项目三任务一：扩散工艺的目的与原理46页PPT

(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。
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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
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第二步：推进扩散
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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
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预淀积
温度：800~1000℃ 时间：10~30min
预淀积的杂质层
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推进
温度：1000~1250℃
预淀积的杂质层
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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。

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石英管清洗机 2 石英管清洗
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2 石英管清洗
石英管清洗机控制面板
控制面板由开关.电 源按钮.急停和操作 面板组成。开机时 先开总电源，再按 电源开关。关机时 先按电源开关，再 关总电源。遇到紧 急情况时按急停按 钮，记住复位。
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石英管清洗机控制面板操作方法
JO-1腐蚀槽进水 J1-1清洗槽进水 C0-1腐蚀槽排水 C1-1清洗槽排水 DO-1腐蚀槽转动 D1-1清洗槽转动 前：机械臂移动到腐蚀槽 中：机械臂停止 后：机械臂移动到清洗槽
❖ 4）把源瓶放入恒温槽（一般20℃左右），水位离源瓶 顶部1CM左右水位，确定装源瓶时不能带入纸屑等杂物（包
括贴在源瓶上的标签），以防把恒温槽循环泵的进出水口堵 塞，把进气管和出气管接好。
❖ 5）先在PLC控制面板上把小氮出气的电磁阀打开，把 源瓶出气阀慢慢的拧开，目的释放瓶内压力。
❖ 6）然后在PLC控制面板上把小氮进气的电磁阀打开， 设定小氮流量（500）。
❖ ④平抬起舟叉，朝上倾斜三十度（如图），将装载有硅片 的石英舟从碳化硅桨上面取下放到净化台上；
❖ ⑤ 并将下一批待扩散的硅片装入扩散炉中。
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8 取片
❖ ① 操作员戴上橡胶手套或指套，口罩。 ②单晶取片方式：单手拿住硅片两边进行卸片，正面（扩散 面）朝上放置。 。 ③多晶取片方式：双手握住硅片的两边，将硅片从石英槽内 取出，及时放入泡沫盒内 ，每次卸片应控制在十片以内 。
（p型和n型）的半导体接触在一起就能形成的。要制造一 个p-n结，必须使一块完整的半导体晶体的一部分是P型区 域，另一部分是n型区域。也就是在晶体内部实现p型和n 型半导体的接触。
N
P
2

LnN i
扩散系数热力学 因子
对于理想混合体系，活度系数
D
* i
自扩散系数
i 1 D i D i*RT i B
；
Di组分i的分扩散系数，或本征扩散系数
.
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讨论：
(1)扩散 外界条件：u/ x的存在
Di 代表了质点的性质，如 半径 、电荷数、极化性能等
基质结构：缺陷的多少；杂质的多少
1 Ln i
Jx＝－DCx
J x d xJ x ( J x ) d x D C x x ( D C x ) dx
x x+dx
x
净 增 JJ x ＋ 量 d xJ x x(DC x)dx
J(DC) x x x
又JCC(DC)D2C x t t x x x2
三维表C 达 D (式 2C为 .2C ： 2C)
缺陷的多少
(3) 稳定扩散(恒源扩散)
不稳定扩散
C
C
C
J
C/ x=常数
C/ t0
J/ x 0
t
x
.
t
8
x
三维表达式：
J＝ iJx
jJy
kJz
D(iC j CkC) x y z
用途：
可直接用于求解扩散质点浓度分布不随 时间变化的稳定扩散问题。
.
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二、 Fick第II定律
推导：取一体积元，分析x→x＋dx间质点数 在单位时间内 x 方向的改变，即考虑两个相距为 dx 的平行平面。
散， 质点所受的力
推导D：
高u
Fi
ui x
Vi 低u Fi
对象：一体积元中 多组分中i 组分质点的扩散
i质点所受的力：
Fi

预淀积的杂质层
精选ppt
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
√
精选ppt
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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
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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。
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。
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
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q Q － T
At
x
J dG D(ｃ)
Adt
x
热通量——是单位时间，单位面 积传递的热量。
扩散通量——单位时间内通过单位横截面的粒
子数。用J表示，为矢量。
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扩散具有方向性，且是各个方向的，故J 用矢量表示：
J iJ x jJ y kJ z D(i c j c k c )
有关，令c kP ，而且通常在金属膜两测
的气体压力容易测出。因此上述扩散过程 可方便地用通过金属膜的气体量F表示：
F

