扩散工序知识介绍

5、SiO2中的扩 散
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
SiO2用做扩散掩蔽层的最小厚度估算公式：
影响SiO2的掩蔽效果的主要■
■ ■
扩散时间
2、杂质扩散机制
(1) 填隙扩散(Interstitial Diffusion Mechanism)
■ ■
填隙型杂质扩散很快 对硅掺杂水平无直接贡献
2、杂质扩散机制
(2) 直接交换式扩散(Interstitial Diffusion Mechanism)
本体原子
杂质原子
替位型杂质原子必须打破与周围本体原 子间的键合，才能进行直接交换式扩散。
■
MOS电容的C—V法
耗尽层宽度
2 (Vbi V ) W qNsub
A C W A2 qN sub 2 (Vbi V )
二极管电容
杂质浓度
8(Vbi V )3 N sub ( z ) 2 A q
dC( z ) dV
■
扩展电阻法 (1) 将样品磨出一个小角度斜面 (2) 将样品放在载片台上，用一对探针以预定压力与样品 表面接触，测量该电阻值。 (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。
杂质原子
扩散过程：
■
■
替位式杂质原子被自填隙本体原子推到填隙位置；
杂质原子占据另一个晶格位置，该晶格位置上的本体原子 被移开并成为自填隙原子。
注意：只有存在空位扩散时，才能发生推填隙扩散。

Cz,t1,t2 2CsD D 2 1tt1 2ez24D 2t2,t20
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说明
a) 上面两种扩散形式杂质分布的公式推导是基于理想 的边界条件下，比如两步扩散法的公式，只有推进 扩散时间比淀积扩散时间长得多的情况下才接近实 际。即只有满足 D1t1D2t2 时，两步扩散中 的推进扩散边界条件才成立。
B，P，一般作为替位式扩
散杂质，实际情况更复杂
，包含了硅自间隙原子的
作用，称填隙式或推填式
扩散
间隙扩散杂质：O，Au，Fe， 替位扩散杂质：As， Al，Ga，Sb，Ge。
Cu，Ni，Zn，Mg
替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前题
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3)间隙-替位式扩散 ❖ 许多杂质即可以是替位式也可以是间隙式溶于晶
J DC(x,t)
(3.1)
x
其中：C为杂质浓度,个/cm3 ；D为扩散系数， cm2/s ；J为杂
质净流量（单位面积单位时间内流过的原子个数），个 /cm2·s
虽然费克第一定律精确地描述了扩散过程，但在实际应用 中很难去测量杂质的扩散流密度。
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dx
3) 菲克第二定律
A
J1
J2
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1) 预淀积扩散（菲克定律的第一类解）：杂质源通常为
气相源，原子自源蒸气输运到硅片表面，并扩散到硅
内，在扩散过程中源蒸气保持恒定的表面浓度，这种
扩散称为预淀积扩散,又称为恒定表面源扩散
❖ 时间t=0时，初始条件：C(x,0)=0
❖
边界条件：C(0,t)=Cs
❖
以及： C(∞,t)=0

(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。

影响扩散的因素
浓度差别的存在是产生扩散运动的必要条件，环境温 度的高低则是决定扩散运动快慢的重要因素，而扩散 时间则是决定扩散的浓度和深度的因素。
高温氧化/扩散系统的设备简介
• 高温氧化/扩散系统设备的总体结构分为四大部分：控制部分、推舟净化部 分、电阻加热炉体部分、气源部分。
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Cl2
①颜色\气味\状态：通常情况下为有刺激性气味 黄绿色的气体。 ②密度：比空气密度大，标况时 是ρ=M/V(m)=(71g/mol)/(22.4L/mol)=3.17g/L 。 ③易 液化。熔沸点较低，在101kPa下，熔点-107.1°C， 沸点-34.6°C，降温加压可将氯气液化为液氯，液 氯即Cl2，其与氯气物理性质不同，但化学性质基 本相同。 ④溶解性：可溶于水，且易溶于有机溶 剂，难溶于饱和食盐水。1体积水在常温下可溶解2 体积氯气，形成氯水，密度为3.170g/L。
用吸笔依次将硅片从硅片盒中取出，插入石英 舟。
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送片
用舟叉将装满硅片的石英舟放在碳化硅臂浆上， 保证平稳，缓缓推入扩散炉。
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回温
打开O2，等待石英管升温至设定温度。
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扩散
打开小N2，以设定流量通小N2（携源）进行扩散
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关源，退舟
扩散结束后，关闭小N2和O2，将石英舟缓 缓退至炉口，降温以后，用舟叉从臂桨上取 下石英舟。并立即放上新的石英舟，进行下 轮扩散。 如没有待扩散的硅片，将臂浆推入扩散炉， 尽量缩短臂桨暴露在空气中的时间。
步进电机
限位开关
净化系统
极限保护开关
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高温氧化/扩散系统的设备简介