硅擴散工藝 結構特點 普通晶閘管結構 四層三結三端電極n1基區較厚p1 p2區對稱 制作工藝 擴散工藝 摻雜 摻雜是將所需要的雜質 以一定的方式加入到半導體晶片內 并使其在晶片中的數量和分布符合預定的要求 改變材料的導電能力 用途 利用摻雜技術可以制作PN結 歐姆接觸區等摻雜技術主要有 1 熱擴散工藝 利用雜質在高溫 800 下由高濃度區向低濃度區的擴散來進行硅的摻雜 2 離子注入 將雜質轉換為高能離子的形式 直接注入進硅 將雜質轉換為高能離子的形式 直接注入到硅體內 3 合金法4 中子嬗變法 雜質 n型 如P As Sb等 p型 如B Al Ga等 常規的擴散系統與擴散工藝 擴散系統 氣態源擴散系統 液態源擴散系統 固態源擴散系統 擴散系統 1 氣態源擴散氣態雜質首先在硅片表面進行化學反應 生成摻雜氧化層 雜質再由氧化層向硅中擴散 氣態雜質源 B2H6 PH3 AsH3運載 稀釋氣體 氮氣 N2 氬氣 Ar2 反應所需氣體 氧氣 O2 2 液態源擴散氣體通過源瓶把雜質源 化合物 蒸汽帶入擴散管內 在高溫下雜質化合物先分解產生雜質的氧化物 氧化物再與硅反應擴散 液態源 POCl3 BBr3 AsCl3 B CH3O 3 B CH3CH2CH2O 2 擴散系統 3 固態源擴散固態雜質源 P2O5 As2O3 BN Al Ga運載 稀釋氣體 氮氣 N2 氬氣 Ar2 固態源為雜質氧化物或其他化合物 以雜質化合物的形式進行擴散的方式要采用輔助方式解決化合物高溫分解后對硅片產生的不良影響 固體中的熱擴散現象 1 擴散機構 間隙式擴散和替位式擴散 2 擴散現象的本質粒子流密度 在單位時間內通過單位面積的粒子個數 1 cm2 s 流密度由濃度差引起的 擴散運動 固體中的熱擴散現象 微觀上 每個雜質粒子 如獲得能量 總是向臨近的位置跳躍 擴散就是大量粒子作無規則熱運動的統計結果 宏觀上 大量粒子在一定條件下 如濃度差 總是由其濃度高的地方往濃度低的地方遷移 3 擴散系數物理含義 表示粒子擴散快慢的物理量 決定因素 Ea 擴散所需的激活能 表示躍遷的難易 決定了擴散的快慢 T 溫度 D D 稱為頻率因子或表觀擴散系數 影響因素 場助效應 荷電空位效應 雜質濃度等 lnD 1 T的關系 擴散主要參數 1 表面處濃度及次表面濃度表面濃度是擴散層表面的雜質濃度次表面濃度是硅片幾何表面內某一地方的雜質濃度這兩個雜質濃度可以通過計算平均電導率 查依爾芬曲線得到2 雜質劑量Q0Q0指擴入單位面積硅中的雜質總數 cm 2 3 方塊電阻R 薄層電阻RS 對正方形擴散層 長和寬分別為一個單位長度 結深為xj的擴散層電阻 與擴散入硅中的雜質總量Q成反比 擴散主要參數 4 結深xj若擴散雜質與本底雜質導電類型相反 則在C x 等于襯底雜質濃度 CB 處就形成 結 它到表面的距離即為結深 擴散時間估算方式 a 結深變化 b 電阻率變化 c 溫度變化 雜質分布及其與實際擴散行為的差異 雜質濃度分布因雜質的擴散方式不同而不同 在微電子器件制造中的擴散主要有以下幾種方式 1 恒定表面源擴散 在擴散過程中 硅片表面的雜質濃度C始終保持不變 2 有限表面源擴散 在擴散過程中 雜質源僅限于擴散前淀積到表面薄層內的雜質 這些雜質將全部擴入硅片內部 3 兩步擴散 第一步采用恒定表面源擴散方式 第二步采用有限表面源擴散方式 4 固 固擴散 恒定表面源擴散 擴散后雜質濃度分布為余誤差函數分布 特點 其表面濃度等于在該擴散溫度下雜質在半導體中的固溶度 是T的函數 在溫度的不斷增加中有一個峰值 固溶度是指在一定溫度下雜質能溶入固體中的最大濃度 溫度不變時 整個擴散過程中 Cs保持不變 Q0隨t 不斷增加 結深不斷加深 缺點 采用固態源和液態源預淀積時 Q0大易產生雜質沉積和缺陷 雜質的表面濃度Cs保持不變 不能滿足實際需要 