JxA

Dk(P2 l
P1) A
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（二）不稳态扩散
非稳态扩散，求解菲克第二定律方程，可得c(x,t), 偏微分方程的解只能根据所讨论的初始条件和边 界条件而定，过程的条件不同，方程的解也不同。 一般情况下，Ｄ为常数时，解符合以下两种形式： （１）若扩散路程相对初始不均匀性的尺度来说 是短小的，则浓度分布作为路程和时间的函数， 可用误差函数很简单的表示出来。所谓短时解。 （２）扩散接近于完全均匀时，c(x,t)可用无穷三 角级数的第一项表示。所谓长时解。
即菲克第二定律。
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菲克第一定律和菲克第二定律本质相同，均表明扩散的 结果是使不均匀达到均匀，非平衡逐渐达到平衡。
J D(ｃ) x
C t

D
2C x 2
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2.2.3 扩散方程的应用
对于扩散的实际问题，一般要求算出 穿过某一曲面（如平面、柱面、球面等）的 通量J，单位时间通过该面的物质量 dm/dt=AJ，以及浓度分布c(x,t)，为此需要 分别求解菲克第一定律及菲克第二定律。
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讨论：
根据迁移所需要的能量，在以上各种 扩散中： 1.易位扩散所需的活化能最大。

替位式扩散
➢替位式扩散：替位杂质从一个晶格位置扩散到另一个晶格位置。 如果替位杂质的近邻没有空位．则替位杂质要运动到近邻晶格位置
上，就必须通过互相换位才能实现。这种换位会引起周围晶格发生很大 的畸变，需要相当大的能量，因此只有当替位杂质的近邻晶格上出现空 位，替位式扩散才比较容易发生。
对替位杂质来说，在晶格位置上势 能相对最低，而间隙处是势能最高 位置。
间隙式扩散
➢ 间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质。以 间隙形式存在于硅中的杂质，主要是那些 半径较小、不容易和硅原子键合的原子。
➢ 间隙式扩散：间隙式杂质从一个间隙位 置到另一个间隙位置的运动称为间隙式 扩散。
➢ 间隙式杂质在硅晶体中的扩散运动主要 是间隙式扩散。
对间隙杂质来说，间隙位置是势能极 小位置，相邻的两个间隙之间是势能 极大位置。间隙杂质要从一个间隙位 置运动到相邻的间隙位置上，必须要 越过一个势垒，势垒高度Wi一般为0.6 ~ 1.2eV。
②空位式：由于有晶格空位，相邻原子能 移动过来。
③填隙式：在空隙中的原子挤开晶格原子 后占据其位，被挤出的原子再去挤出其他原 子。
④在空隙中的原子在晶体的原子间隙中快 速移动一段距离后，最终或占据空位，或挤 出晶格上原子占据其位。
以上几种形式主要分成两大类：①替位式 扩散。②间隙式扩散。
常见元素在硅中的扩散方式
D0为表观扩散系数，ΔE为激活能。 扩散系数由D0、ΔE及温度T决定。
上节课内容小结
1.决定氧化速率常数的两个因素：
氧化剂分压：B、B/A均与Pg成正比，那么在一定氧化条件下，通过 改变氧化剂分压可改变二氧化硅生长速率。高压氧化、低压氧化 氧化温度： B(DSiO2)、B/A(ks)均与T呈指数关系，激活能不同 2.影响氧化速率的其他因素 硅表面晶向：表面原子密度，(111)比(100)氧化速率快些

利用掺杂技术，可以制作P-N结、欧姆接触区、IC中的电阻、硅栅和硅互连线等等。
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掺杂（doping）：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅 中，并获得精确的杂质分布形状（doping profile）。
NMOS
BJT
BE
C
p well
p n+
p+
n-
n+
p
n+ p+
掺杂应用：
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Chap 3 扩散工艺 Difussion
§3.1杂质扩散机构 §3.2扩散原理（扩散系数扩散方程） §3.3扩散杂质的分布 §3.4影响杂质分布的其他因素 §3.5扩散工艺 §3.6扩散工艺的发展（自学） §3.7工艺控制和质量监测（补充）
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掺杂技术就是将所需要的杂质，以一定的方式（合金、扩散或离子注入等）加 入到硅片内部，并使其在硅片中的数量和浓度分布符合预定的要求。
—浓度、时间、空间的关系
A
单位体积内杂质原子数 的变化量等于流入和流 出该体积元的流量差
Δt 时间内该小体积内的杂质数目变化为
Cx,t t Cx,t Ax
这个过程中由于扩散进出该小体积的杂质原子数为
Fx,t Fx x,t A t Fx x,t Fx,t A t
Cx,t t Cx,t A x Fx x,t Fx,t A t
D0：扩散率，E：扩散工艺激活能，k0：玻耳兹曼 常数，T：绝对温度。
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2. 扩散工艺激活能E， • 间隙扩散物质：如He, H2, O2, Au, Na, Ni,
Cu, Fe。E在0.2～2.0eV之间 • 替位扩散物质：如B, As, P, Sb

