的气体 特点：加快氧化速率，改善氧化层质量。 DCE：C2H2Cl2（二氯乙烯）
3.5 影响氧化膜质量的因素
3.5.1 影响氧化膜厚度的因素 • 氧化温度 • 氧化时间 • 气体流量 • 衬底类型及晶向 (110)>POLY>(111)>(100) • 半导体所含杂质浓度 3.5.2 影响氧化膜均匀性的主要因素 • 排风 • 硅片在炉管内位置 • 气体流量及比例 • 在生长超薄介质膜时氧化方式的选择等
一
设备 氧化 扩散 按工艺分类 清洗 LPCVD 注入 卧式炉 立式炉 按设备分类 清洗机 分类
扩散部设备简表
内容 PAD氧化、场氧化、栅氧化、 POST氧化 推阱、退火、合金 氧化前清洗、漂洗 LP-POLY、 LP-TEOS、 LP-Si3N 4 M1、 M3、 M4、 GSD1、 GSD2 A、 B、 C、 D、 F、 G、 H、 I 8组共 32根 VTR-OX、 VTR-POLY、 VTR-TEOS 共三根 FSI-1、 FSI-2、 FSI-3、 FSI-4、 DNS1、 DNS2等共 6台 M1、M3、 M4, 注入机 ＧＳＤ１、 ＧＳＤ２、 ＧＳＤ３
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具体步骤如下：
例 1 为了化学增强，将普通钠钙硅酸盐玻璃，在硝 酸钾熔盐中进行离子交换。实验测得在 723K 的温度下 按此求 K+ 在玻璃中的扩散系数为 D 0. 1μm2 / min ， t=200,400,600,800min时,K+在玻璃中的分布状况。
解：这是一个恒定源扩散问题。代入上面的公式求解。
我们可以把玻璃片看成一个半无界空间，边界条件有所变化。
该方程是齐次泛定方程+非齐次边界条件，根据数学物理方法 1）选择辅助函数，是边界条件齐次化，2）解相应的特征方程 问题 方程的解：
z C x, t N 0 1 erf 2 Dt z 式中1 erf 叫作余误差函数，可以在数学手册中查找。 2 Dt
δ函数
限定源扩散问题的解
这是第二类齐次边界条件
恒定源扩散
玻璃的化学增强，通常是将普通钠钙硅酸盐玻璃，在 硝酸钾熔盐中进行离子交换。钾离子进入玻璃表面层， 由于其离子半径较大，使玻璃表面层产生预应力，达 到增强目的。在硝酸钾盐中有足够的钾离子源源不断 地穿过玻璃表面向玻璃内不扩散。由于钾离子供应充 分，玻璃表面的钾离子浓度不会因为扩散的进行而减 少，将保持一个恒定的数值N0（一般是相应温度下， 玻璃对该种杂质离子的饱和溶解度）。这样，相当于 往玻璃内扩散的扩散源之杂质量是恒定的，故称为恒 定源扩散。
谢谢！
恒定源扩散和限定源扩散
材料科学与工程学院 张威 s20150402
主要内容
1、限定源扩散
2、恒定源扩散
限定源扩散
ห้องสมุดไป่ตู้
以向半导体Si中扩散硼为例。若将硼涂在硅片表面， 研究杂质穿过硅片的一面向里扩散的问题，可以 不管另一面的存在，把硅片内部当作半无界空间。 这种只让硅片表面已有的杂质向硅片内部的扩散， 而不添加新的杂质，就是限定源扩散