淺談擴散工藝在半導體生產(chǎn)中的應用

作者/李如東，深圳方正微電子有限公司

淺談擴散工藝在半導體生產(chǎn)中的應用

作者/李如東，深圳方正微電子有限公司

擴散工藝是制作半導體的關鍵結構PN結的一種常用方法。本文在介紹了擴散的定義、擴散工藝在半導體生產(chǎn)過程中的作用原理和應用范圍的基礎上，從擴散工藝的工藝流程，擴散工藝在 PN 結形成中的作用，在半導體生產(chǎn)中擴散工藝方法以及擴散工藝的發(fā)展四個方面，探究了擴散工藝在半導體生產(chǎn)中的應用。

半導體；擴散工藝；PN 結；恒定源擴散；限定源擴散；擴散電阻；分凝效應

前言

針對國內(nèi)外半導體生產(chǎn)設備控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，確定以半導體生產(chǎn)企業(yè)的擴散/氧化控制系統(tǒng)為研究對象，并根據(jù)以往的基于工業(yè)控制計算機控制系統(tǒng)的特點和基于微機測控網(wǎng)絡或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點，從實際應用角度出發(fā)設計研制一種經(jīng)濟實惠、安全可靠、高性能的擴散/氧化系統(tǒng)勢在必行。

1. 擴散工藝與半導體

1.1 什么是擴散

擴散是分子運動或渦旋運動所造成的，由一種保守屬性或者物質(zhì)逐漸向四周擴散和蔓延，物質(zhì)的微粒由高濃度向低濃度的方向轉移，直至物質(zhì)在氣相、液相、固相或者三種狀態(tài)之間達到均勻的物理現(xiàn)象。

1.2 擴散在半導體中的作用原理和應用范圍

電子晶體學認為擴散是物質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點運動的基本方式，當物質(zhì)所處環(huán)境的溫度在絕對零度之上時，所有物質(zhì)內(nèi)部的質(zhì)點都在不斷的做熱運動。當物質(zhì)內(nèi)的某些物理性質(zhì)，如濃度、密度、化學位和應力等存在梯度時，因為熱運動的存在，質(zhì)點將出現(xiàn)定點遷移的現(xiàn)象，這個過程就是擴散，在宏觀上我們看到的就是物質(zhì)的定向移動。在半導體中，P型半導體摻有受主雜質(zhì)，N型半導體摻有施主雜質(zhì)，PN結即P型和N型半導體交界面附近的過渡區(qū)域。根據(jù)材料的不同，PN結分為兩種，同質(zhì)結和異質(zhì)結，其中同質(zhì)結指由同一種半導體材料做成的PN結，異質(zhì)結則是由禁帶寬度不同的半導體材料做成的PN結。制造PN結的方法很多，包括合金法、擴散法和外延生長法等，其中擴散工藝是國內(nèi)比較通用的工藝。

2. 擴散工藝在半導體生產(chǎn)中的應用

2.1 恒定源擴散方法及實驗

在恒定源擴散過程中，硅片表面與濃度始終不變的雜質(zhì)（氣體或固體）相接觸，即在整個擴散過程中硅片表面濃度不變，但與擴散雜質(zhì)的種類、雜質(zhì)在硅中的固溶度和擴散溫度有關。硅片內(nèi)部的雜質(zhì)濃度隨時間的增加而增加，隨硅片表面距離的增加而減少。如圖1及表1所示，硼固態(tài)源1055℃擴散，隨時間增加，結深逐漸變深，擴散單位方阻減小；如圖2及表2所示，磷烷氣態(tài)源900℃擴散，隨時間增加，結深逐漸變深，擴散單位方阻減小。

表1 硼固態(tài)源摻雜擴散時間與阻值及結深關系

圖1 硼固態(tài)源摻雜擴散時間與阻值及結深關系

表2 磷擴散時間與阻值及結深關系

圖2 磷擴散時間與阻值及結深的關系

2.2 限定源擴散方法及實驗

在限定源擴散過程中，硅片內(nèi)的雜質(zhì)總量保持不變，沒有外來雜質(zhì)的補充，只依靠淀積在硅片表面上的那一層數(shù)量有限的雜質(zhì)原子，向硅片體內(nèi)繼續(xù)進行擴散，在擴散溫度恒定時，隨擴散時間的增加，硅片表面的雜質(zhì)濃度將不斷地下降。在半導體制造工藝中，離子注入與后驅(qū)入的結合等同于限定源擴散過程。

