浅谈扩散工艺在半导体生产中的应用

作者/李如东，深圳方正微电子有限公司

浅谈扩散工艺在半导体生产中的应用

作者/李如东，深圳方正微电子有限公司

扩散工艺是制作半导体的关键结构PN结的一种常用方法。本文在介绍了扩散的定义、扩散工艺在半导体生产过程中的作用原理和应用范围的基础上，从扩散工艺的工艺流程，扩散工艺在 PN 结形成中的作用，在半导体生产中扩散工艺方法以及扩散工艺的发展四个方面，探究了扩散工艺在半导体生产中的应用。

半导体；扩散工艺；PN 结；恒定源扩散；限定源扩散；扩散电阻；分凝效应

前言

针对国内外半导体生产设备控制系统的现状，确定以半导体生产企业的扩散/氧化控制系统为研究对象，并根据以往的基于工业控制计算机控制系统的特点和基于微机测控网络或现场总线控制系统的特点，从实际应用角度出发设计研制一种经济实惠、安全可靠、高性能的扩散/氧化系统势在必行。

1. 扩散工艺与半导体

1.1 什么是扩散

扩散是分子运动或涡旋运动所造成的，由一种保守属性或者物质逐渐向四周扩散和蔓延，物质的微粒由高浓度向低浓度的方向转移，直至物质在气相、液相、固相或者三种状态之间达到均匀的物理现象。

1.2 扩散在半导体中的作用原理和应用范围

电子晶体学认为扩散是物质内部质点运动的基本方式，当物质所处环境的温度在绝对零度之上时，所有物质内部的质点都在不断的做热运动。当物质内的某些物理性质，如浓度、密度、化学位和应力等存在梯度时，因为热运动的存在，质点将出现定点迁移的现象，这个过程就是扩散，在宏观上我们看到的就是物质的定向移动。在半导体中，P型半导体掺有受主杂质，N型半导体掺有施主杂质，PN结即P型和N型半导体交界面附近的过渡区域。根据材料的不同，PN结分为两种，同质结和异质结，其中同质结指由同一种半导体材料做成的PN结，异质结则是由禁带宽度不同的半导体材料做成的PN结。制造PN结的方法很多，包括合金法、扩散法和外延生长法等，其中扩散工艺是国内比较通用的工艺。

2. 扩散工艺在半导体生产中的应用

2.1 恒定源扩散方法及实验

在恒定源扩散过程中，硅片表面与浓度始终不变的杂质（气体或固体）相接触，即在整个扩散过程中硅片表面浓度不变，但与扩散杂质的种类、杂质在硅中的固溶度和扩散温度有关。硅片内部的杂质浓度随时间的增加而增加，随硅片表面距离的增加而减少。如图1及表1所示，硼固态源1055℃扩散，随时间增加，结深逐渐变深，扩散单位方阻减小；如图2及表2所示，磷烷气态源900℃扩散，随时间增加，结深逐渐变深，扩散单位方阻减小。

表1 硼固态源掺杂扩散时间与阻值及结深关系

图1 硼固态源掺杂扩散时间与阻值及结深关系

表2 磷扩散时间与阻值及结深关系

图2 磷扩散时间与阻值及结深的关系

2.2 限定源扩散方法及实验

在限定源扩散过程中，硅片内的杂质总量保持不变，没有外来杂质的补充，只依靠淀积在硅片表面上的那一层数量有限的杂质原子，向硅片体内继续进行扩散，在扩散温度恒定时，随扩散时间的增加，硅片表面的杂质浓度将不断地下降。在半导体制造工艺中，离子注入与后驱入的结合等同于限定源扩散过程。

如表3及图3所示，As 80Kev 剂量5.0E15ion/cm2注入, 950℃后驱入,在一段时间内,随注入离子的激活,阻值随时间增加而降低，超过60分钟左右后，随扩散时间的增加，硅片表面的杂质浓度将不断地下降，阻值不断变大。

表3 80Kev5.0E15As+注入后驱入时间与阻值及结深关系

图3 80Kev 5.0E15 As+注入后驱入时间与阻值及结深关系

同样结果，如表4及图4所示，BF2 80Kev 剂量4.5E15ion/cm2注入，950℃后驱入,在一段时间内,随注入离子的激活,阻值随时间增加而降低，超过61分钟左右后，随扩散时间的增加，硅片表面的杂质浓度将不断地下降，阻值不断变大。

表四80Kev4.5E15BF2+注入后驱入时间与阻值及结深关系

图4 80Kev 4.5E15 BF2+注入后驱入时间与阻值及结深关系

2.3 改善扩散阻值均匀性的工艺方法

在半导体集成电路制造中，使用RC振荡电路时，一般会直接选择P井扩散电阻作为振荡电路中的电阻，因产品频率的要求，对P井扩散电阻的均匀性要求很高。

传统后驱入扩散工艺，在井区注入后，井区后驱入与氧化同时做，这样虽然工艺相对简单，但由于高温氧化产生杂质分凝效应，引起杂质分布不均匀，造成片内扩散电阻不均匀；

优化后驱入扩散工艺，在井区注入后，使用LPCVD，利用TEOS热分解淀积5000埃SiO2，井区后驱入采用N2和小O2（流量300ml/min—500ml/min）高温驱入，由于在高温驱入中不做氧化，故不产生杂质的分凝效应，提高了杂质分布的均匀性。

优化后驱入扩散工艺由于不存在高温氧化分凝效应，在P井方阻要求相同的条件下，注入剂量要比传统工艺要求的注入剂量小。传统与优化后驱入扩散工艺，扩散电阻对比，优化工艺方阻均匀性提高了4.51%～4.85%。

2.4 半导体生产中扩散工艺的发展

当然，扩散工艺也存在一些缺陷，如高温扩散时间长、生产周期长、所需温度高等，而且在这些缺陷的影响下，导致半导体的成品率低，质量和产量都不高。因此，相关人员也在积极的探究可行的解决方案，其中微波和离子注入其中的两个发展方向。

3. 结论

扩散工艺是生产半导体的一种常用方法，本文主要探讨了扩散工艺的工艺流程、扩散工艺在 PN 结形成中的应用、在半导体生产中扩散工艺方法及实验、改善扩散电阻的方法和扩散工艺的发展方向。半导体的导电特性使其在消费类电子产品、工业仪表控制等很多领域占据着重要的应用地位，在未来的很长时间内还会发挥不可替代的作用，在半导体的生产过程中，虽然扩散工艺存在着一些问题和不足，但是随着制造工艺的发展，扩散工艺的缺陷将逐渐被克服，在不断的完善过程中继续发挥重要的作用。

＊ [1] 陈丽琴.PN 结形成的物理过程分析[J].包头职业技术学院学报，20015（4）.

＊ [2]凌筱清.浅析杂质扩散原理[J].读与写，2014（12）.

＊ [3]周丽红.张开.基于 Modbus的半导体扩散/氧化工艺控制系统[J].仪表技术与传感器，2015.

＊ [4] Michael Quirk，Julian Serda著，韩郑生等译.半导体制造技术[M]