晶闸管扩散工艺

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1、硅扩散工艺,结构特点：,普通晶闸管结构,四层三结 三端电极 n1基区较厚 p1、p2区对称,制作工艺扩散工艺,掺杂,掺杂是将所需要的杂质，以一定的方式加入到半导体晶片内，并使其在晶 片中的数量和分布符合预定的要求，改变材料的导电能力。 用途：利用掺杂技术可以制作PN结、欧姆接触区等 掺杂技术主要有： 1. 热扩散工艺：利用杂质在高温(800 ) 下由高浓度区向低浓度区的扩散来进行硅的掺杂。 2. 离子注入：将杂质转换为高能离子的形式，直接注入进硅， 将杂质转换为高能离子的形式，直接注入到硅体内。 3. 合金法 4. 中子嬗变法,杂质,n 型，如P、As、Sb等；,p 型，如B、Al 、Ga等。

2、,常规的扩散系统与扩散工艺,扩散系统,气态源扩散系统,液态源扩散系统,固态源扩散系统,扩散系统,1、气态源扩散 气态杂质首先在硅片表面进行化学反应，生成掺杂氧化层，杂质再 由氧化层向硅中扩散。 气态杂质源：B2H6 / PH3 / AsH3 运载/ 稀释气体：氮气(N2)、氩气(Ar2) 反应所需气体：氧气(O2),2、液态源扩散 气体通过源瓶把杂质源 (化合物)蒸汽带入扩散管内。在高温下 杂质化合物先分解产生杂质的氧化物，氧化物再与硅反应扩散。 液态源：POCl3 , BBr3 , AsCl3 ,B(CH3O)3 , B(CH3CH2CH2O)2,扩散系统,3、固态源扩散 固态杂质源：P2O

3、5; As2O3; BN; Al/Ga 运载/ 稀释气体：氮气(N2); 氩气(Ar2) 固态源为杂质氧化物或其他化合物。,以杂质化合物的形式进行扩散的方式要采用辅助方式解决化合物高温分解后对硅片产生的不良影响,固体中的热扩散现象,1、扩散机构：间隙式扩散和替位式扩散,2. 扩散现象的本质 粒子流密度: 在单位时间内通过单位面积的粒子个数(1/cm2s) 流密度由浓度差引起的扩散运动,固体中的热扩散现象,微观上，每个杂质粒子 (如获得能量)总是向临近的位置跳跃,扩散就是大量粒子作无规则热运动的统计结果； 宏观上，大量粒子在一定条件下 (如浓度差)总是由其浓度高的地方往浓度低的地方迁移。,3.

4、扩散系数 物理含义 ：表示粒子扩散快慢的物理量。,决定 因素,Ea ：扩散所需的激活能，表示跃迁的难易，决定了扩散的快慢,T ：温度,D： D称为频率因子或表观扩散系数,影响因素 ：场助效应、荷电空位效应、杂质浓度等,lnD1/T的关系,扩散主要参数,1) 表面处浓度及次表面浓度 表面浓度是扩散层表面的杂质浓度 次表面浓度是硅片几何表面内某一地方的杂质浓度 这两个杂质浓度可以通过计算平均电导率， 查依尔芬曲线得到 2) 杂质剂量Q0 Q0指扩入单位面积硅中的杂质总数(cm-2)， 3) 方块电阻R( 薄层电阻RS ) 对正方形扩散层,长和宽分别为一个单位长度，结深为xj的扩散层电阻,与扩散入硅

5、中的杂质总量Q成反比,扩散主要参数,4) 结深xj 若扩散杂质与本底杂质导电类型相反，则在C(x)等于衬底杂质浓度（CB）处就形成结，它到表面的距离即为结深。 扩散时间估算方式,（a）结深变化,(b)电阻率变化,(c)温度变化,杂质分布及其与实际扩散行为的差异,杂质浓度分布因杂质的扩散方式不同而不同。在微电 子器件制造中的扩散主要有以下几种方式： 1. 恒定表面源扩散：在扩散过程中，硅片表面的杂质浓度C始终保持不变。 2. 有限表面源扩散：在扩散过程中，杂质源仅限于扩散前淀积到表面薄层内的杂质，这些杂质将全部扩入硅片内部。 3. 两步扩散：第一步采用恒定表面源扩散方式，第二步采用有限表面源扩散