工藝舉例 真空閉管擴散 預沉積擴散 涂層擴散等 有限表面源擴散 有限表面源擴散在硅片內形成的雜質分布為高斯分布 雜質濃度梯度隨時間或溫度的增加而減小 曲線變緩 兩步擴散 第一步 采用恒定表面源擴散方式 在硅片表面淀積一定數量的雜質原子 稱預擴散或預沉積 特征 溫度較低 時間較短 第二步 采用有限表面源擴散方式 把淀積好的硅片放入較高溫的爐中推進 使表面濃度和結深達到要求為止 稱再分布或主擴散 推進 特征 溫度較高 時間較長 能很好地解決Cs xj與擴散溫度 時間之間的矛盾 可以控制表面濃度和結深 較高Cs 較深xj 固 固擴散 低溫下利用CVD技術或膠體涂布的方法 在硅片表面淀積一層含有一定雜質濃度的固體薄膜 然后以此為摻雜劑 在高溫下進行擴散 從而達到摻雜的目的 只要適當地調節氧化層中的雜質濃度 通過一次擴散就可以獲得任意低的表面雜質濃度 克服了兩步擴散的缺點 理論分布與實際分布的差異 實際擴散是比較復雜的 不一定嚴格遵守某種形式的擴散 但往往是比較接近于某種分布 因此 可在足夠精確的程度上采用某種分布來近似分析 同時 由于擴散模型本身作了理想化的假設 并忽略了實際擴散過程中的各種效應 因此 實際分布通常偏離理論分布 1 模型的偏離 模型的假設2 場助效應 內建電場的作用3 荷電空位效應 缺陷對雜質擴散的影響4 陷落效應 雜質的相互作用5 氧化對擴散的影響 氧化增強擴散和雜質分凝6 橫向擴散 或二維擴散 擴散窗口的理想化 理論分布與實際分布的差異 1 預沉積過程中 基片在剛開始時是沒有雜質的 即 當t 0 t 0時 C t 0 由0 Cs有一個建立的過程 而理論上是保持不變的2 對實際氧化氣氛下的有限源擴散 由于Si表面存在雜質的濃度梯度及雜質的分凝 所以雜質濃度分布并不完全滿足高斯分布 理論分布與實際分布的差異 場助效應 在高溫下 雜質原子處于離化狀態 離化出來的載流子與失去載流子的雜質離子都向濃度低的方向擴散 由于載流子的運動速度一般比雜質快 結果在兩者之間就建立起局部內建電場 該電場抑制載流子擴散 促進雜質離子擴散 總效果是加強了雜質向晶片內部的擴散 理論分布與實際分布的差異 荷電空位效應硅中的替位式雜質 如B P As Sb等 借助于空位而擴散 這些電活性雜質進入硅中會使空位被激活而帶電 如中性空位獲得電子后帶負電 起受主作用 這些帶電空位會與雜質相互作用 導致雜質擴散加強 除了場助效應 荷電空位效應對擴散系數的影響外 凡是能引起自由載流子 n p 和本征載流子濃度 ni 發生變化的因素 如雜質濃度 應力效應 結團效應 缺陷等都會影響到擴散系數 從而影響雜質分布 發射極的陷落效應發射區高濃度擴散時 基區雜質的繼續擴散受到發射區雜質的影響 使發射區正下方的集電結發生陷落的現象 陷落效應形成原因 磷擴散時產生了大量的過剩的間隙硅原子 它與B原子相互作用 增強了B擴散 磷與硅中的空位相互作用 形成雜質 空位 P V 對 P V 對分解時提供的空位 能擴散到相當遠處 在增強P擴散同時 也增強B擴散 理論分布與實際分布的差異 硼 氧化層下方硼擴散結深增加 氧化增強擴散雜質B通過雙擴散機制 即空位 間隙 兩種方式進行擴散 在硅 二氧化硅界面存在過剩的間隙硅原子 間隙硅與替位硼雜質相互作用 使得B以替位 間隙交替方式運動 其擴散速度比單純的替位 替位要快 磷與硼相似橫向擴散指靠近窗口邊緣的區域 除了垂直于表面的擴散作用外 還有平行于表面的擴散 屬于二維擴散 考慮橫向擴散后 必須求解二維的 D為常系數 擴散方程 所以 應采用二維情況來描述雜質濃度分布 橫向擴散模型 假設 擴散窗口是理想的 邊緣陡直 且雜質只能由裸露的窗口擴入硅中 窗口形狀是長條狀寬矩形 即Wd xj 擴散系數D與雜質濃度C無關 理論分布與實際分布的差異 兩種典型擴散的雜質分布及主要參數 兩步擴散的雜質分布及主要參數 