半导体制造工艺之扩散原理概述(PPT 46页)
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半导体制造工艺之扩散原理概述.pptx
但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离子注入！
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
7
影响杂质分布的其他因素
Fick’s Laws：
Only valid for
diffusion under
special conditions
Simplification !
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
2
费克定律解析解的应用
本征扩散时，理想边界条件下的解。实际情况需要修正，如： ✓高浓度 ✓电场效应 ✓杂质分凝 ✓点缺陷 ✓…
如何判断对费克定律应用何种解析解？
✓当表面浓度为固溶度时，意味着该分布是余误差分布
✓当表面浓度较低时，意味着该分布是经过长时间的推进 过程，是高斯分布。
第六章 扩散原理 (下)
16
1 ）OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以 通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大 量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数
（1＋2）Si＋2OI＋2V↔SiO2＋2I＋stress
A+I AI
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
17
2）ORD：对于Sb来说，其在硅中的扩散主要是 通过空位进行。
第六章 扩散原理 (下)
28
片状固态氮化硼扩散 活化处理 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 900 C 1 h. 通 O2 扩散 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B
BN片与硅片大小相当，和硅片相间均匀放置在舟上。 不需载气，但以N2或Ar2保护。
锑的箱法扩散 硅片与扩散源同放一箱内， 源 ：在SNb22气O3保: S护iO下2 扩= 1散:4 (粉末重量比) 2Sb2O3 + 3Si = 4Sb + 3SiO2
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
7
影响杂质分布的其他因素
Fick’s Laws：
Only valid for
diffusion under
special conditions
Simplification !
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
2
费克定律解析解的应用
本征扩散时，理想边界条件下的解。实际情况需要修正，如： ✓高浓度 ✓电场效应 ✓杂质分凝 ✓点缺陷 ✓…
如何判断对费克定律应用何种解析解？
✓当表面浓度为固溶度时，意味着该分布是余误差分布
✓当表面浓度较低时，意味着该分布是经过长时间的推进 过程，是高斯分布。
第六章 扩散原理 (下)
16
1 ）OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以 通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大 量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数
（1＋2）Si＋2OI＋2V↔SiO2＋2I＋stress
A+I AI
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
17
2）ORD：对于Sb来说，其在硅中的扩散主要是 通过空位进行。
第六章 扩散原理 (下)
28
片状固态氮化硼扩散 活化处理 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 900 C 1 h. 通 O2 扩散 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B
BN片与硅片大小相当，和硅片相间均匀放置在舟上。 不需载气，但以N2或Ar2保护。
锑的箱法扩散 硅片与扩散源同放一箱内， 源 ：在SNb22气O3保: S护iO下2 扩= 1散:4 (粉末重量比) 2Sb2O3 + 3Si = 4Sb + 3SiO2
扩散工艺ppt课件
(3) 将该电阻值与一个已知浓度的标准值进行比较， 从电阻率反推出载流子的分布。
