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，制造PN结。第一节 扩散原理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: (3-1）在一维情况下,即为： （3-2）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。为了定量描述杂质扩散速度，引入扩散系数D这个物理量，D越大扩散越快。其表达式为: （33）这里:D0-当温度为无穷大时，D的表现值,通常为常数；K玻尔兹曼常数，其值为8。02310-5ev/K；T- 绝对温度，单位用“K”表示；有关扩散过程的激活能，实际上就是杂质原子扩散时所必须克服的某种势垒。扩散系数除与杂质种类、扩散温度有关，还与扩散气氛、衬底晶向、晶格完整性、衬底材料、本体掺杂浓度NB及扩散杂质的表面浓度NS等有关。五扩散杂质分布在半导体器件制造中，虽然采用的扩散工艺各有不同,但都可以分为一步法扩散和二步法扩散.二步法扩散分预沉积和再分布两步。一步法与二步法中的预沉积属恒定表面源扩散。而二步法中的再扩散属限定表面源扩散。由于恒定源和限定源扩散两者的边界和初始条件不同，因而扩散方程有不同的解,杂质在硅中的分布状况也就不同。1恒定源扩散在恒定源扩散过程中，硅片的表面与浓度始终不变的杂质(气相或固相)相接触,即在整个扩散过程中硅片的表面浓度NS保持恒定，故称为恒定源扩散。恒定源扩散的杂质浓度分布的表达式是： (34）式中：表示杂质浓度随杂质原子进入硅体内的距离及扩散时间t的变化关系；NS为表面处的杂质浓度；D为扩散系数。erfc为余误差函数。因此恒定源扩散杂质浓度分布也称余误差分布。图3-1为恒定源扩散杂质分布示意图：从图上可见，在不同扩散时间表面浓度NS的值不变。也就是说,NS与扩散时间无关，但与扩散杂质的种类、杂质在硅内的固溶度和扩散温度有关。硅片内的杂质浓度随时间增加而增加，随离开硅表面的距离增加而减少。图中NB为衬底原始杂质浓度，简称衬底浓度，其由单晶体拉制时杂质掺入量决定。由恒定源扩散杂质分布表达式中可知道，当表面浓度NS、杂质扩散系数D和扩散时间t三个量确定以后，硅片中的杂质浓度分布也就确定。经过恒定源扩散之后进入硅片单位面积内的杂质原子数量可由下式给出: （35）式中：Q为单位面积内杂质原子数或杂质总量。2限定源扩散在限定源扩散过程中，硅片内的杂质总量保持不变，它没有外来杂质的补充,只依靠预沉积在硅片表面上的那一层数量有限的杂质原子向硅内继续进行扩散,这就叫限定源扩散或有限源扩散.其杂质浓度分布表达式为： （36）式中的为高斯函数,故这种杂质分布也叫高斯分布.图32是限定源扩散杂质分布示意图.由于扩散过程中杂质总量保持不变，图中各条曲线下面的面积相等。当扩散温度恒定时，随扩散时间t的增加,一方面杂质扩散进硅片内部的深度逐渐增加；另一方面，硅片表面的杂质浓度将不断下降。在讨论限定源扩散，即两步法的再分布时，必须考虑的一个因素是分凝效应.在“氧化工艺”中曾经分析过，由于热氧化,在再分布时杂质在硅片表面氧化层中会出现“吸硼排磷现象,我们不能忽略这个因素；并且应当利用这些规律来精确的控制再分布的杂质表面浓度.第二节 扩散条件扩散条件选择,主要包括扩散杂质源的选择和扩散工艺条件的确定两个方面。一扩散源的选择选取什么种类的扩散杂质源，主要根据器件的制造方法和结构参数确定。具体选择还需要遵循如下原则：1 导电类型与衬底相反;2 先扩散的扩散系数要比后扩散的小；3 杂质与掩模之间的配合要协调，扩散系数在硅中要比在掩模中大得多；4 要选择容易获得高浓度、高蒸汽压、且使用周期长的杂质源;5 在硅中的固溶度要高于所需要的表面杂质浓度;6 毒性小，便于工艺实施。