硼磷扩散
半导体中杂质原子扩散的机理
半导体中杂质原子扩散的机理微电子工艺2010-09-30 14:05:16 阅读152 评论0 字号：大中小订阅Xie Meng-xian （电子科大，成都市）在向Si和GaAs等半导体内部掺入施主或者受主杂质原子时，最常采用的技术是热扩散（Thermal Diffusion）和离子注入。
对于热扩散技术来说，往往都需要较高的扩散温度；因为施主或受主杂质原子的半径一般都比较大，要它们直接进入到半导体晶格中去是很困难的，然而如果利用高温产生出一些热缺陷，则通过这些热缺陷的帮助即可容易地扩散、并进入到半导体中去。
半导体晶体中原子扩散的机理不同于载流子的扩散。
载流子扩散的快慢主要决定于它们所遭受的散射作用；而原子扩散的快慢则主要决定于晶体中热缺陷（间隙原子和空位）的数量。
（1）原子扩散系数：杂质原子扩散的快慢用相应的扩散系数来表征。
因为原子在晶体中的扩散，实际上是通过间隙原子或者晶格空位、一步一步地在晶格之间跳跃前进的；如果所需要跳过的势垒高度为Ea，则扩散系数D与温度T之间的关系可表示为常数Ea称为扩散激活能。
实验表明，溶解度愈小的代位式杂质原子，其扩散系数就愈大。
对于半导体中杂质原子的扩散，为了让晶体中产生出大量的热缺陷，就必须对晶体加热，让晶体原子的热运动加剧，以便于某些原子获得足够高的能量而离开晶格位置，并产生出空位和等量的间隙原子。
因此，原子的扩散系数随着温度的升高而指数式增大。
对于Si晶体，要在其中形成大量的热缺陷，所需要的温度大致为1000oC左右，这也就是热扩散的温度。
（2）扩散机理：施主或者受主杂质原子通过热扩散而进入到半导体中之后，必须要处于替代晶格的位置才能起到提供载流子的作用——即具有电活性。
从机理上来说，代位杂质原子扩散的具体方式主要有三种：①利用晶格空位的扩散：在杂质原子的代位式扩散机理中，可以有两种重要的扩散方式，即(a)直接交换方式和(b)空位交换方式；在这两种代位扩散方式中，杂质原子利用空位的交换方式是最容易进行的（所需要的激活能较低），因此可以认为杂质原子的扩散等效于晶格空位的扩散。
硅扩散硼和磷失配比
硅扩散硼和磷失配比在半导体工艺中，硅扩散过程是一种常用的技术手段，用于在硅晶体中引入杂质或控制杂质浓度分布。
其中，硼和磷是两种常见的掺杂材料，它们的扩散过程对于半导体器件的性能具有重要影响。
硅扩散中的失配比是指掺杂材料的浓度与扩散剂的浓度之间的比值，它直接决定了掺杂材料在硅晶体中的浓度分布。
对于硅扩散硼和磷失配比的选择，需要根据具体的应用需求来确定。
让我们来了解一下硅扩散硼的失配比。
硅扩散硼的失配比一般选择在1:1000至1:10000之间。
硼是一种P型掺杂剂，它能够在硅晶体中形成P型区域，使得晶体具有正电荷。
通过控制硼的浓度和扩散时间，可以实现P型区域的精确控制。
然而，如果硼的浓度过高或扩散时间过长，就会导致硅晶体中的杂质浓度不均匀，从而影响器件的性能。
接下来，我们来探讨一下硅扩散磷的失配比。
与硼相比，硅扩散磷的失配比一般选择在1:100至1:1000之间。
磷是一种N型掺杂剂，它能够在硅晶体中形成N型区域，使得晶体具有负电荷。
与硼不同的是，磷的扩散速度比较快，扩散过程相对容易控制。
然而，由于磷的浓度较高，需要更加精确的控制，以避免过度扩散导致浓度不均匀的问题。
在实际工艺中，硅扩散硼和磷的失配比需要根据具体的器件要求进行选择。
例如，在制备PN结的过程中，需要选择合适的硼和磷的失配比，以实现P区和N区的精确控制，从而确保器件的正常工作。
硅扩散硼和磷的失配比在半导体工艺中具有重要作用。
通过合理选择失配比，可以实现对掺杂材料浓度分布的精确控制，从而提高器件的性能和可靠性。
在今后的工艺发展中，我们还需要进一步研究和探索更加先进的扩散技术，以满足日益增长的半导体需求。
硅片硼扩散
硅片硼扩散硅片硼扩散是一种重要的半导体制备技术，广泛应用于电子行业。
本文将从硅片硼扩散的原理、工艺流程、应用领域以及未来发展趋势等方面展开详细阐述。