常見擴散質量問題分析 1 表面合金點 在顯微鏡下觀察 前者是一些黑色的小圓點由于有過多的雜質原子堆積在一起與硅片生成合金點 是一種玻璃體結構 形成表面合金點的主要原因是表面濃度過高 A 合金點引起加速擴散而導致結面不平整 使PN結低擊穿或 分段擊穿 B 由于合金點處不容易生長氧化膜而形成氧化層針孔 通常是由下述原因引起的 1 預擴時攜帶源的氣體流量過大 如預擴時源的濃度過高 液態源通的氣體流量過大或在通氣時發生氣體流量過沖 2 源溫度過高 使擴散源的蒸汽壓過大 3 源的純度不高 含有雜質或水分 4 預擴時擴散溫度過高 時間太長 為了改善高濃度擴散的表面 常在濃度較高的預擴氣氛中加一點氯氣 防止合金點產生 常見擴散質量問題分析 2 表面黑點或白霧一般在顯微鏡下觀察是密布的小黑點 在聚光燈下看是或濃或淡的白霧 這種現象大多發生在液態源磷擴散 因為磷擴散時雜質濃度過高及石英管中存在偏磷酸 在擴散時會有大量煙霧噴射到硅片表面 在快速冷卻過程中 就產生了白霧 這些白霧使得光刻膠和硅片粘附不好 同樣會產生浮膠或鉆蝕現象 解決的辦法是控制好擴散溫度 不要擴散的太濃 冷卻時要慢 因此源瓶溫度很重要 另通氧氣量直接影響偏磷酸量 需關注 另外產生的原因主要還有有以下幾種 1 硅片表面清晰不良 有殘留的酸性水汽 2 純水或化學試劑過濾孔徑過大 使純水或化學試劑中含有大量的懸浮小顆粒 肉眼觀察不出 3 預擴氣體中含有水分 4 擴散N2中含有水分 5 硅片在擴散前暴露在空氣中時間過長 表面吸附酸性氣體 常見擴散質量問題分析 3 表面凸起物主要是由較大粒徑的顆粒污染經過高溫處理后形成的 如灰塵 頭屑 纖維等落在硅片表面 或石英管內的粉塵 硅屑等在進 出濺到硅片表面 表面凸起物一般在日光燈下用肉眼可以看到 4 表面氧化層顏色不一致通常是預擴時氧化層厚度不均勻 有時也可能是擴散時氣體管路泄露引起氣流紊亂或氣體含有雜質 使擴散過程中生長的氧化層不均勻 造成氧化層表面發花 常見擴散質量問題分析 5 硅片表面滑移線或硅片彎曲這是由硅片在高溫下的熱效應引起的 一般是由于進 出舟速度過快 硅片間隔太小或石英舟開槽不合適等引起的 6 硅片表面劃傷 邊緣缺損或硅片開裂通常是由于操作不當造成的 也有石英舟制作不良的因素 放片子的槽不在同一平面上或槽開得太窄 卡片子等 常見擴散質量問題分析 7 薄層電阻偏差 a 擴散爐溫失控或不穩定 b 預擴時氣體流量不穩定或溫度不穩定 c 預擴或在擴散時氣體管路泄露或氣體含有雜質 d 光刻腐蝕后有殘留氧化膜或在清洗過程中產生較厚的自然氧化膜阻礙了雜質擴散 e 擴散過程中設備的故障 誤動作或操作人員的操作不當 常見擴散質量問題分析 8 漏電流大a 表面沾污 主要是重金屬離子和堿金屬離子 引起的表面漏電 b Si SiO2界面的正電荷 如鈉離子 氧空位及截面態等引起的表面溝道效應 在P型區形成反型層或耗盡層 造成漏電流偏大 c 氧化層缺陷 如針孔等 破壞了氧化層在雜質擴散時的掩蔽作用d 硅片的缺陷引起雜質擴散時產生管道穿通擊穿 e 隔離擴散深度和濃度不夠造成隔離島間漏電流大 嚴重時穿通 f 基區擴散前有殘留氧化膜或基區擴散濃度偏低 在擴散后表現為基區寬度小 反向擊穿電壓低 漏電流大 常見擴散質量問題分析 9 擴散的均勻性和重復性在實際生產中經常發現同一爐擴散出來的硅片其薄層電阻相差特大 特別是在低濃度擴散時更為明顯 這就是擴散的均勻性問題 當用同樣的條件進行擴散時 發現各次擴散的結果有差異 這就是擴散的重復性問題 1 不均勻主要原因 a 首先是襯底材料本身存在著差異 b 恒溫區有變化或太短 如果恒溫區短 會使石英舟各處溫度有差異 從而造成擴散結果不均勻 如果恒溫區變化未及時調整 同樣會出現這個問題 因此 在生產上是經常測量恒溫區的 并且恒溫區制的特別長 c 雜質蒸汽壓的影