扩散工艺的化学原理

扩散杂质源（含有这些杂质原子的某些物质）有固态源、液 态源和气态源。
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扩散过程基本上只有两种形式：
1）化合物先分解为单质（或直接以单质），再以 单质的形式向硅中扩散；
2） 经过反应先生成杂质元素的氧化物（或原来就 是氧化物），然后氧化物再与硅反应产生二氧化 硅和杂质元素向硅中扩散。
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热扩散过程的三个步骤：
预淀积的杂质层
结深
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第三步、激活
稍微升高温度，使杂质原子移动到晶格中的原子位子 与晶格中的硅原子键合，形成替位式杂质原子。
杂质原子只有在替代了晶格上的硅原子后才能起作用--
改变硅的电导率。通常是只有一部分杂质被移动到 晶格位子上，大部分还处在间隙位置。
激活
杂质原子
√
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杂质形态：
间隙式杂质：具有高扩散率的杂质，如金（Au）、铜（Cu）、钠（Na） 等。
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§6-3 磷扩散的化学原理
1、液态源―三氯氧磷
三氯氧磷（POCl3）是一种无色透明的液体，具有刺激 性、窒息性气味，有毒，常因溶有氯气或五氯化磷而呈红 黄色。比重为1.675，熔点为2℃，沸点为105.3℃。
三氯氧磷极易挥发，在室温下具有较高的蒸气压，为了 保持恒定的蒸气压，使表面浓度稳定，且便于控制，一般 在扩散时将源温恒定在0℃ ，以防止由于蒸气压过高而出 现合金现象。
正是这个原因，扩砷的发射区无陷落效应，有 利于薄基区的形成。浅结、薄基区可提高器件的 频率特性，所以砷扩散工艺普遍用于微波器件。
因三氧化二砷有剧毒，砷扩散不象磷扩散那样 广泛地用于一般器件。
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1、氧化物源扩散
氧化物源扩散又称固一固扩散，基本原则是在硅片表 面先低温淀积一层掺杂的二氧化硅作为扩散源，然后在高 温下使杂质原子向硅内扩散。
施主型杂质：第 V A 族元素， 如：磷、砷、锑、铋； 受主型杂质：第 III A 族元素， 如：硼、铝、镓、铟。
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如何选择扩散源：
1）半导体材料的导电类型需要；
2）选择在硅中具有适当的扩散速度的杂质；
3 ）选择纯度高、毒性小的扩散源。
常用的扩散杂质有硼（B）， 磷（P）、锑（Sb）、砷（As）。
目前广泛使用：
硼扩散杂质源－－固态源氮化硼 液态源硼酸三甲酯和三溴化硼。
磷扩散杂质源－－三氯氧磷 N 型外延衬底杂质源是三氯化磷。
锑扩散杂质源－－三氧化二锑
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§6-2 硼扩散的化学原理
1、固态源―氮化硼
氮化硼（BN）是一种新的固态硼源，是一种白色粉末 状的固体，熔点约在3000℃左右，微溶于水。氮化硼的化 学稳定性很高，酸、强碱以及氯等几乎不与它起作用，但 与强碱共熔时或在红热时受到水蒸气的作用会缓慢水解而 生成三氧化二硼和氨，其反应式如下：
间隙式杂质容易利用间隙运动在间隙中移动，这种杂质是需要避免的。 替位式杂质：扩散速率低的杂质，如砷（As)、磷（P）等。通常利用替代
运动填充晶格中的空位。
杂质原子
替位式杂质
个扩散工艺过程 开启扩散炉 清洗硅片 预淀积 推进、激活 测试
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上表中所列举的杂质源在不同程度上都有毒性。其中 以砷源和磷源毒性最大，尤其是砷和磷的气态源有剧毒又 易爆炸，在使用时应采取相应的安全措施。
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§6-4 锑扩散的化学原理
为了减少集电极串联电阻，改善饱和压降，在集成电路 生产时，都在N-P-N 晶体管的集电区下面扩散一层N＋层， 通常称为隐埋层。
隐埋层通常采用锑扩散，因为锑的扩散系数较磷、硼 小，故外延生长时的自掺杂效应也就低，同时又经得起以 后工艺过程中的高温处理。 埋层锑扩散大都使用三氧化二锑（Sb2O3）为杂质源：
即在硅片上生成掺有锑杂质的氧化层，在扩散温度下， 锑杂质原了进而向硅内扩散。
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§6-5 砷扩散的化学原理
砷扩散有它独到之处，例如砷在硅中的扩散系 数小，用于浅结扩散，因扩散时间较长，便于精 确地控制基区宽度；又如砷原子半径和硅原子很 接近，在砷原子向硅晶体内扩散过程中，不致于 由于原子半径不同而产生应力，导致晶格缺陷。
首先淀积掺砷氧化层。然后将淀积好的硅片放入980 ℃左右的高温炉内，在氮气或氮氧混合气体保护下扩散， 15～20 分钟。
在扩散温度下，三氧化二砷被硅还原为砷：
砷杂质原子进而向硅中扩散。
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2、二氧化硅乳胶源扩散
掺杂二氧化硅乳胶源是一种比较新的扩散源，它具有氧 化物源的优点，工艺又简单，且重复性和均匀性较好，可 掺杂的杂质种类多。
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三氯氧磷液态源是目前磷扩散工艺中应用最广泛的一 种杂质源。它具有操作简便、经济、适宜大批量和连续 生产，且扩散质量好等优点。它也常用作磷处理、磷吸 收以及化学淀积磷硅玻璃等的磷源。
三氯氧磷很容易发生水解，在潮湿的空气中会因水解 而发烟，因此，使用三氯氧磷源时，源瓶密封性也必须 良好，通入的氮气和氧气都必须干燥。若三氯氧磷已经 发黄变质，就不能再使用。倒掉旧源后不能马上用水冲 洗，否则三氯氧磷迅速发生水解反应容易引起爆炸事 故。
预淀积 推进 激活
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第一步、预淀积
热扩散开始，炉内温度通常设为800到1000 ℃ ，持续 10到30分钟。杂质仅进入硅片表面形成很薄的杂质层， 此称为预淀积。
预淀积的杂质层
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第二步、推进
在不向硅片中增加杂质的基础上，升高温度（1000 到1250 ℃ ），使淀积的杂质层进一步向硅片内部扩 散，并达到规定的结深。
扩散到硅晶体内部
V A 族元素杂质：磷（P）、锑（Sb）
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§6-1 半导体的杂质类型
半导体硅、锗等都是第 IV 族元素。 掺入第 V 族元素（如磷，五个价电子）。杂质电离
施放电子，为施主杂质，或 N 型杂质。
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掺入第III 族元素（如硼，三个价电子）。杂质电离 接受电子，为受主杂质，或P 型杂质。
第6章 扩散工艺的化学原理
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热扩散原理 杂质原子由浓度高的地方向浓度低的地方进行扩散。
比如在水里滴一滴墨汁，墨汁会在水中的进行扩散。
杂质源
掺杂阻挡层
杂质向硅片中进行扩散
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扩散工艺: 高温下，将杂质原子向硅、锗晶体内部扩 散。
目的：制造P-N 结，制造集成电路的扩散电阻、埋层 和隔离。
III A族元素杂质：硼 （B）