一、硅片硼扩散的原理硅片硼扩散是指将硼材料通过扩散工艺掺杂到硅片中，以改变硅片的导电性能。
硅片是一种常用的半导体材料，其导电性能可以通过掺杂其他材料来调节。
硅片硼扩散的原理基于硼与硅之间的化学反应，通过高温处理将硼材料与硅片表面相互作用，使硅片表面形成一个硼掺杂层，从而改变硅片的导电性能。
二、硅片硼扩散的工艺流程硅片硼扩散的工艺流程一般包括清洗、扩散、退火等步骤。
首先，将待处理的硅片进行清洗，去除表面的杂质和氧化物。
清洗完毕后，将硅片置于扩散炉中，加热至高温，并加入硼源材料。
在高温下，硼材料会与硅片表面发生化学反应，形成硼掺杂层。
最后，对硅片进行退火处理，以消除扩散过程中的应力和缺陷。
三、硅片硼扩散的应用领域硅片硼扩散广泛应用于半导体器件制备过程中。
其中最主要的应用是在制备PN结的过程中。
PN结是半导体器件中最基本的结构之一，通过在硅片上形成硼掺杂层和磷掺杂层，可以实现PN结的形成。
PN结的形成对于制备各种半导体器件具有重要意义，如二极管、晶体管、集成电路等。
四、硅片硼扩散的发展趋势随着电子行业的不断发展，对半导体器件的要求也越来越高。
硅片硼扩散技术也在不断创新和发展。
一方面，研究人员致力于提高硼扩散的效率和控制性能，以实现更精确的掺杂和更高的扩散速率。
另一方面，还探索了其他替代的掺杂材料和扩散工艺，以满足不同器件的需求。
未来，硅片硼扩散技术有望在更广泛的领域得到应用。
例如，硅片硼扩散可以在太阳能电池制备中发挥重要作用，提高电池的光电转换效率。
此外，硅片硼扩散还可以应用于新型半导体材料和器件的制备，推动电子行业的发展。
总结起来，硅片硼扩散是一项重要的半导体制备技术，通过将硼材料掺杂到硅片中，可以改变硅片的导电性能。
硅片硼扩散的工艺流程包括清洗、扩散和退火等步骤。
硼扩散 磷扩散 差别
硼扩散磷扩散差别
硼扩散和磷扩散是半导体制造过程中的两种重要技术。
它们都可以用
来向半导体材料中引入杂质，从而改变材料的导电性能。
然而，硼扩
散和磷扩散在实现方式、扩散速度、扩散深度和效果等方面存在差别。
首先，硼扩散和磷扩散的实现方式不同。
硼扩散通常是在高温下进行
的外延扩散过程，它需要将半导体材料放入硼酸盐中进行扩散，然后
在高温下烧结硼酸盐，形成硼化层。
而磷扩散则需要将磷化氢气体转
化为磷酸盐，并将其喷洒到半导体材料表面，然后将其加热，使磷化
氢分子向表面扩散并融入半导体材料中。
其次，在扩散速度方面，硼扩散和磷扩散也存在差别。
硼扩散速度较慢，需要耗费更长时间来完成。
而磷扩散速度较快，可以在短时间内
完成。
这也使得磷扩散更加适合制造复杂的电子元件。
另外，在扩散深度和效果方面，硼扩散和磷扩散也存在差别。
硼扩散
更适合浅层扩散，可以获得更浅的杂质分布。
而磷扩散可以获得更深
的杂质扩散，因此适用于制造较深的通孔和导体。
总之，硼扩散和磷扩散技术在半导体制造中都有着重要的应用。
它们的差别在于实现方式、扩散速度、扩散深度和效果等方面。
了解硼扩散和磷扩散的差别可以帮助半导体制造商更好地选择适合自己需求的技术，并帮助他们制造出更高性能的电子元件。
硼扩散实验——精选推荐
两步法掺硼杂质（硼扩散）实验一、实验目的和要求：扩散工艺实验是通过平面工艺制造出有晶体管特性的硅平面NPN 晶体管等器件中的氧化、扩散、光刻这三个平面工艺中最基本工艺之一。
硼扩散工艺实验的目的是通过具体的硼扩散工艺操作熟悉硼扩散工艺步骤、了解扩散设备的使用以及进一步掌握和巩固两步法硼扩散工艺的原理和相关知识。
同时了解相关测试和分析手段，以及对工艺环境和成品率进行分析和评价。
二、实验原理：1、杂质浓度分布情况:硼扩散通常分为硼的预沉积（预扩散）和硼的再分布（再扩散）两步进行。
这就是硅平面工艺中所说的两步扩散工艺。
(1) 预沉积：采取恒定表面浓度的扩散方式，在硅片表面沉积上一层杂质原子。
由于扩散温度较低，且扩散时间较短，因此在预沉积过程中，杂质原子在硅片表面的扩散深度较浅。
其杂质分布遵循余误差函数分布。