6、方式。 4. 固-固扩散,恒定表面源扩散,扩散后杂质浓度分布 为余误差函数分布,特点： 其表面浓度等于在该扩散温度下杂质在半导体中的固溶度,是T的函数；在温度的不断增加中有一个峰值； 固溶度是指在一定温度下杂质能溶入固体中的最大浓度；温度不变时， 整个扩散过程中, Cs 保持不变， Q0随t不断增加，结深不断加深； 缺点： 采用固态源和液态源预淀积时， Q0大易产生杂质沉积和缺陷； 杂质的表面浓度Cs保持不变，不能满足实际需要。,工艺举例：真空闭管扩散、预沉积扩散、涂层扩散等,有限表面源扩散,有限表面源扩散在硅片内形成的杂质分布为高斯分布。 杂质浓度梯度随时间或温度的增加而减小( 曲线变缓),

7、两步扩散,第一步：采用恒定表面源扩散方式，在硅片表面淀积一定数量的杂 质原子，称预扩散或预沉积。 特征：温度较低，时间较短。 第二步：采用有限表面源扩散方式，把淀积好的硅片放入较高温的 炉中推进，使表面浓度和结深达到要求为止。称再分布或 主扩散、推进。 特征：温度较高，时间较长。 能很好地解决Cs 、xj 与扩散温度、时间之间的矛盾。可以控制表面浓度和结深。（较高Cs 、较深xj）,固- 固扩散：,低温下利用CVD 技术或胶体涂布的方法，在硅片表面淀积一层含有一定杂质浓度的固体薄膜，然后以此为掺杂剂，在高温下进行扩散，从而达到掺杂的目的。 只要适当地调节氧化层中的杂质浓度，通过一次扩散就可以获

8、得任意低的表面杂质浓度,克服了两步扩散的缺点。,理论分布与实际分布的差异,实际扩散是比较复杂的，不一定严格遵守某种形式的扩散，但往往是比较接近于某种分布，因此，可在足够精确的程度上采用某种分布来近似分析。同时，由于扩散模型本身作了理想化的假设，并忽略了实际扩散过程中的各种效应。因此，实际分布通常偏离理论分布。 1 、模型的偏离模型的假设 2 、场助效应内建电场的作用 3 、荷电空位效应缺陷对杂质扩散的影响 4 、陷落效应杂质的相互作用 5 、氧化对扩散的影响氧化增强扩散和杂质分凝 6 、横向扩散/或二维扩散扩散窗口的理想化,理论分布与实际分布的差异,1、预沉积过程中，基片在刚开始时是没有杂质的

9、，即: 当t=0 t0 时, C(t,0)由0Cs有一个建立的过程，而理论上是保持不变的 2、对实际氧化气氛下的有限源扩散，由于Si 表面存在杂质的浓度梯度及杂质的分凝，所以杂质浓度分布并不完全满足高斯分布。,理论分布与实际分布的差异,场助效应*：在高温下，杂质原子处于离化状态，离化出来的载流子与失去载流子的杂质离子都向浓度低的方向扩散。由于载流子的运动速度一般比杂质快，结果在两者之间就建立起局部内建电场，该电场抑制载流子扩散，促进杂质离子扩散，总效果是加强了杂质向晶片内部的扩散。,理论分布与实际分布的差异,荷电空位效应 硅中的替位式杂质( 如B 、P、As、Sb等) 借助于空位而扩散，这些电

10、活性杂质进入硅中会使空位被激活而带电（如中性空位获得电子后带负电，起受主作用），这些带电空位会与杂质相互作用，导致杂质扩散加强。 除了场助效应、荷电空位效应对扩散系数的影响外，凡是能引起自由载流子( n,p) 和本征载流子浓度( ni ) 发生变化的因素，如杂质浓度、应力效应，结团效应、缺陷等都会影响到扩散系数，从而影响杂质分布。 发射极的陷落效应 发射区高浓度扩散时，基区杂质的继续扩散受到发射区杂质的影响，使发射区正下方的集电结发生陷落的现象。 陷落效应形成原因： 磷扩散时产生了大量的过剩的间隙硅原子，它与B 原子相互作用，增强了B 扩散。 磷与硅中的空位相互作用，形成杂质-空位(P+V=)

11、对。P+V=对分解时提供的空位，能扩散到相当远处，在增强P 扩散同时，也增强B 扩散。,理论分布与实际分布的差异,硼：氧化层下方硼扩散结深增加氧化增强扩散 杂质B通过双扩散机制( 即空位- 间隙)两种方式进行扩散；在硅-二氧化硅界面存在过剩的间隙硅原子，间隙硅与替位硼杂质相互作用，使得B 以替位-间隙交替方式运动，其扩散速度比单纯的替位-替位要快。磷与硼相似 横向扩散指靠近窗口边缘的区域，除了垂直于表面的扩散作用外，还有平行于表面的扩散（属于二维扩散）。考虑横向扩散后，必须求解二维的（D 为常系数）扩散方程。所以，应采用二维情况来描述杂质浓度分布。 横向扩散模型(假设) ： . 扩散窗口是理想