瞬时液相扩散连接特点：
• 该方法的表面平备要求不高，其粗糙度为 40um左右。
• 焊接时间短。 • 装备轻，自动化程度高，适合于现场焊接
，也适合于室内焊接。 • 接头质量可靠。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
液相扩散连接大致可分为以下3个阶段：
• 液相的生成。将中间层材料夹紧在焊件间，并加 上一定的焊接压力，在保护气体保护下进行加热 ，直至中间层材料液化和填满间隙。
• 等温凝固过程。当液相形成并填满焊缝间隙后， 进入保温期，它使液固相之间进行充分的扩散。
• 成分均匀化。由等温凝固形成的接头成分很不均 匀，为获得成份和组织均匀化的接头，需要继续 保温扩散来完成。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
适用范围：
• 两母材都具有超塑性； • 可以是只有一边母材具有超塑性； • 或两母材均不具有超塑性时，只要插入具有超塑
性特性的材料作为中间层，就可以实现超塑性连 接。 • 应用领域： 难焊的有色合金之间
• 主要用于：异种金属材料、陶瓷、金属间 化合物、非晶态及单晶合金
• 应用领域：航空航天、仪表及电子、核工 业、能源、化工及机械制造
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
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Ji Ci.Bi uxi
Ci单位体积中i组成质点数 Vi 质点移动平均速度
Ji
Ci.Bi C uii .C xi J＝－Di
Ci x
Di Ci.Bi C uii Bi lu nC i i
C iC N i( m 分 ) o lC 数 n i l lN n i
Di
Bi
ui lnNi
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t x2 y2 z2
用途： 适用于不同性质的扩散体系； 可用于求解扩散质点浓度分布随时间和距离而变化的不稳 定扩散问题。
对二定律的评价： (1) 从宏观定量描述扩散，定义了扩散系数，但没有给出D与结构 的明确关系； (2) 此定律仅是一种现象描述，它将浓度以外的一切影响扩散的 因素都包括在扩散系数之中，而未赋予其明确的物理意义； (3) 研究的是一种质点的扩散(自扩散)； (4) 着眼点不一样(仅从动力学方向考虑) C t
2、 离子晶体中的扩散
空位机制： 大部分离子晶体 如： MgO、NaCl、FeO、CoO
两种机制
间隙机制：只有少数开放型晶体中存在 如： CaF2、UO2中的 F－、O2－
应石含用量：不Ca能F超2在过玻5璃0％中，能否降则低加熔2点％，C2降a0F21低2 烧结温度，还可以起澄清剂作2用9 。长
例： CaCl2引入到KCl中，分析K＋的扩散，基质为 KCl KC lVK VC •l (本征)扩散 Ca2 C KlC lCK •aVK 2CClL(非本征 ) 扩散
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理解：
Di BiRT (1L Lnn iiN )
1 Ln i
LnN i
扩散系数热力学 因子
对于理想混合体系，活度系数
D
* i

扩散基本工艺
3.6 工艺参数 ii
磷扩散过程
工艺气体 流量（ 流量（L/min) 操作状态
大N2 1818-20 进炉
大N2 1818-20 稳定
12min
大N2，O2 18-20 1.17
大N2，O2，小N2 18-20 1.17 1.17
大N2 1818-20 吹氮 10min
大N2 1818-20 出炉 10min
P型衬底
PN结 1.3 PN结的制造
概述
制造一个PN结并不是把两块不同类 制造一个PN结并不是把两块不同类型（p型和n型） PN 型和n 的半导体接触在一起就能形成的。 的半导体接触在一起就能形成的。 必须使一块完整的半导体晶体的一部分是P型区 使一块完整的半导体晶体的一部分是P 域，另一部分是N型区域。 另一部分是N型区域。 也就是在晶体内部实现P型和N型半导 也就是在晶体内部实现P型和N型半导体的接触 。 实现
扩散基本原理
散的物理图 2.1 扩散的物理图象
杂质原子
填隙型杂质 替位型杂质
自填隙扩散 空位扩散/直接扩散
自填隙扩 自填隙扩散
空位扩 空位扩散
扩散基本原理
2.2 扩散的分析解
费克第一定律 费克第二定律
设扩散系数 和位置无关 散系数D 于各向同性的三维 假设扩散系数D和位置无关，对于各向同性的三维介质
扩散后硅片检验
检验原理 4.2 检验原理 i 方块电阻
一个均匀导体的立方体电阻 ,长L，宽W，厚d 长 ， ，
R= ρ L / d W =(ρ/d) (L/W)
此薄层的电阻与（ ）。这个比例系数 此薄层的电阻与（L / W）成正比，比例系数为（ ρ /d）。这个比例系数 ）成正比，比例系数为（ ）。 叫做方块电阻，用R□表示： 表示： 叫做方块电阻， R□ = ρ / d R = R□（L / W） ） L= W时R= R□，这时R□表示一个正方形薄层的电阻，与正方形边长大小 表示一个正方形薄层的电阻， 无关。 无关。