根据这种扩散的特点可以写出它的初始条件和边界条件为：初始条件： (,0)0N x = (x 扩散结深)边界条件： (0,)N s N t = 和 (,t)0N ∞= (t 扩散时间；为Si 片表面的杂质浓度为恒定值)根据扩散方程 22N N D t x∂∂=∂∂ 和上述条件可解出预淀积杂质分布(,)N x t 表达式:220(,)(1)exp()s N x t N d πλλ=-- (λ为结深的微元) (1)简写为(,)s N x t N erfc = (D 为扩散系数) (2) 式中：erfc 为余误差函数；表面杂质浓度s N 和D 扩散系数主要取决于不同杂质元素和扩散温（0exp()a E D D kT -=,0D 和a E 为实验值）。
注:N s 是半导体内表面处的杂质浓度,它并不等于半导体周围气氛中的杂质浓度。
当气氛中得分压强较低时，在半导体内表面处的杂质溶解度将与其周围气氛中杂质的压强成正比。
当杂质分压强较高时，则与周围气氛中杂质的分压强无关，数值上等于扩散温度下杂质在半导体中的固溶度。
(2) 再分布:是把由预沉积过程在硅片表面淀积了一定杂质的硅片，放入较高温度的扩散炉内加热，使杂质向硅片内部扩散，扩散过程中没有外来杂质的补充，是一种限定源扩散。
热扩散工艺原理9
Ns t) （
Q
Dt
（三）、两步扩散
恒定表面源扩散，难于制作低表面浓度的深结； 有限表面源扩散，难于制作高表面浓度的浅结。 为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求， 实际生产中常采用两步扩散工艺：
第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表
面源扩散方式在硅片表面扩散一层杂质原子，其分布为余 误差函数，目的在于控制扩散杂质总量； 第二步称为再扩散或再分布，将表面已沉积杂质的硅片在较 高温度下扩散，以控制扩散深度和表面浓度。
1、表面杂质浓度Ns 由所扩散的杂质在扩散温度（900℃1200℃）下的固溶度决定。 2、扩散时间越长，扩散温度越高，扩散进硅片内的杂质数 量越多。 3、扩散时间越长，温度越高，扩散深度越大。结深的位置：
x j 2 Dt erfc (
1
NB Ns
) A Dt
称为 “ 扩散长度 ”
（二）、有限表面源扩散
扩散工艺原理
掺杂目的：改变其电学性质，并使掺入的杂质数量和分布 情况都满足要求、
掺杂类型：高温扩散和低温离子注入
掺杂方法： 1、 高温气相环境下采用气态杂质源实现淀积、 扩散 2、采用含有高剂量的杂质的氧化物或化合物源与 待掺杂材料放置在一起实现掺杂的目的 3、 利用杂质的高能离子态注入待掺杂材料的一 定位置，经过退火使注入的原子激活从而完成掺杂
形成这一偏离的因素为：
（2）若某种杂质在氧化硅层一侧的扩散系数较大时会影 响在硅中的分布。
（3）由于氧化层不断的增厚，硅和二氧化硅界面也随着 时间向硅一侧移动。
1、磷的固态源扩散
2、磷的液态源扩散 3、磷的气态源扩散
主要采用三氯氧磷的液态杂质扩散：
硼磷扩散原理和示意图
一、硼扩散工艺原理（液态源）目前，液态源硼扩散常用：硼酸三甲酯B(CH3O)3，硼酸三丙酯，三溴化硼B(B2)3，无水硼酸三甲酯B(CH3O)3，为无色透明液体，在室温下挥发形成，具有较高真气压，硼酸三甲酯遇水易分解，升成硼酸和甲醇。
B（CH3O）+ 3H2O=H3BO3 + 3（CH3OH）B（CH3O）500℃以上B2O3 + CO2 + H2O + C2B2O3 + 3Si = 3SiO2 + 4B硼酸三甲酯在高温（500℃以上）能够分解出三氧化二硼（B2O3），而三氧化二硼在900℃左右又能与硅片起反应，生成硼原子，并沉积在硅片表面，这就是预沉积过程；沉积后在基区窗口表面上生成具有色彩的硼硅玻璃。
二、硼扩散装置：硼再分布：当炉温升到预定温度（1180℃以后）通干O2 20分钟，排除管道内空气，同时加热水浴瓶，是水浴温度达到设定温度值950℃，一切就绪后，即可将正片和陪片一起装入石英舟推入炉子恒温区，先通5分钟干氧，在改通30分钟湿氧，最后通5分钟干氧，时间到即可把硅片拉出石英管，倒在铜块上淬火，防止慢降温时，金从硅体中析出。
