资源描述
第第6章章 扩散工艺化学原理扩散工艺化学原理第1页热扩散原理热扩散原理 杂质原子由浓度高地方向浓度低地方进行扩散。杂质原子由浓度高地方向浓度低地方进行扩散。比如在水里滴一滴墨汁，墨汁会在水中进行扩散。比如在水里滴一滴墨汁，墨汁会在水中进行扩散。杂质源 杂质向硅片中进行扩散杂质向硅片中进行扩散掺杂阻挡层掺杂阻挡层第2页扩散工艺扩散工艺:高温下，将杂质原子向硅、锗晶体内部扩高温下，将杂质原子向硅、锗晶体内部扩散。散。目标：制造目标：制造P-N 结，制造集成电路扩散电阻、埋层和结，制造集成电路扩散电阻、埋层和隔离。隔离。III A族元素杂质：硼族元素杂质：硼（B）扩散到硅晶体内部扩散到硅晶体内部V A 族元素杂质：磷（族元素杂质：磷（P）、锑（）、锑（Sb）第3页6-1 半导体杂质类型半导体杂质类型半导体硅、锗等都是第半导体硅、锗等都是第 IV 族元素。族元素。掺入第掺入第 V 族元素（如磷，五个价电子）。杂质电离族元素（如磷，五个价电子）。杂质电离施放电子，为施主杂质，或施放电子，为施主杂质，或 N 型杂质。型杂质。第4页掺入第掺入第III 族元素（如硼，三个价电子）。杂质电离族元素（如硼，三个价电子）。杂质电离接收电子，为受主杂质，或接收电子，为受主杂质，或P 型杂质。型杂质。施主型杂质：第施主型杂质：第 V A 族元素，族元素，如：磷、砷、锑、铋；如：磷、砷、锑、铋；受主型杂质：第受主型杂质：第 III A 族元素，族元素，如：硼、铝、镓、铟。如：硼、铝、镓、铟。第5页怎样选择扩散源：怎样选择扩散源：1）半导体材料导电类型需要；）半导体材料导电类型需要；2）选择在硅中含有适当扩散速度杂质；）选择在硅中含有适当扩散速度杂质；3）选择纯度高、毒性小扩散源。）选择纯度高、毒性小扩散源。惯用扩散杂质有硼（惯用扩散杂质有硼（B），），磷（磷（P）、锑（）、锑（Sb）、砷（）、砷（As）。）。扩散杂质源（含有这些杂质原子一些物质）有固态源、液态扩散杂质源（含有这些杂质原子一些物质）有固态源、液态源和气态源。源和气态源。第6页扩散过程基本上只有两种形式：扩散过程基本上只有两种形式：1）化合物先分解为单质（或直接以单质），再以）化合物先分解为单质（或直接以单质），再以单质形式向硅中扩散；单质形式向硅中扩散；2）经过反应先生成杂质元素氧化物（或原来就是经过反应先生成杂质元素氧化物（或原来就是氧化物），然后氧化物再与硅反应产生二氧化硅氧化物），然后氧化物再与硅反应产生二氧化硅和杂质元素向硅中扩散。和杂质元素向硅中扩散。第7页热扩散过程三个步骤：热扩散过程三个步骤：预淀积预淀积推进推进激活激活第8页第一步、预淀积第一步、预淀积 热扩散开始，炉内温度通常设为热扩散开始，炉内温度通常设为800800到到1000 1000 ，连续，连续1010到到3030分钟。杂质仅进入硅片表面形成很薄杂质层，此分钟。杂质仅进入硅片表面形成很薄杂质层，此称为预淀积。称为预淀积。预淀积杂质层预淀积杂质层第9页第二步、推进第二步、推进 在不向硅片中增加杂质基础上，升高温度（在不向硅片中增加杂质基础上，升高温度（10001000到到1250 1250 ），使淀积杂质层深入向硅片内部扩散，并），使淀积杂质层深入向硅片内部扩散，并到达要求结深。到达要求结深。结深结深预淀积杂质层预淀积杂质层第10页第三步、激活第三步、激活稍微升高温度，使杂质原子移动到晶格中原子位子与稍微升高温度，使杂质原子移动到晶格中原子位子与晶格中硅原子键合，形成替位式杂质原子。晶格中硅原子键合，形成替位式杂质原子。杂质原子只有在替换了晶格上硅原子后才能起作用杂质原子只有在替换了晶格上硅原子后才能起作用-改改变硅电导率。变硅电导率。通常是只有一部分杂质被移动到晶格通常是只有一部分杂质被移动到晶格位子上，大部分还处于间隙位置。位子上，大部分还处于间隙位置。杂质原子杂质原子激活 第11页杂质形态：杂质形态：间隙式杂质：含有高扩散率杂质，如金（间隙式杂质：含有高扩散率杂质，如金（AuAu）、铜（）、铜（CuCu）、钠（）、钠（NaNa）等。）等。间隙式杂质轻易利用间隙运动在间隙中移动，这种杂质是需要防止。间隙式杂质轻易利用间隙运动在间隙中移动，这种杂质是需要防止。