概述
扩散是微电子工艺中最基本的工艺之一，是 在约1000℃的高温、p型或n型杂质气氛中， 使杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到 一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一 种工艺方法，也称为热扩散。 目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体 导电类型，电阻率，或形成PN结。
扩散工艺在IC制造中的主要用途
0

2

C S Dt
预淀积
假设预淀积扩散的扩散系数为D1,扩散时间t1为, 上式改为：
QT t C ( z, t )dz
0

2

C S D1t1
（4）计算两步扩散法的杂质分布
b) 有限表面源扩散（推进扩散） 初始条件，边界条件：
C( z,0) z 0 0 0

C ( z,0)dz Q0
间隙-替位式扩散
杂质原子被从晶 格位置“踢出”
(Kick-out)
A+I
Ai 有两种机制可能使这 些杂质回到晶格位置 。一种填隙杂质被一 个空位俘获。另一种 是杂质原子取代一个 硅原子的晶格位置。
AV
1.2杂质扩散系数与扩散方程
1) 菲克第一定律 2) －如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯
度 C x，则杂质将会产生扩散运动，而且杂质的扩 散方向是使得杂质浓度梯度减小。 菲克第一定律：杂质的扩散流密度J正比于杂质浓度 梯度 C x ，比例系数D定义为杂质在基体中的扩散 系数。表达式为:
（2）恒定杂质总量扩散
在硅片的扩散过程中，硅片内的杂质总量保持不变，没有
外来杂质补充，仅限于扩散前积累在硅片表面无限薄层内 的有限数量的杂质，向硅片体内扩散，又称“限定源”或 “再分布”。 ﹡假设扩散开始时杂质总量Q0均匀分布在厚度为h的一 个薄层内，不考虑硅片衬底杂质浓度的条件下：

研究杂质在硅中的扩散运动规律目的何在呢？ 开发合适的扩散工艺，预测和控制杂质浓度分布。 研究IC制造过程中其它工艺步骤引入的扩散过程对杂质 分布和器件电特性的影响。
1.1扩散的微观机制
间隙式杂质：存在与晶格间隙的杂质
替位式杂质：占据晶格位置的外来原子称为替位杂质。
(1) 间隙式扩散（interstitial）
J2
A
讨论晶体中杂质浓度与扩散时间的关系 在均匀横截面A的长条材料上，取长度为dx的一小段， J1 是流入这一段体积的流量，J2 是流出这一段体积 的流量,流出该段体积的流量差为：
J 2 J1
如果J2 ≠ J1 ，说明在这一小段体积中扩散物质的浓度发生了 变化，在这一体积元内杂质的数量为浓度和微分体积元（A· dx ）的乘积，因此连续性方程可以表示为：
C J Adx A( J 2 J 1 ) Adx t x
或者：
dx
C x, t J t x
J1
J2
A

上式可以写为：
C ( x, t ) J ( x, t ) t x

代入菲克第一定律(3.1)得菲克第二定律：
C x, t D C ( x, t ) x t x
晶体管的基区、发射区 双极器件的扩散电阻 在MOS制造中形成源和漏 互连引线 多晶硅掺杂 太阳能电池
杂质扩散机构
扩散运动：物质的随机热运动，趋向于降低其浓度梯度； 即存在一个从高浓度区向低浓度区的净移动。
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。
片状源扩散优点：方便、重复性好、生产效率高。也称开管扩散。 间距：2-4mm。并通入保护气体，作用：既可防止大气反向扩散到石英 管内造成污染，并能改善扩散结果的波动性。 BN Si BN Si BN Si
扩散炉同氧化炉基本一样，英文中都用 “furnace”这个词。差别是扩散系统的携带 气体采用N2和Ar，并有扩散源。而氧化系统主 要是O2 、N2 、H2 等气体。 从杂质源组成来看，分为单质元素、化合物 和混合物等形式。 从杂质在常温下所处的状态，分为固态源扩 散、液态源扩散和气态源扩散。
时间越长，扩散深度越深，表面 浓度不变前式对 x 积分，就可以 得到扩散杂质剂量随时间变化的 关系：
Cs
t3>t2>t1 C(x,t) t1 t2 t3
CB
0
xj1 xj2 xj3
x
Q C ( x, t )dx
0

