形成浅结
掺杂区
掺杂区的类型：相同或相反 结深：硅片中p型杂质与n型杂质相遇的深度，用
Xj表示，深度等于结深的地方，电子与空穴的浓 度相等。
6.1 基本扩散工艺
掺入方式有：气相源；固相源；液相源，其中液态 源最常用。 使用液相源的磷扩散的化学反应如下：
4POCl3 3O2 2P2O5 6Cl2
具有高扩散率的杂质，如金、铜、容易利用间隙运动在硅的 晶格空隙中移动。
在一定的温度范围内，D可表示为
D
D0
exp(
Ea kT
)
D0--温度无穷大时的扩散系数； Ea--激活能; 对填隙模型，Ea是掺杂原子从一个间隙移动到至另一个间隙 所需的能量； 对替代模型，Ea是杂质原子移动所需能量和形成空位所需的 能量总和。 替代的Ea较扩散大
6.1.2 扩散分布
掺杂原子的扩散分布与起始条件和边界条件有关。
两种方式：
恒定表面浓度扩散：杂质原子由气相源传送到半导 体表面，然后扩散进入半导体硅晶片，在扩散期间， 气相源维持恒定的表面浓度；
有限源扩散：指一定量的杂质淀积在半导体表面， 接着扩散进入硅晶片内。这层杂质作为扩散源，不 再有新源补充。
杂质移动
杂质只有在成为硅晶格结构的一部分（即被 激活）后，才可以作为施主和受主。如果杂 质占据间隙位置，它就没有被激活，不会起 到杂质的作用。
加热能使杂质移动到正常的晶格上，被称为 晶格激活。激活发生在高温下，是扩散的一 部分。对于离子注入来说，晶格激活在退火 阶段完成。
横向扩散
光刻胶无法承受高温，扩散的掩膜是二氧化硅或 氮化硅。
热扩散中的横向扩散通常是纵向结深的75%-85%。
6.1.3 扩散层测量
扩散工艺的结构可由三种测量方式来评价：扩散层的结深、 薄层电阻与杂质分布。下图是在半导体内磨以凹槽并用溶液 腐蚀去除表面，溶液会使P区颜色暗，因而描绘出结深。
用磨槽和染色法测量结深
若R0是磨槽所用工具的半径，则可得结深：
x j R02 b2 R02 a2
C(x, t) s exp( x2 )
Dt
4Dt
此为高斯分布
在x＝0处表面浓度为：
Cs (t)
S
Dt
扩散原理
在集成电路工艺中，通常热扩散采用三个步骤： 预淀积、推进和激活 （顺序不能乱）
1、预淀积：在恒定表面浓度扩散条件下形成预淀积 层，温度低、时间短，扩散的浅，可以认为杂质淀 积在一薄层（掩蔽氧化层）内；以防止杂质原子从 硅中扩散出去。 预淀积阶段表面杂质浓度最高，并随着深度的加大 而减小。
(1)替代式扩散
替位原子的运动必须以其近邻处有ห้องสมุดไป่ตู้位存在为前提。
移动速度较慢的杂质，如半导体掺杂常用的砷、磷，通常 利用替代运动填充晶格中的空位。
(2)填隙式扩散
F D C x
扩散流密度F--单位时间内通过单位面积的杂质原子数； C--单位体积的杂质浓度； D--扩散系数或扩散率； 扩散驱动力是浓度梯度，杂质原子从高浓度区流向低浓度 区。
半导体制造工艺基础
扩散
本章重点
掺杂的目的； 掺杂的方法； 恒定源扩散； 有限源扩散；
什么是掺杂
掺杂：掺杂技术是在高温条件下，将杂质原子以一 定的可控量掺入到半导体中，以改变半导体硅片的 导电类型或表面杂质浓度。
形成PN结、电阻 磷(P)、砷(As) —— N型硅 硼(B) —— P型硅
恒定表面浓度扩散 不能全写公式 t为时间 t=0 掺杂浓度为0
t＝0时初始条件是 C(x, 0) 0
边界条件是 X=0浓度恒定，与时间无关
C(0,t) Cs C(,t) 0
起始条件：Cs是x＝0处的表面浓度，与时间无关。 边界条件：X＝∞，距离表面很远处无杂质原子。 符合起始与边界条件的扩散方程式的解是：
目的是为了控制杂质总量；预淀积现在普遍被离 子注入代替。
2. 推进：高温过程，使淀积的杂质穿过晶体，在 硅片中形成期望的结深。
此阶段并不向硅片中增加杂质，但是高温下形成的 氧化层会影响推进过程中杂质的扩散，这种由硅表 面氧化引起的杂质浓度改变成为再分布。
目的是为了控制表面浓度和扩散深度。
3. 激活：使温度稍微升高，此过程激活了杂质 原子。
（2）可以通过对扩散工艺条件的调节与选择，来控制扩散 层表面的杂质浓度及其杂质分布，以满足不同器件的要求。
（3）与氧化、光刻等技术相组合形成的硅平面工艺有利于改 善晶体管和集成电路的性能。
（4）重复性好，均匀性好，适合与大批量生产。
离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体 内，杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分 布主要由离子质量和注入能量决定。
如果R0远大于a和b，则
xj
a2 b2 2R0
结深xj是杂质浓度等于衬底浓度CB时所在的位置。
C(xj ) CB
如果结深和CB已知，则只要扩散分布遵从“两种分布”所推导的公式， 表面浓度Cs和杂质分布就能计算出来。
方块电阻（薄膜电阻）
在扩散薄层上取一任意边长的正方 形，该正方形沿电流方向所呈现的 电阻，叫方块电阻。
P2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。
2P2O5 5Si 4P 5SiO2
影响扩散参量的因素：POCl3的温度、扩散温度、时间、气 体流量。
石英管
硅晶片
电炉
排气口
N2
电炉
液态杂质源
O2
典型的开管扩散系统结构图
6.1.1 扩散方程式 半导体中的扩散可以视为在晶格中通过空位或填隙 原子形式进行的原子移动。
扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。 高温扩散：杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散到硅 片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质 分布主要是由高温与扩散时间来决定。
形成深结
扩散工艺的优越性：
（1）可以通过对温度、时间等工艺条件的准确调节，来控 制PN结面的深度和晶体管的基区宽度，并能获得均匀平坦 的结面。
C(x, t) Cserfc[ 2
x] Dt
erfc--余误差函数
Dt --扩散长度
图为余误差函数分布
扩散的时间越长杂质扩散的 越深
有限源扩散
t＝0时的初始条件C（x，0）＝0，边界条件是：说明表面浓度恒定，不
再有新元补充
0 C(x, t)dx S
C(, t) 0
S为单位面积掺杂总量。符合上述扩散方程的解为：