从杂质源的组成来看，有单元素、化合物和混合物等多种形式。从杂质源的状态来看，有固态、液态、气态多种.二扩散条件的确定扩散的目的在于形成一定的杂质分布，使器件具有合理的表面浓度和结深，而这也是确定工艺条件的主要依据。此外如何使扩散结果具有良好的均匀性、重复性也是选择工艺条件的重要依据。具体讲有:1温度对扩散工艺参数有决定性影响。对浅结器件一般选低些；对很深的PN结选高些。此外还需根据工艺要求实行不同工艺系列的标准化，以有利于生产线的管理。2时间调节工艺时间往往是调节工艺参数的主要手段，扩散时间的控制应尽量减少人为的因素.3气体流量流量是由掺杂气体的类别和石英管直径确定的，只有使扩散的气氛为层流型，才能保证工艺的稳定性，流量控制必须采用质量流量控制器MFC.第三节 扩散参数及测量扩散工艺中有三个参数非常重要，它们是扩散结深、薄层电阻及表面浓度，三者之间有着一个十分密切的有机联系。一扩散结深结深就是PN结所在的几何位置,它是P型与N型两种杂质浓度相等的地方到硅片表面的距离，用表示，单位是微米（）其表达式为: （3-7）式中A是一个与NS、NB等有关的常数，对应不同的杂质浓度分布，其表达式不同。余误差分布时： （3-8)高斯分布时： （3-9）这里erfc1为反余误差函数，可以查反余误差函数表.为以e为底的自然对数，可以查自然对数表。此外,A也可以通过半导体手册A曲线表直接查出。实际生产中直接通过测量显微镜测量。具体方法有磨角染色法、滚槽法、阳极氧化法等。二方块电阻扩散层的方块电阻又叫薄层电阻，记作R或RS，其表示表面为正方形的扩散薄层在电流方向（平行于正方形的边）上所呈现的电阻。由类似金属电阻公式可推出薄层电阻表达式为: （3-10）式中：、分别为薄层电阻的平均电阻率和电导率。为区别于一般电阻，其单位用/表示。由于： （3-11） q为电子电荷量，为平均杂质浓度，为平均迁移率.RS可变换为： (3-12）式中：为单位表面积扩散薄层内的净杂质总量Q。可见，方块电阻与方块内净杂质总量成反比.方块电阻不仅十分直观地反映了杂质在扩散过程中杂质总量的多少，还可以结合结深方便地算出扩散后的平均电阻率或平均电导率。实际生产中，RS(R）用四探针测试仪测量。三表面杂质浓度扩散后的表面杂质浓度NS是半导体器件设计制造和特性分析的一个重要结构参数,它可以采取放射性示踪技术通过一些专门测试仪器直接测量，但是实际生产中是先测出结深和方块电阻R，再用计算法或图解法间接得出。1计算法若已知扩散预沉积杂质扩散系数为D1，扩散时间t1，预沉积后表面浓度为NS1，再扩散的扩散系数D2，扩散时间t2,忽略再分布时的杂质分凝效应，如何利用有关公式，计算求出再扩散后表面杂质浓度NS2？（提示：表面处）计算步骤如下:再扩散杂质浓度遵循了高斯分布.根据公式(36）,且考虑到,于是有：?由于忽略分凝效应,再扩散时杂质总量等于预沉积后的杂质总量。预沉积是恒定表面源扩散,根据公式（34）可知其扩散后进入硅片单位面积内杂质总量为：？代入上式即可得到 (313）事实上表达式（3-13）也就是一个常用的扩散杂质浓度计算公式。如果不忽略表面氧化层分凝效应，则磷扩散时实际表面浓度应高于(313）计算结果；反之若是硼扩散，实际表面浓度比计算数据要低。2图解法半导体手册上都能方便地查到不同衬底杂质浓度NB下不同杂质分布的表面浓度NS与平均电导率的关系曲线。通过测出的RS和能得到： （3-14）衬底材料电阻率往往是已知的，从而可用手册上NB曲线查出衬底浓度NB。当然也可以根据经验公式： （3-15）算出NB。有了和NB，只要知道杂质分布类型（恒定源还是限定源扩散）,就可以通过和已知衬底浓度NB相应的那组曲线,查到从表面（)到结（x)之间任意一点x处的杂质浓度。第四节 扩散方法扩散方法很多.