替位式杂质：扩散速率低杂质，如砷（替位式杂质：扩散速率低杂质，如砷（As)As)、磷（、磷（P P）等。通常利用替换运）等。通常利用替换运动填充晶格中空位。动填充晶格中空位。替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质 杂质原子杂质原子第12页整个扩散工艺过程整个扩散工艺过程清洗硅片清洗硅片预淀积预淀积测试测试开启扩散炉开启扩散炉推进、激活推进、激活第13页第14页第15页第16页第17页 上表中所列举杂质源在不一样程度上都有毒性。其中上表中所列举杂质源在不一样程度上都有毒性。其中以砷源和磷源毒性最大，尤其是砷和磷气态源有以砷源和磷源毒性最大，尤其是砷和磷气态源有剧毒又易剧毒又易爆炸爆炸，在使用时应采取对应安全办法。，在使用时应采取对应安全办法。当前广泛使用：当前广泛使用：硼扩散杂质源固态源氮化硼硼扩散杂质源固态源氮化硼 液态源硼酸三甲酯和三溴化硼。液态源硼酸三甲酯和三溴化硼。磷扩散杂质源三氯氧磷磷扩散杂质源三氯氧磷 N 型外延衬底杂质源是三氯化磷。型外延衬底杂质源是三氯化磷。锑扩散杂质源三氧化二锑锑扩散杂质源三氧化二锑第18页6-2 硼扩散化学原理硼扩散化学原理1、固态源、固态源氮化硼氮化硼 氮化硼（氮化硼（BN）是一个新固态硼源，是一个白色粉末状）是一个新固态硼源，是一个白色粉末状固体，熔点约在固体，熔点约在3000左右，微溶于水。氮化硼化学稳定左右，微溶于水。氮化硼化学稳定性很高，酸、强碱以及氯等几乎不与它起作用，但与强碱性很高，酸、强碱以及氯等几乎不与它起作用，但与强碱共熔时或在红热时受到水蒸气作用会迟缓水解而生成三氧共熔时或在红热时受到水蒸气作用会迟缓水解而生成三氧化二硼和氨，其反应式以下：化二硼和氨，其反应式以下：第19页第20页第21页6-3 磷扩散化学原理磷扩散化学原理1、液态源、液态源三氯氧磷三氯氧磷 三氯氧磷（三氯氧磷（POCl3）是一个无色透明液体，含有刺激）是一个无色透明液体，含有刺激性、窒息性气味，有毒，常因溶有氯气或五氯化磷而呈红性、窒息性气味，有毒，常因溶有氯气或五氯化磷而呈红黄色。比重为黄色。比重为1.675，熔点为，熔点为2，沸点为，沸点为105.3。三氯氧磷极易挥发，在室温下含有较高蒸气压，为了三氯氧磷极易挥发，在室温下含有较高蒸气压，为了保持恒定蒸气压，使表面浓度稳定，且便于控制，普通保持恒定蒸气压，使表面浓度稳定，且便于控制，普通在扩散时将源温恒定在在扩散时将源温恒定在0，以预防因为蒸气压过高而出，以预防因为蒸气压过高而出现合金现象。现合金现象。第22页第23页 三氯氧磷液态源是当前磷扩散工艺中应用最广泛一三氯氧磷液态源是当前磷扩散工艺中应用最广泛一种杂质源。它含有操作简便、经济、适宜大批量和连续种杂质源。它含有操作简便、经济、适宜大批量和连续生产，且扩散质量好等优点。它也惯用作磷处理、磷吸生产，且扩散质量好等优点。它也惯用作磷处理、磷吸收以及化学淀积磷硅玻璃等磷源。收以及化学淀积磷硅玻璃等磷源。三氯氧磷很轻易发生水解，在潮湿空气中会因水解三氯氧磷很轻易发生水解，在潮湿空气中会因水解而发烟，所以，使用三氯氧磷源时，源瓶密封性也必须而发烟，所以，使用三氯氧磷源时，源瓶密封性也必须良好，通入氮气和氧气都必须干燥。若三氯氧磷已经良好，通入氮气和氧气都必须干燥。若三氯氧磷已经发黄变质，就不能再使用。倒掉旧源后不能马上用水冲发黄变质，就不能再使用。倒掉旧源后不能马上用水冲洗，不然三氯氧磷快速发生水解反应轻易引发爆炸事洗，不然三氯氧磷快速发生水解反应轻易引发爆炸事故。故。第24页第25页6-4 锑扩散化学原理锑扩散化学原理 为了降低集电极串联电阻，改进饱和压降，在集成电路为了降低集电极串联电阻，改进饱和压降，在集成电路生产时，都在生产时，都在N-P-N 晶体管集电区下面扩散一层晶体管集电区下面扩散一层N层，层，通常称为隐埋层。通常称为隐埋层。隐埋层通常采取锑扩散，因为锑扩散系数较磷、硼隐埋层通常采取锑扩散，因为锑扩散系数较磷、硼小，故外延生长时自掺杂效应也就低，同时又经得起以小，故外延生长时自掺杂效应也就低，同时又经得起以后工艺过程中高温处理。后工艺过程中高温处理。