主要问题 (1) 测量结果取决于点接触的重复性。 (2) 进表面测量比较困难。 (3) 测量样品与校准标准片比较接近。
精选ppt课件2021
27
文献阅读：扩散工艺在半导体生产中的应用
1.半导体生产中的扩散工艺流程 在半导体的生产过程中，晶圆的扩散是一道非常重要的工 序，一般在扩散炉内完成，具体的工艺流程如下： 1） 注入足量的氮气或氧气； 2） 电加热使炉内的温度升高到特定值； 3） 晶圆送入到扩散炉内； 4） 再注入足够的氮气或氧气； 5） 再次升温； 6） 将掺杂的气体注入到扩散炉内； 7） 炉内温度恒定，一定时间后，进行降温处理。
第一步：预淀积扩散
精选ppt课件2021
第二步：推进扩散
9
整个扩散工艺过程
开启扩散炉 清洗硅片 预淀积
推进、激活 测试
精选ppt课件2021
10
预淀积
温度：800~1000℃ 时间：10~30min
预淀积的杂质层
精选ppt课件2021
11
推进
温度：1000~1250℃
预淀积的杂质层
精选ppt课件2021
原因 杂质在半导体中的扩散与空位浓度有关 ■ 氧化时硅片表面存在大量过剩填隙原子，填隙原子数增
加，导致空位数量减少(填隙原子一空位复合)。 ■ P，B的扩散机制主要是推填隙扩散机制；As的扩散机制
主要是空位扩散机制。 氧化增强扩散或氧化阻滞扩散
精选ppt课件对于常见的杂质，如B，P，As等，其在SiO2中的扩散系数比在 Si中的扩散系数小得多，因此，SiO2经常用做杂质扩散的掩蔽层
2）扩散工艺：利用杂质的扩散运动，将所需要的杂质掺入硅 衬底中，并使其具有特定的浓度分布。
主要问题 (1) 测量结果取决于点接触的重复性。 (2) 进表面测量比较困难。 (3) 测量样品与校准标准片比较接近。
精选ppt课件2021
27
文献阅读：扩散工艺在半导体生产中的应用
1.半导体生产中的扩散工艺流程 在半导体的生产过程中，晶圆的扩散是一道非常重要的工 序，一般在扩散炉内完成，具体的工艺流程如下： 1） 注入足量的氮气或氧气； 2） 电加热使炉内的温度升高到特定值； 3） 晶圆送入到扩散炉内； 4） 再注入足够的氮气或氧气； 5） 再次升温； 6） 将掺杂的气体注入到扩散炉内； 7） 炉内温度恒定，一定时间后，进行降温处理。
第一步：预淀积扩散
精选ppt课件2021
第二步：推进扩散
9
整个扩散工艺过程
开启扩散炉 清洗硅片 预淀积
推进、激活 测试
精选ppt课件2021
10
预淀积
温度：800~1000℃ 时间：10~30min
预淀积的杂质层
精选ppt课件2021
11
推进
温度：1000~1250℃
预淀积的杂质层
精选ppt课件2021
原因 杂质在半导体中的扩散与空位浓度有关 ■ 氧化时硅片表面存在大量过剩填隙原子，填隙原子数增
加，导致空位数量减少(填隙原子一空位复合)。 ■ P，B的扩散机制主要是推填隙扩散机制；As的扩散机制
主要是空位扩散机制。 氧化增强扩散或氧化阻滞扩散
精选ppt课件对于常见的杂质，如B，P，As等，其在SiO2中的扩散系数比在 Si中的扩散系数小得多，因此，SiO2经常用做杂质扩散的掩蔽层
2）扩散工艺：利用杂质的扩散运动，将所需要的杂质掺入硅 衬底中，并使其具有特定的浓度分布。
半导体制造工艺之扩散原理概括
上节课主要内容
预淀积＋退火。预淀积：气固相预淀积
1、掺杂工艺一般分为 哪两步？结深？薄层电 阻？固溶度？
扩散或离子注入。Rs：表面为正方形的 半导体薄层（结深），在平行电流方向
所呈现的电阻，单位为 /，反映扩散
入硅内部的净杂质总量。固溶度：在平
衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生
2、两种特殊条件下的费 反应形成分凝相的最大浓度。
3、氧化增强/抑制扩散（oxidation enhanced / retarded diffusion）OED/ORD
对于B，P来说，在氧化过程中，其扩散系数增加。
对Sb来说，扩散系数减小。
双扩散机制: 杂质可以通过空位和间隙两种方式扩散
1 ）OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以 通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大 量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数
DA ef fD0DnpiDnpi
n型掺杂 p型掺杂
1000 C下，非本征扩散系数：
D A s1.6 6 11 04 c2 m /sec
箱型
非本征掺杂扩散系数比本征掺
杂扩散系数高一个数量级！！
由于非本征掺杂的扩散系数在 掺杂边缘迅速衰减，因而出现 边缘陡峭的“箱型”分布。
n
由
np
n
2 i
并假定杂质全部离化，有
C NA ND