常用的主要有：液态源扩散气固扩散 粉态源扩散片状源扩散扩散法：乳胶源扩散 固固扩散 CVD掺杂扩散PVD蒸发扩散这是以扩散中杂质源与硅片（固态）表面接触时的最终状态是气态还是固态来划分的。另外,按扩散系统来分，有开管式、闭管式和箱法三种；按杂质本来形态分有固态源、液态源、气态源三种.生产中习惯以杂质源类型来称呼扩散方法。一气固扩散液态或固态扩散杂质源最终呈现气态,与固态硅表面接触实现杂质扩散,叫气固扩散。1液态源扩散用保护性气体（如N2）通过液态源瓶（鼓泡或吹过表面)把杂质源蒸气带入高温石英管中,经高温热分解同硅片表面发生反应，还原出杂质原子并向硅内扩散。液态源扩散的优点是PN结均匀平整，成本低，效率高，操作方便，重复性好。通常液态源硼扩散，用硼酸三甲脂；液态源磷扩散，用三氯氧磷.它们的反应方程式分别如下：2固态源扩散（1）粉状源这种扩散从扩散系统上看主要采取箱法扩散。待扩散的硅片与杂质源同放在一个石英或硅制的箱内，在氮气保护下，源蒸气与硅反应生成含杂质的氧化层，再进行高温杂质扩散。由于这种方法存在很大局限性，目前硼磷扩散都不用它。双极电路隐埋扩散现在还用粉状源三氧化二锑（Sb2O3）。但也不再用“箱”法，而改用双温区扩散系统，二步法扩散两个温区分别控制杂质蒸气压和主扩散，所以能使用纯Sb2O3粉状源而避免了箱法扩散中烧源的麻烦，杂质源置于低温区,Si片放在高温区，预沉积时N2携带Sb2O3蒸气由低温区进入高温区沉积于硅片表面，再进行反应生成锑向硅中扩散。再分布时将源舟取出。反应方程式为:(2）平面片状源把片状杂质源（氮化硼片、硼或磷微晶璃片等）与硅片相间地放置在石英舟的“V型槽上，并保持平行，用高纯度的N2保护,利用杂质源表面。挥发出来的杂质蒸气，浓度梯度，在高温下经过一系列化学反应，杂质原子向片内扩散，形成PN结。二固固扩散杂质源与硅片是固体与固体接触状态下进行扩散。在硅片表面沉积（化学气相沉积CVD;物理气相沉积PVD)或者涂布一层杂质或掺杂氧化物,再通过高温实现杂质向硅中的扩散。（1） 低温沉积掺杂氧化层法(CVD法）分两步进行.第一步在硅片表面沉积。一层具有一定杂质含量的二氧化硅薄膜作为第二步扩散时的杂质源；第二步是将已沉积过的硅片在高温下进行扩散。由于沉积，掺杂氧化膜是在400以下低温下完成，所以引进有害杂质Na+等以及缺陷的几率很小，因此这种方法也是完美单晶工艺（PCT）或半完美单晶工艺（1/2PCT）的重要环节之一。（2） 蒸发源扩散采用物理气相沉积的方法,先在硅片背面蒸发上一层杂质源金，然后再放进炉中扩散.这是开关晶体管的一道典型工艺，旨在减少晶体管集电区少子寿命，缩短储存时间，提高开关速度。开关二极管以及双极型数字逻辑电路，生产中也普遍使用这种扩散。（3） 二氧化硅乳胶源涂布扩散先在硅片表面涂敷一层含扩散杂质的乳胶状的源再进行扩散。这种方法只用一步扩散就可以同时达到所需的表面浓度和结深,具有浓度范围宽、高温时间短、离子沾污小、晶格完整性好的优点，同样具备PCT的工艺特征.各种不同的扩散方法只是供源方式不同，其扩散主体系统是一样的。从设备上看，扩散与氧化的区别，差不多也只在此。因此,扩散系统装置，我们就不再介绍，以避免与氧化雷同。第五节 扩散质量及常见质量问题扩散质量对半导体器件芯片的好坏有着决定性影响，其具体体现在表面质量、扩散结深、方块电阻和表面杂质浓度几个方面.在第三节中我们曾经就，R和NS进行了较为详细的介绍,下面对有关扩散工艺中常见的一些质量问题作些简要的阐述。一表面不良1 合金点：主要原因是表面杂质浓度过高。2 黑点或白雾：主要是酸性沾污、水气和颗粒沾污造成的。3 表面凸起物：大多由较大颗粒经过高温处理后形成.4 玻璃层:会造成光刻脱胶。扩散温度过高，时间过长造成。