PN结的制造
制作太阳电池的硅片是P型的，也就是说在制造硅片时， 已经掺进了一定量的硼元素，使之成为P型的硅片。如 果我们把这种硅片放在一个石英容器内，同时对此石 英容器内加热到一定温度，并将含磷的气体通入这个 石英容器内，这时施主杂质磷可从化合物中分解出来， 在容器内充满着含磷的蒸汽，把硅片团团包围起来， 因此磷原子能从四周进入硅片的表面层，并且通过硅 原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散。在硅片的整个 外表面就形成了N型，而其内部还是原始的P型，这样 就达到了在硅片上形成了所要的P-N结。----这就是所 说的扩散。
硅（SiO2）和磷原子，其反应式如下： • 2P2O5+5Si====5SiO2+4P↓
POCl3磷扩散原理
• 由上面反应式生成的PCl5是不易分解的，并且对硅片表面 有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。但在有外来O2存在的 情况下，PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气（Cl2）其 反应式如下：
• • 4PCl5+5O2=====2P2O5+10Cl2↑
• 4、替位式扩散：杂质进入晶体后，占据晶格原子的原子空 位（空格点），在浓度梯度作用下，向邻近原子空位逐次 跳跃前进。每前进一步，均必须克服一定的势垒能量。
扩散装置示意图
扩散装置图片
扩散炉正视图
排废口
排风
排废口
• 扩散装置图片
推舟机构
气源柜 进气 炉体柜 总电源进线
净化操作台
计算机控制柜
大家有疑问的，可以询问和交流
• 生成的P2O5又进一步与硅作用，生成SiO2和磷原子，由 此可见，在磷扩散时，为了促使POCl3充分的分解和避免 PCl5对硅片表面的腐蚀作用，必须在通氮气的同时通入一 定流量的氧气 。

2．1. 2缓冲介质层
• 其一：硅与氮化硅的应力较大，因此在两层之间生长一层 氧化层，以缓冲两者之间的应力；其二：也可作为注入缓 冲介质，以减少注入对器件表面的损伤。
Si3N4 SiO2
P-Well N-Well Si(P)
2．1．3电容的介质材料
• 电容的计算公式： C=0*r*S/d 0：真空介质常数 r：相对介电常数 S：电容区面积 D：介质层厚度 二氧化硅的相对介电常数为3-4。二氧化硅的耐击穿能力强，温度系 数小，是制作电容介质的常用材料。在电容的制作过程中，电容的 面积和光刻、腐蚀有较大的关系，而厚度则由二氧化硅的厚度决定。
扩散氧化工艺原理
扩散工艺原理
扩散原理
• 扩散运动是一种微观粒子的热运动，只有存在浓度梯度时， 这种热运动才能形成。扩散运动其实是十分复杂的运动， 只有当杂质浓度和位错密度低时，扩散运动才可以用恒定 扩散率情况下的菲克扩散定律来描述为： J（x，t）=-D×dN(x,t)/dx 式中 J—单位时间内杂质原子扩散量；
SiO2
P-WLL N-WELL
S(P+)
•
1960年二氧化硅就已被用作晶体管选择扩散的掩蔽膜，从 而导致了硅平面工艺的诞生，开创了半导体制造技术的新 阶段。同时二氧化硅也可在注入工艺中，作为选择注入的 掩蔽膜。作为掩蔽膜时，一定要保证足够厚的厚度，杂质 在二氧化硅中的扩散或穿透深度必须要小于二氧化硅的厚 度，并有一定的余量，以防止可能出现的工艺波动影响掩 蔽效果。
• 1．4 片内均匀性 保证硅片内每个芯片的重复性良好 • 1．5 片间均匀性 保证每个硅片的重复性良好 • 1．6定期清洗炉管 清洗炉管，可以减少重金属离子、碱金属离子的沾污同时 也能减少颗粒，保证氧化层质量。 • 1．7 定期检测系统颗粒