n C24ni2 C 2
场助扩散方程： FhDCx
其中h为扩散系数的电场增强因子： h1
C C2 4ni2
当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时，h 接近 2。
电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大
2、扩散系数与杂质浓度的关系
离子注入 ＋
预淀积＋退火。预淀积：气固相预淀积
1、掺杂工艺一般分为 哪两步？结深？薄层电 阻？固溶度？
扩散或离子注入。Rs：表面为正方形的 半导体薄层（结深），在平行电流方向
所呈现的电阻，单位为 /，反映扩散
入硅内部的净杂质总量。固溶度：在平
衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生
2、两种特殊条件下的费 反应形成分凝相的最大浓度。
3、氧化增强/抑制扩散（oxidation enhanced / retarded diffusion）OED/ORD
对于B，P来说，在氧化过程中，其扩散系数增加。
对Sb来说，扩散系数减小。
双扩散机制: 杂质可以通过空位和间隙两种方式扩散
1 ）OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以 通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大 量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数
DA ef fD0DnpiDnpi
n型掺杂 p型掺杂
1000 C下，非本征扩散系数：
D A s1.6 6 11 04 c2 m /sec
箱型
非本征掺杂扩散系数比本征掺
杂扩散系数高一个数量级！！
由于非本征掺杂的扩散系数在 掺杂边缘迅速衰减，因而出现 边缘陡峭的“箱型”分布。
n
由
np
n
2 i
并假定杂质全部离化，有
C NA ND
n C24ni2 C 2
场助扩散方程： FhDCx
其中h为扩散系数的电场增强因子： h1
C C2 4ni2
当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时，h 接近 2。
电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大
2、扩散系数与杂质浓度的关系
离子注入 ＋
半导体制造工艺之扩散原理
半导体制造工艺之扩散原理
01
半导体制造工艺简介
半导体材料的基本特性
半导体材料的导电性
半导体材料的光电特性
半导体材料的热稳定性
• 半导体材料的导电性介于导体和绝
• 半导体材料具有光电效应
• 半导体材料具有较高的热稳定性
缘体之间
• 半导体材料的光电效应可用于光电
• 半导体材料的热稳定性可用于高温
• 随着温度的升高，半导体材料的导
扩散掩膜与阻挡层材料
扩散掩膜材料
• 扩散掩膜材料可分为光刻胶、金属薄膜、氧化膜等
• 扩散掩膜材料的选择应根据扩散工艺的要求和半导体材料的性质进行
• 扩散掩膜材料的选择应考虑掩膜材料的耐腐蚀性、抗氧化性、光刻性能等
阻挡层材料
• 阻挡层材料可分为氧化物、氮化物、碳化物等
• 阻挡层材料的选择应根据扩散工艺的要求和半导体材料的性质进行
扩散源的选择
扩散源的制备
• 扩散源可分为气体扩散源、液体扩散源、固体扩散源等
• 气体扩散源的制备方法包括蒸发法、溅射法、化学气相
• 扩散源的选择应根据扩散工艺的要求和半导体材料的性
沉积法等
质进行
• 液体扩散源的制备方法包括溶液法、溶胶-凝胶法等
• 扩散源的选择应考虑扩散源的纯度和可控性
• 固体扩散源的制备方法包括烧结法、热压法等
• 扩散工艺的可持续发展应考虑工艺的创新性和竞争力
扩散工艺的环境保护
• 扩散工艺的环境保护应考虑工艺的废弃物处理、污染物排放、环境风险等
• 扩散工艺的环境保护应考虑工艺对半导体器件性能的影响和生产成本
• 扩散工艺的环境保护应考虑工艺的环保政策和法规要求
谢谢观看
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01
半导体制造工艺简介
半导体材料的基本特性
半导体材料的导电性
半导体材料的光电特性
半导体材料的热稳定性
• 半导体材料的导电性介于导体和绝
• 半导体材料具有光电效应
• 半导体材料具有较高的热稳定性
缘体之间
• 半导体材料的光电效应可用于光电
• 半导体材料的热稳定性可用于高温
• 随着温度的升高，半导体材料的导
扩散掩膜与阻挡层材料
扩散掩膜材料
• 扩散掩膜材料可分为光刻胶、金属薄膜、氧化膜等
• 扩散掩膜材料的选择应根据扩散工艺的要求和半导体材料的性质进行
• 扩散掩膜材料的选择应考虑掩膜材料的耐腐蚀性、抗氧化性、光刻性能等
阻挡层材料
• 阻挡层材料可分为氧化物、氮化物、碳化物等