工艺过程中要控制好扩散温度、时间以及气体流量，并保证扩散前硅片表面干净干燥.5 硅片表面滑移线或硅片弯曲： 是由高温下的热应力引起，一般是由于进出舟速度过快、硅片间隔太小、石英舟开槽不适当等导致。6 硅片表面划伤、表面缺损等: 通常是由于工艺操作不当产生。二方块电阻偏差R一定程度上反映了扩散到Si片中的杂质总量的多少,与器件特性密切相关.携源N2中有较多的水份和氧气，Si片进炉前未烘干；杂质源中含水量较多,光刻没有刻干净,留有底膜,使扩散区域表面有氧化层影响了杂质扩散；扩散源使用时间过长，杂质量减少或源变质；扩散系统漏气或源蒸气饱和不充分；携源气体流量小而稀释气体流量大,使系统杂质蒸气压偏低；扩散温度偏低，扩散系数下降；扩散时间不足，扩散杂质总量不够等等原因会造成R偏大。相反，杂质蒸气压过大，温度偏高,时间过长会导致R偏小.如果在预沉积时发现R偏大或偏小,可在再扩散时通过适当改变通干氧、湿氧的先后次序或时间来进行调整,而这正是两步法扩散的一大优点。三结特性参数异常扩散工艺过程中要测单结和双结特性.根据单结和双结测试情况及时改变工艺条件。测单结主要看反向击穿电压和反向漏电流;测双结主要为调电流放大参数hFE。（1）PN结的反向击穿电压和反向漏电流，是晶体管的两个重要参数；也是衡量扩散层质量的重要标准。它们是两个不同的物理概念，但实际上又是同一个东西，反向漏电大,PN结击穿电压低。工艺中常见的不良反向击穿主要有:表面缺陷过多或表面吸附了水份或其他离子，会使表面漏电增大.氧化时由于清洗不好,有一些金属离子进入氧化层，如钠离子，从而增加漏电降低击穿.二氧化硅表面吸附了气体或离子以及二氧化硅本身的缺陷如氧空位等,使得SiO2带上了电荷，形成了表面沟道效应，增大了反向漏电流。硅片表面上沾污有重金属杂质，在高温下，很快扩散进Si片体内,沉积在硅内的晶格缺陷中，引起电场集中，发生局部击穿现象，造成很大的反向漏电流.此外，如光刻时图形边缘不完整,出现尖峰毛刺,表面有合金点、破坏点,引起了纵向扩散不均匀，PN结出现尖峰会形成电场集中,击穿将首先发生在这些尖峰上.因此，制造良好的扩散表面,保持表面清洁,严格清洗工艺，保证扩散系统清洁，保证气体纯度高，扩散源质量好，采用低位错密度材料，提高光刻质量或者采取吸杂工艺等,都能起到改善器件击穿特性的作用。(2）电流放大系数hFE是晶体管，同时也是扩散层的另一个重要参数.放大过大过小都不能满足用户要求.影响放大的因素很多，如基区宽度，发射区与基区杂质浓度比，表面是否有沾污和复合等。减薄基区宽度能使放大提高.提高发射区浓度，降低基区浓度，从而增大浓度梯度，可以提高注入效率，减少复合,提高放大.此外,材料中的位错密度大，有害金属杂质多,会降低少子寿命，缩短载流子扩散长度，导致放大下降。四扩散均匀性和重复性现在用户对半导体器件参数要求越来越苛刻。其中重要的一点，就是参数的一致性非常好，允许的技术指标范围非常窄。这就要求制造工艺，尤其是核心工艺扩散的均匀性、重复性要相当的好.（1）均匀性指同一炉硅片中一片之内和各片之间技术参数基本在一个水平上，实际生产中造成硅片不均匀的原因主要有:a。衬底材料本身参数的电阻率等不均匀。b.扩散前硅片处理不好，硅片表面有局部的沾污或氧化物造成扩散进去的杂质原子的多少，结的深浅就与其他地方不一样。c.杂质扩散系数和固溶度与温度有关，石英舟中各处的温度若有差异。就会影响扩散结果均匀性。d.石英舟各处的杂质蒸气压不完全相同,同样也会导致扩散结果不均匀。（2）重复性重复性不好是由于各次扩散过程中,炉温时间和石英管内杂质蒸气压变化较大，以及清洁处理不当造成的，为此，除了精确控制炉温和时间外,还需要设法使得石英管内的杂质蒸气压保持均衡，通常采用的方法是每天第一次扩散前将石英舟和石英管在源蒸气中饱和一定的时间，这在相当程度上可以解决重复性问题.