12、的：边缘陡直，且杂质只能 由裸露的窗口扩入硅中，窗口形状是长条状宽 矩形(即Wdxj) ； . 扩散系数D 与杂质浓度C无关。,理论分布与实际分布的差异,两种典型扩散的杂质分布及主要参数,两步扩散的杂质分布及主要参数,常见扩散质量问题分析,1、表面合金点： 在显微镜下观察，前者是一些黑色的小圆点由于有过多的杂质原子堆积在一起与硅片生成合金点，是一种玻璃体结构。形成表面合金点的主要原因是表面浓度过高。 A、 合金点引起加速扩散而导致结面不平整，使PN结低击穿或“分段击穿” B、由于合金点处不容易生长氧化膜而形成氧化层针孔 通常是由下述原因引起的。 （1）预扩时携带源的气体流量过大。如预扩时源的浓

13、度过高，液态源通的气体流量过大或在通气时发生气体流量过冲。 （2）源温度过高，使扩散源的蒸汽压过大。 （3）源的纯度不高，含有杂质或水分。 （4）预扩时扩散温度过高，时间太长。 为了改善高浓度扩散的表面，常在浓度较高的预扩气氛中加一点氯气，防止合金点产生。,常见扩散质量问题分析,2、表面黑点或白雾 一般在显微镜下观察是密布的小黑点，在聚光灯下看是或浓或淡的白雾。这种现象大多发生在液态源磷扩散。因为磷扩散时杂质浓度过高及石英管中存在偏磷酸，在扩散时会有大量烟雾喷射到硅片表面，在快速冷却过程中，就产生了白雾。这些白雾使得光刻胶和硅片粘附不好，同样会产生浮胶或钻蚀现象。解决的办法是控制好扩散温度，不

14、要扩散的太浓，冷却时要慢。因此源瓶温度很重要，另通氧气量直接影响偏磷酸量，需关注。 另外产生的原因主要还有有以下几种： （1）硅片表面清晰不良，有残留的酸性水汽。 （2）纯水或化学试剂过滤孔径过大，使纯水或化学试剂中含有大量的悬浮小颗粒（肉眼观察不出）。 （3）预扩气体中含有水分。 （4）扩散N2中含有水分。 （5）硅片在扩散前暴露在空气中时间过长，表面吸附酸性气体。,常见扩散质量问题分析,3、表面凸起物 主要是由较大粒径的颗粒污染经过高温处理后形成的。如灰尘、头屑、纤维等落在硅片表面；或石英管内的粉尘、硅屑等在进、出溅到硅片表面。表面凸起物一般在日光灯下用肉眼可以看到。 4、表面氧化层颜色不

15、一致 通常是预扩时氧化层厚度不均匀，有时也可能是扩散时气体管路泄露引起气流紊乱或气体含有杂质，使扩散过程中生长的氧化层不均匀，造成氧化层表面发花。,常见扩散质量问题分析,5、硅片表面滑移线或硅片弯曲 这是由硅片在高温下的热效应引起的。一般是由于进、出舟速度过快，硅片间隔太小或石英舟开槽不合适等引起的。 6、硅片表面划伤、边缘缺损或硅片开裂 通常是由于操作不当造成的，也有石英舟制作不良的因素，放片子的槽不在同一平面上或槽开得太窄、卡片子等。,7、薄层电阻偏差： a扩散炉温失控或不稳定。 b预扩时气体流量不稳定或温度不稳定。 c预扩或在扩散时气体管路泄露或气体含有杂质。 d光刻腐蚀后有残留氧化膜或

16、在清洗过程中产生较厚的自然氧化膜阻碍了杂质扩散。 e扩散过程中设备的故障、误动作或操作人员的操作不当。,常见扩散质量问题分析,8、漏电流大 a. 表面沾污（主要是重金属离子和碱金属离子）引起的表面漏电。 bSi-SiO2界面的正电荷，如钠离子、氧空位及截面态等引起的表面沟道效应，在P型区形成反型层或耗尽层，造成漏电流偏大。 c氧化层缺陷（如针孔等）破坏了氧化层在杂质扩散时的掩蔽作用 d硅片的缺陷引起杂质扩散时产生管道穿通击穿。 e隔离扩散深度和浓度不够造成隔离岛间漏电流大（严重时穿通）。 f基区扩散前有残留氧化膜或基区扩散浓度偏低，在扩散后表现为基区宽度小，反向击穿电压低，漏电流大。,常见扩散质量问题分析,9、扩散的均匀性和重复性 在实际生产中经常发现同一炉扩散出来的硅片其薄层电阻相差特大，特别是在低浓度扩散时更为明显，这就是扩散的均匀性问题。 当用同样的条件进行扩散时，发现各次扩散的结果有差异，这就是扩散的重复性问题。 1、不均匀主要原因 a