• 阻挡层材料的选择应根据扩散工艺的要求和半导体材料的性质进行
扩散源的选择
扩散源的制备
• 扩散源可分为气体扩散源、液体扩散源、固体扩散源等
• 气体扩散源的制备方法包括蒸发法、溅射法、化学气相
• 扩散源的选择应根据扩散工艺的要求和半导体材料的性
沉积法等
质进行
• 液体扩散源的制备方法包括溶液法、溶胶-凝胶法等
• 扩散源的选择应考虑扩散源的纯度和可控性
• 固体扩散源的制备方法包括烧结法、热压法等
• 扩散工艺的可持续发展应考虑工艺的创新性和竞争力
扩散工艺的环境保护
• 扩散工艺的环境保护应考虑工艺的废弃物处理、污染物排放、环境风险等
• 扩散工艺的环境保护应考虑工艺对半导体器件性能的影响和生产成本
• 扩散工艺的环境保护应考虑工艺的环保政策和法规要求
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半导体制造工艺基础之扩散工艺培训课件(PPT 28页)
目的是为了控制杂质总量；预淀积现在普遍被离 子注入代替。
推进：高温过程，使淀积的杂质穿过晶体，在 硅片中形成期望的结深。
此阶段并不向硅片中增加杂质，但是高温下形成的 氧化层会影响推进过程中杂质的扩散，这种由硅表 面氧化引起的杂质浓度改变成为再分布。
目的是为了控制表面浓度和扩散深度。
• 激活：使温度稍微升高，此过程激活了杂质 原子。
的扩散速度特别快，造成结平面不平坦，PN结击穿。
(2) 表面玻璃层。硼和磷扩散之后，往往在硅片表面形成一层硼硅玻璃或磷硅玻 璃，此玻璃层与光刻胶的粘附性极差，光刻腐蚀时容易脱胶或产生钻蚀，而 且该玻璃层不易腐蚀。
(3) 白雾。这种现象在固一固扩散及液态源磷扩散经常发生。主要原因是淀积二 氧化硅层（含杂质源）时就产生了或在磷扩散时磷杂质浓度过高以及石英管 中偏磷酸产生大量的烟雾喷射在硅片表面，在快速冷却过程中产生。光刻时 容易造成脱胶或钻蚀。
方块电阻的检测
利用图中所示电路，将电流表所示电流控制在3毫安以内， 读出电压表所示电压，利用下式计算：
RS
CV I
式中常数C是由被测样品的长度L、宽度a、厚度d，以及
探针间距S来确定，常数C可由表查出。
扩散工艺
扩散常见的质量问题
(1) 合金点和破坏点：在扩散后有时可观察到扩散窗口的硅片表面上有一层白雾 状的东西或有些小的突起。 用显微镜观察时前者是一些黑色的小圆点，小圆点称为合金点; 后者是一些黄亮点、透明的突起，透明突起称为破坏点。杂质在这些缺陷处
（2）可以通过对扩散工艺条件的调节与选择，来控制扩散 层表面的杂质浓度及其杂质分布，以满足不同器件的要求。
（3）与氧化、光刻等技术相组合形成的硅平面工艺有利于改 善晶体管和集成电路的性能。
推进：高温过程，使淀积的杂质穿过晶体，在 硅片中形成期望的结深。
此阶段并不向硅片中增加杂质，但是高温下形成的 氧化层会影响推进过程中杂质的扩散，这种由硅表 面氧化引起的杂质浓度改变成为再分布。
目的是为了控制表面浓度和扩散深度。
• 激活：使温度稍微升高，此过程激活了杂质 原子。
的扩散速度特别快，造成结平面不平坦，PN结击穿。
(2) 表面玻璃层。硼和磷扩散之后，往往在硅片表面形成一层硼硅玻璃或磷硅玻 璃，此玻璃层与光刻胶的粘附性极差，光刻腐蚀时容易脱胶或产生钻蚀，而 且该玻璃层不易腐蚀。
(3) 白雾。这种现象在固一固扩散及液态源磷扩散经常发生。主要原因是淀积二 氧化硅层（含杂质源）时就产生了或在磷扩散时磷杂质浓度过高以及石英管 中偏磷酸产生大量的烟雾喷射在硅片表面，在快速冷却过程中产生。光刻时 容易造成脱胶或钻蚀。
方块电阻的检测
利用图中所示电路，将电流表所示电流控制在3毫安以内， 读出电压表所示电压，利用下式计算：
RS
CV I
式中常数C是由被测样品的长度L、宽度a、厚度d，以及
探针间距S来确定，常数C可由表查出。
扩散工艺
扩散常见的质量问题
(1) 合金点和破坏点：在扩散后有时可观察到扩散窗口的硅片表面上有一层白雾 状的东西或有些小的突起。 用显微镜观察时前者是一些黑色的小圆点，小圆点称为合金点; 后者是一些黄亮点、透明的突起，透明突起称为破坏点。杂质在这些缺陷处
（2）可以通过对扩散工艺条件的调节与选择，来控制扩散 层表面的杂质浓度及其杂质分布，以满足不同器件的要求。
（3）与氧化、光刻等技术相组合形成的硅平面工艺有利于改 善晶体管和集成电路的性能。
扩散工艺的化学原理ppt课件
预淀积的杂质层
精选ppt
结深
10
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
√
精选ppt
11
杂质形态：
III A族元素杂质：硼 （B）
扩散到硅晶体内部
V A 族元素杂质：磷（P）、锑（Sb）
精选ppt
3
§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。
精选ppt
4
