半导体知识：扩散工艺基础知识讲解

扩散技术目的在于控制半导体中特定区域内杂质的类型、浓度、深度和PN结。在集成电路发

展初期是半导体器件生产的主要技术之一。但随着离子注入的出现，扩散工艺在制备浅结、低浓度掺杂和控制精度等方面的巨大劣势日益突出，在制造技术中的使用已大大降低。

3．1 扩散机构

3．1．1 替位式扩散机构

这种杂质原子或离子大小与Si原子大小差别不大，它沿着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占据晶格格点的正常位置，不改变原来硅材料的晶体结构。硼、磷、砷等是此种方式。       

3．1．2 填隙式扩散机构

这种杂质原子大小与Si原子大小差别较大，杂质原子进入硅晶体后，不占据晶格格点的正常位置，而是从一个硅原子间隙到另一个硅原子间隙逐次跳跃前进。镍、铁等重金属元素等是此种方式。

 
3．2 扩散方程

      N / t = D*²N / x2

N=N（x，t）杂质的浓度分布函数，单位是cm^-3

D：扩散系数，单位是cm²/s

加入边界条件和初始条件，对上述方程进行求解，结果如下面两小节所诉。

3．2．1 恒定表面浓度扩散

整个扩散过程中，硅片表面浓度N_S保持不变

        N（x，t）=N_Serfc（x/（2*（Dt）^1/2））

式中erfc称作余误差函数，因此恒定表面浓度扩散分布符合余误差分布。

3．2．2．限定源扩散

杂质源限定在硅片表面薄的一层，杂质总量Q是常数。

          N（x，t）=（Q/（pDt）^1/2）*exp（-X²/4Dt）

exp（-X²/4Dt）是高斯函数，因此限定源扩散时的杂质分布是高斯函数分布。

由以上的求解公式，可以看出扩散系数D以及表面浓度对恒定表面扩散的影响相当大

3．2．3 扩散系数

扩散系数是描述杂质在硅中扩散快慢的一个参数，用字母D表示。D大，扩散速率快。D与扩散温度T、杂质浓度N、衬底浓度N_B、扩散气氛、衬底晶向、缺陷等因素有关。

D=D₀exp（-E/kT）

                T：绝对温度；

                K：波尔兹曼常数；

                E：扩散激活能

                D₀：频率因子

3．2．4  杂质在硅中的固溶度

杂质扩散进入硅中后，与硅形成固溶体。在一定的温度下，杂质在硅中有一个最大的溶解度，其对应的杂质浓度，称该温度下杂质在硅中的固溶度。固溶度在一定程度上决定了硅片的表面浓度。

3．3 CSMC-HJ扩散课的扩散工艺状况

扩散工艺按照作用可以分为推阱、退火、磷掺杂，不同工艺的作业炉管在配置上稍有不同。

3．3．1推阱

由于CMOS是由PMOS和NMOS组成，因此需要在一种衬底上制造出另一种型号的衬底,才可以在一种型号的硅片上同时制造出N管、P管，在选择注入后的推阱工艺就可以在硅片上制出P阱、N阱；由于推阱一般需要有一定的结深，而杂质在高温下的扩散速率较大，因此推阱工艺往往需要在较高的温度（1150C）下进行，以缩短工艺时间，提高硅片的产出率。

3．3．1．1推阱工艺主要参数

3．3．1．1．1结深

比较关键，必须保证正确的温度和时间；

3．3．1．1．2膜厚

主要为光刻对位提供方便,同时会改变园片表面的杂质浓度，过厚或过薄均会影响N管或P管的开启电压；

3．3．1．1．3表面浓度

注入能量和剂量一定后,表面浓度主要受制于推阱程序的工艺过程,如高温的温度、工艺的时间、氧化和推结的前后顺序；

3．3．1．2

影响推阱的工艺参数

3．3．1．2．1 温度

易变因素，决定了扩散系数的大小，对工艺的影响最大。    

3．3．1．2．2 时间

一般不易偏差，取决于时钟的精确度。

3．3．1．2．3程序的设置

先氧化后推阱与先推阱后氧化得出的表面浓度就不同，因此阱电阻就会有很大的差别。

3．3．1．2．4 排风 &气体流量

排风：对炉管的片间均匀性，尤其是炉口有较大的影响。

气体流量：气体流量的改变会影响氧化膜厚，从而使表面浓度产生变化，直接影响器件的电参数.

