硼磷扩散原理和示意图

Diver-in 扩散第七步知识介绍杂质原子穿越硅结构的热扩散方式和载流子扩散的方式非常相似。

由于较重的杂质原子和晶体结构结合的更牢固，所以为了获得适当的扩散率需要800℃到1250℃的高温。

一旦杂质进入预期的节深度，wafer就要冷却下来，杂质原子也被固定到晶体结构中。

用这种方法形成的掺杂区域叫做diffusion。

通常制作一个diffusion包括两个步骤：首先是沉积（或预沉积），然后是drive（或drive-in）。

沉积指加热wafer，让它和外部的杂质原子源接触。

其中的一些从源扩散到硅wafer的表面形成一浅层重掺杂区。

然后移开外部杂质源，wafer被加热到一个更高的温度并保持一段时间。

在沉积过程中引入的杂质向下运动，形成更深的但浓度降低的diffusion。

如果要制作掺杂非常重的结，就不需要从wafer旁移开杂质源，沉积和接下来的drive就能合并成一个步骤。

在硅工艺中有4种广泛使用的杂质：硼，磷，砷和锑。

（选这些杂质的原因是他们很容易离子化和溶于硅形成重掺杂diffusion。

参见F.A. Trumbore, “Solid Solubilities of Impurity Elements in Germanium and Silicon,”Bell Syst. Tech. J., Vol. 39, #1, 1960, pp. 205-233.）只有硼是acceptor；其他三个都是donors。

硼和磷扩散起来相对来说更快，砷和锑扩散起来就慢了很多。

砷和锑用在要求非常慢速的扩散场合-----比如，要制作非常浅的结的时候。

即使硼和磷在温度低于800℃也不扩散，必须使用特别的高温扩散炉。

典型磷扩散设备长的fused silica管子穿过电炉，电炉能在管子的中部产生一个非常稳定的加热区。

Wafer装上wafer boat后，通过控制插入速率的机构慢慢的被推进炉子。

氮气加入有液体氯氧化磷（POCl3，通常叫做pockle）的瓶子。

三．热分解淀积氧化热分解氧化薄膜工艺是利用含硅的化合物经过热分解反应，在硅片表面淀积一层二氧化硅薄膜的方法。

这种方法的优点是：基片本身不参与形成氧化膜的反应，而仅仅作为淀积二氧化硅氧化膜的衬底。

衬底可以是硅也可以不是硅而是其它材料片。

如果是硅片,获得二氧化硅膜也不消耗原来衬底硅,而保持硅片厚度不变，这是与热氧化法最根本的区别。

因为这种方法可以在较低的温度下应用，所以被称作“低温淀积”。

常用的热分解淀积氧化膜反应源物质（硅化合物）有正硅酸乙脂和硅烷两种。

现分别介绍如下：1．正硅酸乙脂热分解淀积淀积源的温度控制在20 o C左右，反应在真空状态下进行，真空度必须在10—2×133.3Pa以上，淀积时间根据膜厚决定。

淀积得到的二氧化硅氧化膜不如热生长的致密。

但如果在真空淀积之后经过适当的增密处理可使其质量有所改善；方法是硅片在反应炉内加热升温到850~900o C半小时左右,之后再在干燥的氮、氩或氧气氛中继续加热一段时间即可.2．硅烷热分解淀积反应方程式：SiH4 + 2O2→SiO2↓+ 2H2O↑（300～400 o C) 以上两种热分解淀积氧化膜的方法实际上是一种化学气相淀积（CVD)工艺。

前一种是低压CVD（LPCVD）;后一种是常压CVD（APCVD）.特别是后一种硅烷加氧气淀积二氧化硅的方法，是目前生产中天天在用的常规工艺。

以后我们将有专门的章节讲解CVD工艺.第二节SiO2薄膜的质量与检测二氧化硅工艺质量是半导体器件质量的基础。

下面就氧化质量要求,工艺检测，常见质量问题及对策等几个方面进行讨论。

一．质量要求SiO2薄膜质量优劣对器件性能和产品成品率都有很大影响.通常要求薄膜表面无斑点、裂纹、白雾、发花和针孔等缺陷；厚度要求在指标范围内，且保持均匀一致；结构致密，薄膜中可动离子特别是钠离子量不得超标。

二．检测方法1．厚度测量要求精度不高时，可用比色法、磨蚀法测量；精度高时，可用双光干涉法,电容－电压法检测。

PN结的形成过程
N型半导体是指在本征半导体中掺入磷等五价元素而形成的半导体，也称为电子型半导体。

P型半导体是指在本征半导体中掺入杂质为硼或其他三价元素的半导体，也称为空穴型半导体。

本征半导体：工程实际中最常用的半导体材料是锗和硅，将锗和硅提纯后形成的较纯净、具有晶体结构的半导体就是本征半导体。

PN结形成的物理过程如下：N型半导体中的自由电子浓度远大于P型半导体中的自由电子浓度;而P型半导体中的空穴浓度远大于N型半导体中的空穴浓度。

根据扩散原理自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，空穴要从浓度高的P区向N区扩散。

随着扩散运动的进行，在交界面的N区一侧，由于自由电子向P区扩散而只剩下无法移动的正离子；在交界面的P 区一侧，由于空穴向N区扩散而只剩下无法移动的负离子，所以在交界面出现一个正负空间电荷区。

正负空间电荷区在交界面两侧形成一个由N区指向P区的电场，称为内电场。

内电场对多数载流子的扩散运动起起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。

同时，内电场又可推动少数载流子（P型的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，这种少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。

扩散运动形成的扩散电流和漂移运动形成的漂移电流的方向是相反的。

在一定条件下（例如温度一定），随着内电场的建立并加强，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡。

此时空间电荷区的宽度基本稳定下来，这个空间电荷区就称为pn结，也称为耗尽层。

由于pn结是由不能移动的正负离子构成的，且内部载流子极少，所以这个区域的电阻很大。

pn结的工作原理
PN结的工作原理是基于PN结的电子流和空穴流，以及形成
的电场。

PN结是由P型和N型半导体材料组成的结构。

在PN结中，P 型半导体中的杂质掺入的是三价元素，如硼（B），导致材料
中有缺失一个电子的空穴。

而N型半导体中的杂质掺入的是
五价元素，如磷（P），导致材料中有额外的自由电子。

当P型和N型半导体材料结合在一起形成PN结时，空穴会从
P型区向N型区扩散，而自由电子则会从N型区向P型区扩散。

这种扩散过程会导致两侧形成的电荷区域，即空穴富集层（在N型区）和电子富集层（在P型区）。

由于空穴和自由电子的扩散，PN结中形成了一个电场。

这个
电场会阻止进一步扩散，形成一个电势差，称为内建电场。

内建电场将P型区域的电势高于N型区域，因此形成了一个屏障，阻止了电子和空穴进一步扩散。

当外加电压施加在PN结上时，如果是正向偏置，即正电压施
加在P型区，负电压施加在N型区，则外加电压会与内建电
场的方向相反，减小了内建电场的作用，使得电子和空穴更容易穿过PN结。

这时，PN结呈现出低电阻的特性。

相反，当是反向偏置，即正电压施加在N型区，负电压施加
在P型区时，外加电压增大了内建电场的作用，在PN结两侧
形成一个更大的屏障，阻止了电子和空穴的进一步扩散。

这时，
PN结呈现出高电阻的特性。

因此，PN结的工作原理基于电子和空穴的扩散过程以及形成的电场，通过对PN结的正向偏置和反向偏置来控制电子和空穴的流动，实现了半导体器件的功能。