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。
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。
精选ppt
26
§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。
间隙式杂质：具有高扩散率的杂质，如金（Au）、铜（Cu）、钠（Na） 等。
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
间隙式杂质
√
× 精选ppt
12
精选ppt
结深
10
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
√
精选ppt
11
杂质形态：
III A族元素杂质：硼 （B）
扩散到硅晶体内部
V A 族元素杂质：磷（P）、锑（Sb）
精选ppt
3
§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。
精选ppt
4
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。
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。
精选ppt
26
§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。
间隙式杂质：具有高扩散率的杂质，如金（Au）、铜（Cu）、钠（Na） 等。
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
间隙式杂质
√
× 精选ppt
12
2、半导体工艺原理-扩散
结深：当用与衬底导电类型相反的杂质进行扩散时，在硅片内扩散杂质浓度 与衬底原有杂质浓度相等的地方就形成了pn结，结距扩散表面的距离叫结深。
薄层电阻Rs（方块电阻） 表面浓度：扩散层表面的杂质浓度。
扩散层质量参数
方块电阻
方块电阻是标志扩散层质量的另一个重要参数， 一般用R□或Rs表示，单位是Ω/□ 。
2、恒定杂质总量扩散
扩散开始时，表面放入一定量的杂质源，而在以后的扩散
过程中不再有杂质加入。假定扩散开始时硅片表面极薄一层内
单位面积的杂质总量为 QT ，杂质的扩散长度远大于该层厚度，
则杂质的初始分布可取为 函数，扩散方程的初始条件和边界
条件为
0 N (x, t)dx QT
N (,t) 0
2 NS1
D1t1 D2t2
exp
x
2 j
4 D2t2
NB
即可解得
xj 2
D2t2
ln
2 NS1
NB
1
D1t1 D2t2
2
A
D2t2
掺杂分布控制：
3.3 简单理论的修正
前面得出的扩散后的杂质分布是采用理想化假设的结果， 而实际分布与理论分布之间存在着一定的差异，主要有：
1、二维扩散（横向扩散） 实际扩散中，杂质在通过窗口垂直向硅中扩散的同时，也 将在窗口边缘沿表面进行横向扩散。考虑到横向扩散后，要得 到实际的杂质分布，必须求解二维或三维扩散方程。横向扩散 的距离约为纵向扩散距离的 75% ~ 80% 。由于横向扩散的存在， 实际扩散区域大于由掩模版决定的尺寸，此效应将直接影响到 VLSI 的集成度。
2、杂质浓度对扩散系数的影响
前面的讨论假定扩散系数与杂质浓度无关。实际上只有当 杂质浓度比扩散温度下的本征载流子浓度 ni(T) 低时，才可认 为扩散系数与掺杂浓度无关。在高掺杂浓度下各种空位增多， 扩散系数应为各种电荷态空位的扩散系数的总和。
薄层电阻Rs（方块电阻） 表面浓度：扩散层表面的杂质浓度。
扩散层质量参数
方块电阻
方块电阻是标志扩散层质量的另一个重要参数， 一般用R□或Rs表示，单位是Ω/□ 。
2、恒定杂质总量扩散
扩散开始时，表面放入一定量的杂质源，而在以后的扩散
过程中不再有杂质加入。假定扩散开始时硅片表面极薄一层内
单位面积的杂质总量为 QT ，杂质的扩散长度远大于该层厚度，
则杂质的初始分布可取为 函数，扩散方程的初始条件和边界
条件为
0 N (x, t)dx QT
N (,t) 0
2 NS1
D1t1 D2t2
exp
x
2 j
4 D2t2
NB
即可解得
xj 2
D2t2
ln
2 NS1
NB
1
D1t1 D2t2
2
A
D2t2
掺杂分布控制：
3.3 简单理论的修正
前面得出的扩散后的杂质分布是采用理想化假设的结果， 而实际分布与理论分布之间存在着一定的差异，主要有：
1、二维扩散（横向扩散） 实际扩散中，杂质在通过窗口垂直向硅中扩散的同时，也 将在窗口边缘沿表面进行横向扩散。考虑到横向扩散后，要得 到实际的杂质分布，必须求解二维或三维扩散方程。横向扩散 的距离约为纵向扩散距离的 75% ~ 80% 。由于横向扩散的存在， 实际扩散区域大于由掩模版决定的尺寸，此效应将直接影响到 VLSI 的集成度。
