扩散定律应用

固态氮化硼扩散

一、 目的

通过固态氮化硼扩散，掌握通过扩散法获得P —n 结的方法。 二、 原理

所谓扩散技术，是指将杂质引入到半导体中，使之在半导体的特定区域中具有某种导电类型和一定电阻率的方法，当前制备P —n 结的最主要方法是扩散法。对于硅平面器件，整个器件的结构和性能基本上由扩散工艺确定， 。 扩散是物质分子或原子热运动引起的一种自然现象。浓度差别的存在是产生扩散运动的必要条件，环境温度的高低是决定扩散运动快慢的重要因素。扩散现象所遵循的客观规律可用扩散第一定律和扩散第二定律描述，其数学表达式为：

x

N D t x J ∂∂）＝－，（ （2－1） 22x

N D t N ∂∂∂∂＝ （2－2）

在扩散工艺中，硼、磷等杂质的扩散通常都分成预沉积和再分布两步进行。

在预沉积过程中，扩散是在恒定表面浓度的条件下进行的。在此条件下，解扩散

方程（2－2）

，得到的扩散分布是一种余误差函数，表达式为： Dt

2x erfc

N dx e Dt 2

N t x N s x 2

x s

2

⋅⋅∫

∞

＝）＝，（－π

（2－3）

按照（2－3）式画出的关系曲线如图2－1所示。

图2－l 恒定表面浓度扩散的杂质分布

恒定表面浓度扩散分布曲线下面的面积表示扩散进入硅片单位表面的杂质总量。

Dt 1.13N Dt

2N dx Dt

2x erfc

N dx t x,N Q s s

s ＝＝＝）（＝π

∫∫∞

∞

（2－4）

而在再分布过程中，扩散是在限定源的条件下进有的。整个扩散过程的杂质

源，限定于扩散前积累在硅片表面的无限薄层内的杂质总量Q ，

没有外来杂质补

充－－在硅片表面（x ＝o ）处的杂质流密度0x

N

D

J ＝∂∂，因此，杂质总量Q 是一个常数。在此条件下解扩散方程（2－2），得到的扩散分布是高斯函数分布，表达式为：

4Dt

x 2e

Dt

Q

t x,N －）＝

（π （2－5）

按照公式（2－5）式画出的关系曲线如图2－2所示。由图可见，随着扩散

时间的增加，一方面杂质扩散入硅片内部的深度逐渐增大，另一方面．硅片表面的杂质浓度将不断下降。因此，表面浓度N s 和结深x j 都随扩散时间而变．由于扩散过程中杂质总量不变．所以各条曲线下的面积都是相等的。

图2－2 限定源扩散的杂质分布

三、实验装置

本实验中预沉积所采用的装置如图2－3所示，硼再分布装置与热氧化法制备二氧化硅装置相同。

图2－3 硼预沉积装置

1． 纯化系统和滤球

为了消除氮气中水份、灰尘和其它微小杂质颗粒。 2．扩散炉

用来获得扩散所需要酌温度，本实验所用为月坛自动控温扩散炉，自动控制

温度并获得一定长度的恒温区。（注意：升温前通水，冷却到一定温度后再停水。）3．石英管、石英箱

扩散在石英箱内进行，石英箱内放硅片，箱盖下表面烧源。

三、 实验步骤

1．烧源；

把粉末状氮化硼均匀地平铺在清洁的石英箱盖的下表面上，然后在炉温为1050℃，氧气流量为300毫升／分钟的条件下缓慢推入石英管中恒温区内，烧30－40分钟，烧至透明即可。

2．扩散片的清洗

同氧化工艺一样，略。

3．氮化硼的活化及试片

除新烧的源外，每天扩散前必须进行一次氮化硼的活化处理。做法是在扩散温度

950℃通氧气30分钟，使表层氮化硼与氧反应生成三氧化二硼。其反应式如下：

4BN ＋ 3O2 △2B2O3 ＋ 2N2

扩散时B2O3与Si片表面发生如下反应；

2B2O3 ＋ 3Si 3SiO2＋ 4B

活化半小时后改通氮气，把石英箱取出，装入样片进行试扩，当方块电阻符合要求时，即可正式投片。

4．硼预沉积

把炉温调到960℃，氮气流量为500毫升／分，把硅片正面向上平放在石英箱内，然后将石英箱盖含源的面向下盖好。放炉口预热5分钟，然后推入恒温区预沉积20分钟，一般方块电阻值为30－40Ω／□(欧姆／方块)。

5．硼再分布

将已预沉积的Si片放在稀氢氟酸中漂去硼硅玻璃，即可进行再分布。炉温为1150℃，水浴温度95℃，氧气流量500毫升／分，再分布时间为10分（干氧）＋30分（湿氧）＋10分（干氧），再分布后方块电阻R

＝100～140Ω／□。

□

思考题：

1．氮化硼扩散的原理是什么? 扩散要达到什么目的?

2．双步扩散有哪些优点?

3．为什么再分布可调整R□?

4．扩散前为什么要活化源?

附录：方块电阻的测量

方块电阻是反映扩散层质量的重要指标。因此，每次预沉积和再分布后，都

要进行方块电阻的测试。

一、方块电阻的定义

方块电阻常用R □表示。所谓方块电阻，就是表面为正方形的半导体薄层，在电流方向平行于正方形的边时，所呈现的电阻，如图2－4所示。方块电阻的大小为：

R □j

j x x l l ρ

ρ

=

⋅＝ （2－6）

单位用欧姆／方块或Ω／□表示。

图2－4 方块电阻定义示意图

图2－5 四探针法测方块电阻装置

二、方块电阻的测试

方块电阻R □的测量采用四探针法。测量装置如图2－5所示。四探针采用排成直线彼此相距为s 的四根钨丝构成。测量时将针尖压在硅片的表面上，外面两根探针通电流I ，测量中间两根探针的电压V ，可用下面公式计算：

R □I

V

C ＝ （2－7）

式中C 称为修正因子，其数值的大小除与被测样品的形状和大小有关外，还与样品是单面扩散还是双面扩散等因素有关。为了便于使用，我们把单面扩散的修正因子C 的数值列在表2－1中。