集成电路制造技术复习笔记：第五章

扩散

扩散机构

• 扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。
• 杂质在半导体中的扩散是由杂质浓度梯度或温度梯度（物体中两相的化学势不相等）引起的一种 使杂质浓度趋于均匀的定向运动 。
• 扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。
• 扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式，结果使其浓度趋于均匀。

填隙式扩散（Interstitial）

常见杂质：Na、K、Li、H、AR

替位式扩散（Substitutional）

常见杂质：As，Al，Ga，Sb，Ge

替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前题。

室温下，替位式扩散跳跃率约每10⁴⁵年一次。

B，P，一般作为替代式扩散杂质，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。

填隙-替位式扩散

• 许多杂质既可以是替位式也可以是间隙式溶于晶体的晶格中，并以间隙-替位式扩散，即所谓双扩散机制。
• 这类扩散杂质的跳跃率随空位和自填隙等缺陷的浓度增加而迅速增加。

常见杂质：大多为过渡元素，如Au、Fe、Cu、Pt

晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程

固体扩散的基本特点

• 固体中明显的质点扩散需要较高的温度，通常选在低于固体的熔点的前提下，扩散温度尽可能的高些。
• 晶体结构将以一定的对称性和周期性限制着质点每一步迁移的方向和自由行程。
• 浓度差、温度、粒子的直径、晶体结构和缺陷浓度及粒子的运动方式都是决定扩散运动的重要因素。

扩散系数

$D=D_0e^{-\frac{E_a}{kT}}$，$E_a$为激活能，$D_0$为表现扩散系数，定义为$D_0=a^2v_0$

杂质的扩散掺杂

扩散工艺是将具有电活性的杂质，在一定温度下，以一定速率扩散到衬底硅的特定位置，得到所需的掺杂浓度以及掺杂类型。

两种方式：恒定表面源扩散和限定表面源扩散

恒定表面源扩散

• 恒定表面源是指在扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终保持不变。
• 恒定表面源扩散指硅衬底一直处于杂质氛围中，硅片表面达到了该扩散温度的固溶度C_s。

延长扩散时间：

1. 表面杂质浓度不变；
2. 结深增加；
3. 扩入杂质总量增加；
4. 杂质浓度梯度减小。

限定表面源扩散

• 限定表面源扩散是在扩散过程中硅片外部无杂质的环境氛围下，杂质源限定于扩散前淀积在硅片表面极薄层内的杂质总量Q。扩散过程中Q为常量，依靠这些有限的杂质向硅片内进行的扩散。
• 目的是使杂质在硅中形成一定的分布或获得一定的结深。

两步扩散工艺

扩散工艺名称	优点	缺点
恒定表面源扩散	可控制扩散的杂质总量和结深	不能控制表面浓度
限定表面源扩散	可控制表面浓度和结深	不能任意调节杂质总量， 难以制作高表面浓度的浅结
两步法工艺扩散	可解决上述矛盾

两步工艺分为预淀积（预扩散）、 再分布（主扩散） 两步。

预淀积

预淀积是惰性气氛下的恒定源扩散，目的是在扩散窗口硅衬底表面薄层扩入总量一定的杂质

再分布

再分布是氧气氛或惰性气氛下的有限源扩散，将窗口杂质再进一步向片内扩散，目的是使杂质在硅中具有一定的表面浓度C_s、分布C(x)、且达到一定的结深x_j，有时还需生长氧化层。

• 预淀积（预扩散）：低温，短时，恒定表面源扩散—杂质扩散很浅，杂质数量可控
• 主扩散（再分布）：高温，扩散同时伴随氧化—控制表面浓度和扩散深度

热扩散工艺中影响杂质分布的其他因素

• 硅中点缺陷对杂质扩散的影响
• 氧化增强扩散(OED)
• 发射区推进效应
• 横向扩散效应
• 场助扩散效应

硅中点缺陷对杂质扩散的影响

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