2、杂质浓度对扩散系数的影响
前面的讨论假定扩散系数与杂质浓度无关。实际上只有当 杂质浓度比扩散温度下的本征载流子浓度 ni(T) 低时，才可认 为扩散系数与掺杂浓度无关。在高掺杂浓度下各种空位增多， 扩散系数应为各种电荷态空位的扩散系数的总和。
半导体制造工艺之扩散原理概述
I+VSis
表示晶格上 的Si原子
As受间隙和空位 扩散两种机制控 制，氧化时的扩 散受影响较小
4、发射极推进效应（Emitter Push effect）
Phosphorus
Boron
✓ 实验现象：在P（磷）发射区下的B扩散比旁边的B扩散快 ，使得基区宽度改变。
✓ A＋IAI，由于发射区内大量A(P)I的存在使得反应向左进 行，通过掺杂原子A(P)向下扩散并找到晶格位置的同时， 释放大量的间隙原子I，产生所谓“间隙原子泵”效应，加快 了硼的扩散。
例： 预淀积: 950 oC 通源 10－20 分钟，N2 再分布: 1100 － 1200 o C干氧＋湿氧＋干氧
2）液态源磷扩散
2、液态源扩散
舟
利入用高载温气扩（散如反应N2管），通杂过质液蒸态汽杂在质高源温，下携分带解着，杂并质与蒸硅汽表进 面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。
1）液态源硼扩散
• 源 硼酸三甲脂 B[(CH3)O]3
• 在500 oC 以上分解反应 B[(CH3)O]3 B2O3 + CO2 + H2O ＋ ... 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B
3）所需离子注入的杂质剂量 可以推算出
该剂量可以很方便地用离子注入实 现在非常薄的范围内的杂质预淀积
4）假如采用950 C热扩散预淀积而非离子注入 此时，B的固溶度为2.5×1020/cm3，扩散系数D=4.2×10-15 cm2/s 该预淀积为余误差分布，则 预淀积时间为
即使
但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离子注入！
1 ）OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以 通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大 量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数
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第六章 扩散原理 (下)
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Ⅲ、Ⅴ族元素在硅中的扩散运动是建立在杂质与空位相互作用 的基础上的，掺入的施主或受主杂质诱导出了大量荷电态空位， 从而增强了扩散系数。
2
DA effD0Dnni Dnni DA effD0Dnpi Dnpi 2
该数值为推进扩散的“热预算”。
半导体制造工艺基础
第六章 扩散原理 (下)
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2）推进退火的时间 假定在1100 C进行推进退火，则扩散系数D=1.5×10-13 cm2/s
tdrivine1.53 .711 013 0c9cm 2m s2 ec6.8hours
3）所需离子注入的杂质剂量
表面浓度恒定，余误差函数分布(erfc)。 随时间变化：杂质总量增加，扩散深度 增加
Cx,t Q D T et xp4xD 2 t杂质总量恒定，高斯函数/正态分布
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第六章 扩散原理 (下)
2
费克定律解析解的应用
本征扩散时，理想边界条件下的解。实际情况需要修正，如： 高浓度 电场效应 杂质分凝 点缺陷 …
个区域。主要是磷离子与V0，V-，
V=三种空位的作用造成的。
D i 4.70 ex p3.6k8 eTV cm 2/s
De hDi0Dinni Dinni 2
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第六章 扩散原理 (下)
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3）砷
Ⅴ族元素，施主杂质，半径与硅相同， 扩散系数小，仅磷、硼的十分之一。
如何判断对费克定律应用何种解析解？
当表面浓度为固溶度时，意味着该分布是余误差分布
当表面浓度较低时，意味着该分布是经过长时间的推进 过程，是高斯分布。
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第六章 扩散原理 (下)