一、磷扩散工艺原理5POCl3 >600℃3PCl5 + P2O52P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P4PCl5+5O2 过量O2 2P2O5+6Cl24PCl3+3O2 过量O2 2P2O5+6Cl2磷预沉积时，一般通N2为20～80ml/分，O2为20～40ml/分，O2可通过，也可不通过源。
二、磷扩散装置磷扩散源POCl3是无色透明有窒息性气味的毒性液体，要求扩散系统密封性好，源瓶进出口两端最好用聚四氟乙烯或聚氯乙烯管道连接。
若用其他塑料管或乳胶管连接易被腐蚀，就需要经常更换。
接口处最好用封口胶，由系统流出气体应通过排风管排到室外，不要泄漏在室内。
源瓶要严加密封，切勿让湿气进入源瓶。
因为三氯氧磷吸水汽而变质，做扩散温度上不去。
2POCl3+3H2O=P2O5+5HCl发现三氟氧磷出现淡黄色就不能使用。
211049856_硼扩散设备若干难点问题的研究
在升温的斜率为 5 ℃/min 的情况下，截取某个温 区自然升温和斜率升温时的曲线，如图 6 所示。
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第 03 期
彭浩等：硼扩散设备若干难点问题的研究
技术应用
(3)
BCl3 的沸点为 12.5 ℃，常温下为气态。BCl3
的优点有：1) 无腐蚀性，使石英管的使用寿命
延长；2) 扩散后生成物 B2O3 呈颗粒状，自带 Cl2 清洗功能，可保持炉管清洁，无需增加 DCE 清洗；
3) 自身价格低。缺点有：1) 气态，危险性较高；
2) 扩散均匀性稍差。
采用 BCl3 作为硼源时，硼扩散工艺过程的 反应式为：
彭 浩 *，赵志然，龙 辉，郭 浩
( 湖南红太阳光电科技有限公司，长沙 410221)
摘 要：随着针对 n 型太阳电池的投资提速，国内光伏企业积极开展 TOPCon 太阳电池布局，产业化进程得
到加速，推进新技术落地。硼扩散设备作为 TOPCon 太阳电池技术的关键工艺设备之一，获得了市场极大的
关注。针对硼扩散设备使用过程中遇到的不同类型硼源的问题，通过分析各种硼源的特性，提出了相应的硼
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图 3 BBr3 硼源的控制效果图 Fig. 3 Control effect diagram of BBr3 boron source
从图 3 可以看出：携源 N2 流量计的检测值 和设定值基本同步，说明 BBr3 流量能得到有效 控制。
第 03 期 总第 347 期 2023 年 03 月
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一、硼扩散工艺原理（液态源）
目前，液态源硼扩散常用：硼酸三甲酯B(CH3O)3，硼酸三丙酯，三溴化硼B(B2)3，无水硼酸三甲酯B(CH3O)3，为无色透明液体，在室温下挥发形成，具有较高真气压，硼酸三甲酯遇水易分解，升成硼酸和甲醇。
B（CH3O）+ 3H2O=H3BO3 + 3（CH3OH）
B（CH3O）500℃以上B2O3 + CO2 + H2O + C
2B2O3 + 3Si = 3SiO2 + 4B
硼酸三甲酯在高温（500℃以上）能够分解出三氧化二硼（B2O3），而三氧化二硼在900℃左右又能与硅片起反应，生成硼原子，并沉积在硅片表面，这就是预沉积过程；沉积后在基区窗口表面上生成具有色彩的硼硅玻璃。
二、硼扩散装置：
硼再分布：当炉温升到预定温度（1180℃以后）通干O2 20分钟，排除管道内空气，同时加热水浴瓶，是水浴温度达到设定温度值950℃，一切就绪后，即可将正片和陪片一起装入石英舟推入炉子恒温区，先通5分钟干氧，在改通30分钟湿氧，最后通5分钟干氧，时间到即可把硅片拉出石英管，倒在铜块上淬火，防止慢降温时，金从硅体中析出。