2

CS Dt
(3.4)
——扩散入硅片单位表面的杂质总量
如果衬底杂质浓度为CB，扩散杂质与衬底 杂质反型，计算扩散形成的PN结结深：
(2) 替位式扩散（substitutional）
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
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
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 体的晶格中，并以间隙-替位式扩散。 这类扩散杂质的跳跃率随空位和自间隙等缺陷的 浓度增加而迅速增加。
z

4 D2t 2
, t2 0
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 D1t1 D2t 2 时，两步扩散中 的推进扩散边界条件才成立。 b) 上述公式只考虑一维扩散方程的解，对于有掩蔽窗 口的扩散，在窗口边缘需要考虑二维或三维扩散方 程的解。
(3.2)
——费克第二定律最通用的表达式。
假设D和位置无关（杂质浓度很低时,可认为扩散系数与 浓度无关，D为常数) ，式3.2可以简化为：
C ( x, t ) 2 C x, t D t x 2
(3.3)
因为沿硅片深度方向的扩散是主要的关注之一，所以也 可把位置变量用沿着硅圆片深度方向(Z)取代，上式可改
由于
C ( x j , t ) CB

C(z)
Cs
可得结深
1 C B x j 2 Dterfc C s
CB t1 0 t2 >t1 Z
恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布，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 。
C (, t ) 0
扩散后的杂质分布： C


0
C ( z, t )dz QT
2Cs D1t1


推进扩散

z
2
z, t
Cs
Dt
D1t1 e D2 t 2
QT
e
4 Dt
t>0
2
假设推进扩散的扩散系数为D2,扩散时间t2为, 上式改为：
C z , t1 , t 2 2
3)
C ( x, t ) J D x
(3.1)
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的扩散流密度。
3) 菲克第二定律
dx
J1
①杂质的分布 ②表面浓度 ③结深 ④掺入杂质总量
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 满足上述初始条件和边界条件的式（3.2）的解为

x 式中：Cs—恒定表面浓度 C x, t C s erfc D—扩散系数 2 Dt
Dt —特征扩散长度 erfc 是余误差函数，x为距离坐标
恒定表面源扩散杂质浓度分布图
在实际工艺中，Cs的值一般都是杂质 在硅中的固溶度。 固溶度：平衡态下，杂质可溶于半导 体材料中的最高浓度，与温度有关。
（4）计算两步扩散法的杂质分布
a) 预淀积扩散 初始条件：C(z,0)=0 边界条件：C(0,t)=Cs，以及： C(∞,t)=0，扩散后的杂质分布：
预淀积
z C ( z, t ) C S erfc 2 D t 扩散后的杂质总量：
Q C ( z, t )dz
由于
C ( x j , t ) CB
CS x j 2 ln C B
1 2
可得结深
Dt
2
xj Q CB C ( x j , t ) exp( ) 4D t D t
（3）两步扩散法
在实际工艺中，往往用“预淀积”+“再分布”的两步扩散 法。 第一步：在较低的温度下进行短时间的恒定表面源扩散， 扩散深度很浅，目的是控制进入硅片的杂质总量，称“预 淀积）； 第二步：以预扩散杂质分布作为掺杂源，高温下进行有限 表面源的推进扩散，使杂质向硅片内部推进，重新分布， 通过控制扩散温度和时间以获得预期的表面浓度和结深 （分布），又称“再分布”、主扩散。 作用：较好地解决了表面浓度、结深与扩散温度、时间之 间的矛盾。
3、扩散工艺和扩散设备
3.1固态源扩散
扩散方式
片状源扩散 开管扩散 箱式扩散 涂源扩散
铂源舟 石英舟和硅片
接排风
阀和流量计 载 气 石英管
固态源
陶瓷片或粉体： BN、B2O3、 Sb2O5、P2O5等
开管固态源扩散 系统
片状源扩散: ——将固体扩散源做成与晶片一样大小的园片，与硅片 相间地插在石英舟上，在一定温度下扩散。也分预淀积和 再分布两步。目前最常用的是BN、硼微晶玻璃(后者不需活 化)常用片状源扩散。