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例题：CMOS中的p阱的形成。要求表面浓度Cs=4x1017 cm-3， 结深xj=3 mm。 已知衬底浓度为CB=1×1015 cm3。 设计该工艺过程。
可以推算出 Q C s D 4 t 1 1 0 7 3 .7 1 9 0 4 .3 1 1c 0 3 2 m
该剂量可以很方便地用离子注入实 现在非常薄的范围内的杂质预淀积
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第六章 扩散原理 (下)
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4）假如采用950 C热扩散预淀积而非离子注入
氧化注入间隙间隙和空位在硅中复合 硅中空位浓度减小Sb的扩散被抑制
I+VSis
表示晶格上 的Si原子
As受间隙和空位 扩散两种机制控 制，氧化时的扩 散受影响较小
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4、发射极推进效应（Emitter Push effect）
Phosphorus
Boron
例 ： 预淀积 :1050 C N2 和 O2 再分布: 950 C O2
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3、固态源扩散 （B2O3，P2O5，BN等）
舟
惰性气体作为载气把杂质源蒸气输运到硅片表面，在扩 散温度下，杂质化合物与硅反应生成单质杂质原子相硅 内扩散。
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第六章 扩散原理 (下)
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3、氧化增强/抑制扩散（oxidation enhanced / retarded diffusion）OED/ORD
对于B，P来说，在氧化过程中，其扩散系数增加。
对Sb来说，扩散系数减小。
双扩散机制: 杂质可以通过空位和间隙两种方式扩散
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第六章 扩散原理 (下)
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1 ）OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以 通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大 量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数
（1＋2）Si＋2OI＋2V↔SiO2＋2I＋stress
A+I AI
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2）ORD：对于Sb来说，其在硅中的扩散主要是 通过空位进行。
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1、电场效应（Field effect）——非本征扩散
如果NA、ND＞ni（扩散温度下）时，非本征扩散效应
电场的产生：由于载流子 的迁移率高于杂质离子， 二者之间形成内建电场。
载流子领先于杂质离子， 直到内建电场的漂移流与 扩散流达到动态平衡。
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所以，杂质流由两部分组成：
离子注入 ＋
退火
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第六章 扩散原理 (下)
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解：1）假设离子注入+推进退火 假定推进退火获得的结深，则根据
CB Cs exp4xD2j t
Cx,t QDet xp4xD 2 t
Dt x2 j 310 42 3.710 9c m 2 4lnC CB s 4ln41 1101 507
但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离子注入！
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影响杂质分布的其他因素
Fick’s Laws：
Only valid for
diffusion under
special conditions
Simplification !