一、磷扩散工艺原理
5POCl3 >600℃3PCl5 + P2O5
2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P
4PCl5+5O2 过量O2 2P2O5+6Cl2
4PCl3+3O2 过量O2 2P2O5+6Cl2
磷预沉积时，一般通N2为20～80ml/分，O2为20～40ml/分，O2可通过，也可不通过源。
二、磷扩散装置
磷扩散源POCl3是无色透明有窒息性气味的毒性液体，要求扩散系统密封性好，源瓶进出口两端最好用聚四氟乙烯或聚氯乙烯管道连接。
若用其他塑料管或乳胶管连接易被腐蚀，就需要经常更换。
接口处最好用封口胶，由系统流出气体应通过排风管排到室外，不要泄漏在室内。
源瓶要严加密封，切勿让湿气进入源瓶。
因为三氯氧磷吸水汽而变质，做扩散温度上不去。
2POCl3+3H2O=P2O5+5HCl
发现三氟氧磷出现淡黄色就不能使用。
一、磷沉积工艺条件：
炉温：1050℃
气体流量：小N2为20～80ml/分小O2为20～40ml/分大N2为500ml/分
源温：0℃
二、磷再分布工艺条件：
炉温：950℃～1000℃O2流量：500ml/分水温：95℃
三、高温短时间磷扩散：
1、磷预沉积：
炉温：1200℃扩散源：POCl3 大N2流量300ml/分
小N2流量：70ml/分O2流量：85ml/分
扩散时间：4～5分钟（通源）+3分钟（关源）
2、磷再分布（三次氧化）
炉温：900℃O2流量：500ml/分
氧化时间：15分（湿O2）+10分（干O2）
四、HCl抛光：
当炉温1180℃时，HCl/N2=1.1%，N2流量为400ml/分情况下，抛光30分钟。
五、磷合金工艺文件：合金温度：500℃～570℃，合金时间：10～20分钟。
（例如：在550℃下通源5分钟，通N210分钟）
六、箱法锑扩散：（双极型半导体集成电路）
配源：Sb2O3：SiO2=1：4
1、硅片清洗
2、配源
3、源脱水：将配好的源平铺在石英箱底上，盖上石英盖（不得盖得很紧，留点缝口，这样可减少合金点）放在炉口预热5分钟，推入恒温区脱水20分钟（炉温：1220℃
气体流量：1000ml/分+普N2300ml/分）4、装置
5、扩散：炉温为1200℃，气体流量同上，炉温稳定后，把装好的石英箱放在炉口预热5分钟，再推入恒温区扩散2.5小时，到时通干O25分钟，再把石英箱拉至炉口冷却，当温度降到室温时，取出硅片。
七、固态氮化硼扩散：
炉温：1050℃O2流量：300ml/分
氮化硼源制备
固态氮化硼制备
1、氮化硼活化与试片：
炉温：950℃通O2气30分钟
2、基区硼预沉积：
炉温：960℃N2流量：500ml/分沉积时间：30分钟
3、基区硼再分布：
炉温：1140℃水浴温度：95℃O2：500ml/分
再分布时间：7分钟（干O2）+30分钟（湿O2）+20分钟（干O2）
八、固—固扩散：
<p>九、磷扩散：
1、烧结：
小功率晶体管：银浆烧结工艺
烧结石英管一般通N2保护,或抽真空10-2～10-3托。
装好片的底座，放在钼舟上推入石英管，先在炉口预烧数分钟，去除银浆中气泡，然后推入恒温区，温度为350℃～400℃，时间约20分钟，然后慢慢降温取出。
2、金锡合金烧结：
通H2或抽真空10-3托，烧结温度为：420℃～450℃，恒温20分钟，拉至炉口自然冷却，金—硅低于其熔点370℃，烧结温度冷却反应高于此。
3、焊接引线：
铝丝退火一般在H2或真空中进行，而金丝在高纯N2或真空中退火，退火温度为400℃～450℃，恒温15～20分钟，自然冷却。
4、封装：
晶体封装：玻璃管壳封装、金属管壳封装和塑料封装。
金属壳密封用电焊法和冷焊法（电焊法用点焊机焊）
5、集成电路封装：分为金属封装、塑料封装、陶瓷玻璃封装（烘箱中）、陶瓷金属封装。
6、氮化硅薄膜制备：
化学气相淀积（CVD法）、辉光放电法、反应溅射法。