3．3．1．3推阱工艺控制

    阱电阻：用来监控推阱后N（或P）阱电阻的大小，阱电阻的大小会对制作在N（或P）阱里的晶体管的栅开启电压及击穿电压造成直接影响；但电阻控制片的制作由于有一定的制作流程，因此电阻有时会受制备工艺的影响。

3．3．2 退火

在当今的亚微米工艺中，由于浅结、短沟的限制，硅片工艺后段的热过程越来越被谨慎地使用，但是退火仍然以不同的形式出现在工艺的流程中。退火可以激活杂质，减少缺陷，并获得一定的结深。它的工艺时间和温度关系到结深和杂质浓度。

3．3．3磷掺杂

由于磷掺杂的控制精度较底，它已经渐渐地退出了工艺制作的舞台。但是在一些要求不高的工艺步骤仍然在使用。

3．3．3．1多晶掺杂

向多晶中掺入大量的杂质，使多晶具有金属导电特质，以形成MOS之“M”或作为电容器的一个极板或形成多晶电阻，之所以不用离子注入主要是出于经济的原因。

3．3．3．2 N+淀积

在我们的生产线上，仍然在使用此种工艺-----磷掺杂的传统角色，以形成源漏结和扩散电阻

3. 3. 3. 3磷扩散原理

使用PBr3源，反应式如下：

        4 PBr3+5O2 ==== 2P2O5+6Br2

              2P2O5 +5Si ==== 5SiO2+4P

3．3．4磷扩散工艺主要参数

3．3．4．1 结深   

3．3．4．2扩散电阻

现行的主要控制参数

3．3．4．3表面浓度

以上这三项参数都与掺杂时间、掺杂温度、磷源流量等有密切的关系

3．3．5 影响磷扩散的因素

3．3．5．1炉管温度和源温

    炉管温度会影响杂质在硅中的固溶度，从而影响掺杂电阻； PBr3是挥发性较强的物质，温度的大小会影响源气的挥发量，使源气蒸气压发生变化，从而影响掺杂杂质总量,因此必须保证温度稳定。

3．3．5．2程序的编制

磷源流量设置的大小决定了淀积时间的长短，使推结的时间变化，从而影响了表面浓度和电阻。

3．3．5．3时间

一般不易偏差，取决于时钟的精确度 

3．3．5．4排风

排风不畅，会使掺杂气体不能及时排出，集中在炉管之内，使掺杂电阻难于控制。

3．3．6磷扩散工艺控制

3．3．6．1拉恒温区控制温度

3．3．6．2电阻均匀性

    电阻均匀性可以反应出温度或气体的变化以及时发现工艺和设备发生的问题，在进行换源、换炉管等备件的更换时，需及时进行该QC的验证工作，以确定炉管正常。

3．3．6．3清洗炉管及更换内衬管

由于在工艺过程中会有偏磷酸生成，在炉口温度较低处会凝结成液体，并堆积起来，会腐蚀炉管甚至流出炉管后腐蚀机器设备。

3．3．4 常见问题及处理

=

3．3．4．1推阱炉管均匀性及膜厚变化 

    检查方法与热氧化一样。

3．3．4．2推阱时程序中断

对策：1．检查炉管的作业记录，找出中断的真正原因；

          2．根据作业记录中剩余时间的多少确定返工时间；

          3．必须减去升降温的时间补偿。

3．3．4．3 磷掺杂后，电阻均匀性变差

    对策 1．检查排风有无变化

         2．检查炉管的温度有无大的偏差

         3．检查源温有无大的波动

         4．检查MFC的流量有无波动