埋层锑扩散大都使用三氧化二锑（埋层锑扩散大都使用三氧化二锑（Sb2O3）为杂质源：）为杂质源：即在硅片上生成掺有锑杂质氧化层，在扩散温度下，即在硅片上生成掺有锑杂质氧化层，在扩散温度下，锑杂质原了进而向硅内扩散。锑杂质原了进而向硅内扩散。第26页6-5 砷扩散化学原理砷扩散化学原理 砷扩散有它独到之处，比如砷在硅中扩散系数砷扩散有它独到之处，比如砷在硅中扩散系数小，用于浅结扩散，因扩散时间较长，便于准确小，用于浅结扩散，因扩散时间较长，便于准确地控制基区宽度；又如砷原子半径和硅原子很靠地控制基区宽度；又如砷原子半径和硅原子很靠近，在砷原子向硅晶体内扩散过程中，不致于因近，在砷原子向硅晶体内扩散过程中，不致于因为原子半径不一样而产生应力，造成晶格缺点。为原子半径不一样而产生应力，造成晶格缺点。正是这个原因，扩砷发射区无陷落效应，有利正是这个原因，扩砷发射区无陷落效应，有利于薄基区形成。浅结、薄基区可提升器件频率特于薄基区形成。浅结、薄基区可提升器件频率特征，所以砷扩散工艺普遍用于微波器件。征，所以砷扩散工艺普遍用于微波器件。因三氧化二砷有剧毒，砷扩散不象磷扩散那样因三氧化二砷有剧毒，砷扩散不象磷扩散那样广泛地用于普通器件。广泛地用于普通器件。第27页1、氧化物源扩散、氧化物源扩散 氧化物源扩散又称固一固扩散，基本标准是在硅片表氧化物源扩散又称固一固扩散，基本标准是在硅片表面先低温淀积一层掺杂二氧化硅作为扩散源，然后在高温面先低温淀积一层掺杂二氧化硅作为扩散源，然后在高温下使杂质原子向硅内扩散。下使杂质原子向硅内扩散。首先淀积掺砷氧化层。然后将淀积好硅片放入首先淀积掺砷氧化层。然后将淀积好硅片放入980 左右高温炉内，在氮气或氮氧混合气体保护下扩散，左右高温炉内，在氮气或氮氧混合气体保护下扩散，1520 分钟。分钟。在扩散温度下，三氧化二砷被硅还原为砷：在扩散温度下，三氧化二砷被硅还原为砷：砷杂质原子进而向硅中扩散。砷杂质原子进而向硅中扩散。第28页2、二氧化硅乳胶源扩散、二氧化硅乳胶源扩散 掺杂二氧化硅乳胶源是一个比较新扩散源，它含有氧掺杂二氧化硅乳胶源是一个比较新扩散源，它含有氧化物源优点，工艺又简单，且重复性和均匀性很好，可化物源优点，工艺又简单，且重复性和均匀性很好，可掺杂杂质种类多。掺杂杂质种类多。将二氧化硅乳胶用无水乙醇稀释后，掺入适量砷或磷、将二氧化硅乳胶用无水乙醇稀释后，掺入适量砷或磷、硼、锑等杂质，便可配成其有一定粘度不一样掺杂二氧硼、锑等杂质，便可配成其有一定粘度不一样掺杂二氧化硅乳胶源。化硅乳胶源。将掺有五氧化二砷二氧化硅乳胶源涂在硅片表面上，将掺有五氧化二砷二氧化硅乳胶源涂在硅片表面上，前烘使二氧化硅乳胶形成掺有五氧化二砷二氧化硅乳胶前烘使二氧化硅乳胶形成掺有五氧化二砷二氧化硅乳胶源。将上述硅片在源。将上述硅片在10001100 高温炉内进行扩散，五高温炉内进行扩散，五氧化二砷分解成三氧化二砷和氧。三氧化二砷被硅还原为氧化二砷分解成三氧化二砷和氧。三氧化二砷被硅还原为砷，向硅中扩散。砷，向硅中扩散。第29页6-6 染色法显示染色法显示P-N 结结 扩散深度是很主要工艺参数，扩散深度是很主要工艺参数，P-N 结结深多用染色法测量。结结深多用染色法测量。先将硅片用一个特制磨角器磨成一个角度为先将硅片用一个特制磨角器磨成一个角度为(15）截斜面，放入显结溶液中，灯光照射截斜面，放入显结溶液中，灯光照射30 秒左右，因为秒左右，因为N 型硅较型硅较P 型硅易失电子，较易发生置换反应，所以在型硅易失电子，较易发生置换反应，所以在N 型硅型硅上有铜析出，或者说染上了铜。这时，在上有铜析出，或者说染上了铜。这时，在P-N 结边界处就结边界处就出现了一条显著分界限（时间不能过长，不然整块硅片都出现了一条显著分界限（时间不能过长，不然整块硅片都染上铜），然后用光学方法进行结深测量。染上铜），然后用光学方法进行结深测量。显结溶液配方显结溶液配方:硫酸铜硫酸铜CuSO45H2O 200克升、氢氟酸克升、氢氟酸 10 克升克升第30页
展开阅读全文
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490 