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n型掺杂 p型掺杂
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1000 C下，非本征扩散系数：
D A s1.6 61 0 14 cm 2/s ec
箱型
非本征掺杂扩散系数比本征掺
杂扩散系数高一个数量级！！
由于非本征掺杂的扩散系数在 掺杂边缘迅速衰减，因而出现 边缘陡峭的“箱型”分布。
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2）磷 Ⅴ族元素，施主原子，有吸收 铜、金等快扩散杂质的性质（这
些杂质在缺陷处淀积会产生漏电 ）,固溶度达5×1021 原子/㎝3。
温度为1000 ℃时，尾区 的扩散系数比本征情况 下的扩散系数大二个数 量级。因此磷常作为深
磷的本征扩散系数主要由中性 结扩散的杂质 空位V0作用决定。
高浓度磷扩散时浓度分布有三
在高掺杂情况下也不引起畸变。
在硅晶体中，砷激活量低于掺杂量，电激活浓度达 2×1021 ㎝-3
D i 9.17 ex p3.9k9 eTV cm 2/s
De
hDi0
Dinni
适宜于浅结，精确控制
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高浓度掺杂
D eD i0D i n p i D 0ex p k E a T n p i
如考虑场助效应 h 电场增强因子
De
hDi0
Dinpi
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例： 预淀积: 950 oC 通源 10－20 分钟，N2 再分布: 1100 － 1200 o C干氧＋湿氧＋干氧
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2）液态源磷扩散
源 三氯氧磷 (POCl3) >600 C
5POCl3 P2O5 + 3PCl5 2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P (向硅中扩散) PCl5难分解，会腐蚀硅，故还要通入少量O2 4PCl5 + 5O2 2P2O5 + 10Cl2
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片状固态氮化硼扩散 活化处理 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 900 C 1 h. 通 O2 扩散 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B
BN片与硅片大小相当，和硅片相间均匀放置在舟上。 不需载气，但以N2或Ar2保护。
锑的箱法扩散 硅片与扩散源同放一箱内， 源 ：在SNb22气O3保: S护iO下2 扩= 1散:4 (粉末重量比) 2Sb2O3 + 3Si = 4Sb + 3SiO2
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电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大
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2、扩散系数与杂质浓度的关系
在杂质浓度很高
时，扩散系数不
箱型
再是常数，而与
掺杂浓度相关
扩Ct散方程x改D写Ae为ff ：Cx
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常用杂质硼（B），磷（P），砷（As）在硅中的性质
1）硼 B: III族元素，受主杂质，
1150 ℃时固溶度达 2.4×1020 原子/cm3
D0=1 cm2/s
Ea=3.46 eV
D i D i0 D i D 0 e x k E p a T 1 .0 e x 3 p .4 ke 6 T V c2 m /s
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扩散掺杂工艺
气态相源扩散（gas source） 液态源扩散（liquid source） 固态源扩散（solid source） 旋涂源扩散（spin-on-glass）
注意：在引入扩散源后作推进扩散时，常常会在硅片上表面 有一氧化层或其它覆盖层保护硅片，使硅片中的杂质不会 挥发到大气中去。
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2、液态源扩散
舟
利入用高载温气扩（散如反应N2管），通杂过质液蒸态汽杂在质高源温，下携分带解着，杂并质与蒸硅汽表进 面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。
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1）液态源硼扩散
源 硼酸三甲脂 B[(CH3)O]3
在500 oC 以上分解反应 B[(CH3)O]3 B2O3 + CO2 + H2O ＋ ... 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B