如表3及圖3所示，As 80Kev 劑量5.0E15ion/cm2注入, 950℃后驅(qū)入,在一段時間內(nèi),隨注入離子的激活,阻值隨時間增加而降低，超過60分鐘左右后，隨擴散時間的增加，硅片表面的雜質(zhì)濃度將不斷地下降，阻值不斷變大。

表3 80Kev5.0E15As+注入后驅(qū)入時間與阻值及結深關系

圖3 80Kev 5.0E15 As+注入后驅(qū)入時間與阻值及結深關系

同樣結果，如表4及圖4所示，BF2 80Kev 劑量4.5E15ion/cm2注入，950℃后驅(qū)入,在一段時間內(nèi),隨注入離子的激活,阻值隨時間增加而降低，超過61分鐘左右后，隨擴散時間的增加，硅片表面的雜質(zhì)濃度將不斷地下降，阻值不斷變大。

表四80Kev4.5E15BF2+注入后驅(qū)入時間與阻值及結深關系

圖4 80Kev 4.5E15 BF2+注入后驅(qū)入時間與阻值及結深關系

2.3 改善擴散阻值均勻性的工藝方法

在半導體集成電路制造中，使用RC振蕩電路時，一般會直接選擇P井擴散電阻作為振蕩電路中的電阻，因產(chǎn)品頻率的要求，對P井擴散電阻的均勻性要求很高。

傳統(tǒng)后驅(qū)入擴散工藝，在井區(qū)注入后，井區(qū)后驅(qū)入與氧化同時做，這樣雖然工藝相對簡單，但由于高溫氧化產(chǎn)生雜質(zhì)分凝效應，引起雜質(zhì)分布不均勻，造成片內(nèi)擴散電阻不均勻；

優(yōu)化后驅(qū)入擴散工藝，在井區(qū)注入后，使用LPCVD，利用TEOS熱分解淀積5000埃SiO2，井區(qū)后驅(qū)入采用N2和小O2（流量300ml/min—500ml/min）高溫驅(qū)入，由于在高溫驅(qū)入中不做氧化，故不產(chǎn)生雜質(zhì)的分凝效應，提高了雜質(zhì)分布的均勻性。

優(yōu)化后驅(qū)入擴散工藝由于不存在高溫氧化分凝效應，在P井方阻要求相同的條件下，注入劑量要比傳統(tǒng)工藝要求的注入劑量小。傳統(tǒng)與優(yōu)化后驅(qū)入擴散工藝，擴散電阻對比，優(yōu)化工藝方阻均勻性提高了4.51%～4.85%。

2.4 半導體生產(chǎn)中擴散工藝的發(fā)展

當然，擴散工藝也存在一些缺陷，如高溫擴散時間長、生產(chǎn)周期長、所需溫度高等，而且在這些缺陷的影響下，導致半導體的成品率低，質(zhì)量和產(chǎn)量都不高。因此，相關人員也在積極的探究可行的解決方案，其中微波和離子注入其中的兩個發(fā)展方向。

3. 結論

擴散工藝是生產(chǎn)半導體的一種常用方法，本文主要探討了擴散工藝的工藝流程、擴散工藝在 PN 結形成中的應用、在半導體生產(chǎn)中擴散工藝方法及實驗、改善擴散電阻的方法和擴散工藝的發(fā)展方向。半導體的導電特性使其在消費類電子產(chǎn)品、工業(yè)儀表控制等很多領域占據(jù)著重要的應用地位，在未來的很長時間內(nèi)還會發(fā)揮不可替代的作用，在半導體的生產(chǎn)過程中，雖然擴散工藝存在著一些問題和不足，但是隨著制造工藝的發(fā)展，擴散工藝的缺陷將逐漸被克服，在不斷的完善過程中繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。

＊ [1] 陳麗琴.PN 結形成的物理過程分析[J].包頭職業(yè)技術學院學報，20015（4）.

＊ [2]凌筱清.淺析雜質(zhì)擴散原理[J].讀與寫，2014（12）.

＊ [3]周麗紅.張開.基于 Modbus的半導體擴散/氧化工藝控制系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2015.

＊ [4] Michael Quirk，Julian Serda著，韓鄭生等譯.半導體制造技術[M]