晶圓工藝中的擴(kuò)散過(guò)程詳解

老虎說(shuō)芯|Tiger Chip|

2024-10-11 10:17:17 654

擴(kuò)散（Diffusion）是晶圓制造過(guò)程中至關(guān)重要的工藝步驟之一，尤其是在半導(dǎo)體制造中，用于摻雜硅基材料。這一過(guò)程是通過(guò)擴(kuò)散將特定的摻雜物（如磷、硼、砷等）引入硅晶圓，以調(diào)整其導(dǎo)電性。

1. 擴(kuò)散的基本原理

擴(kuò)散，是指分子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域移動(dòng)的過(guò)程。在晶圓制造中，擴(kuò)散的對(duì)象是摻雜物（例如砷、磷或硼等），這些摻雜物通過(guò)擴(kuò)散在硅晶體中移動(dòng)，從而形成特定的電特性。這一過(guò)程可以簡(jiǎn)單類比為在一杯水中滴入墨水，墨水開(kāi)始集中在水的一部分，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，它會(huì)逐漸擴(kuò)散，最終在整杯水中均勻分布。

圖：擴(kuò)散工藝

在硅晶體中，摻雜物的擴(kuò)散更為復(fù)雜，因?yàn)閾诫s物分子需要穿越硅原子的固態(tài)晶格結(jié)構(gòu)。硅晶體中的原子排列成緊密的晶格，摻雜物要么通過(guò)晶格中的空隙移動(dòng)（空隙擴(kuò)散），要么在硅原子之間的空隙中穿梭（晶格間擴(kuò)散），甚至可以與硅原子互換位置（交換擴(kuò)散）。

2. 擴(kuò)散的主要影響因素

擴(kuò)散速度及其最終效果會(huì)受到多種因素的影響：

摻雜物類型：不同的摻雜物有不同的擴(kuò)散系數(shù)（即擴(kuò)散的快慢例如，砷的擴(kuò)散系數(shù)較低，因此它擴(kuò)散得相對(duì)較慢，而磷和硼的擴(kuò)散系數(shù)較高，擴(kuò)散速度更快。
濃度梯度：擴(kuò)散的動(dòng)力來(lái)自于摻雜物濃度的差異。濃度差越大，擴(kuò)散速度越快。這個(gè)過(guò)程會(huì)持續(xù)，直到濃度趨于平衡。
溫度：溫度是影響擴(kuò)散過(guò)程的關(guān)鍵因素。擴(kuò)散速度隨著溫度升高而增加，這是因?yàn)檩^高的溫度使得摻雜物原子獲得更多的能量，從而更容易穿過(guò)硅晶格。溫度越高，摻雜物在硅中的擴(kuò)散速度越快。
基底材料及晶向：硅基晶片的晶向會(huì)影響擴(kuò)散的速度。例如，(100) 晶向的硅晶片與 (111) 晶向的硅晶片相比，擴(kuò)散速度有所不同。不同晶向的原子排列緊密程度不同，導(dǎo)致擴(kuò)散行為有所差異。帶氧化物掩膜的擴(kuò)散如下：

3. 兩種擴(kuò)散模型：可耗盡源與不可耗盡源

擴(kuò)散過(guò)程中，摻雜物來(lái)源分為兩類：可耗盡源和不可耗盡源。

可耗盡源擴(kuò)散：在這種擴(kuò)散模式下，摻雜物的數(shù)量是有限的，隨著時(shí)間的推移，摻雜物在表面濃度會(huì)逐漸降低。這意味著擴(kuò)散的深度逐漸增加，但擴(kuò)散的效率隨著摻雜物耗盡而減弱。典型的應(yīng)用包括離子注入之后的擴(kuò)散退火。

不可耗盡源擴(kuò)散：在此模式下，摻雜物源源不斷地供應(yīng)給硅晶圓表面，因此表面濃度保持恒定。這種擴(kuò)散模式通常用于氣相摻雜或固相摻雜，摻雜物能夠持續(xù)地滲入到晶圓中。

4. 擴(kuò)散方法解析

擴(kuò)散工藝中，摻雜物可以通過(guò)多種方式引入硅晶體，主要包括氣相擴(kuò)散、固態(tài)擴(kuò)散和液態(tài)擴(kuò)散。每種方法都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。

4.1 氣相擴(kuò)散

氣相擴(kuò)散是最常見(jiàn)的擴(kuò)散方法之一。在該過(guò)程中，氮?dú)狻鍤獾榷栊詺怏w作為載氣，將氣態(tài)的摻雜物（如磷烷 PH? 或二硼烷 B?H?）引入擴(kuò)散爐。硅晶圓在高溫環(huán)境下暴露于摻雜物氣體中，摻雜物沿濃度梯度擴(kuò)散進(jìn)入硅晶體。這種方法類似于將香料通過(guò)風(fēng)扇吹入房間內(nèi)，使其均勻擴(kuò)散。

氣相擴(kuò)散的優(yōu)勢(shì)在于它能夠均勻地?fù)诫s多個(gè)晶圓，且通過(guò)調(diào)整氣體流量和溫度，可以精確控制擴(kuò)散深度和濃度。

4.2 固態(tài)擴(kuò)散

在固態(tài)擴(kuò)散中，摻雜物以固體形式存在，并且通常將摻雜物載體放置在晶圓之間。當(dāng)石英管加熱時(shí)，摻雜物會(huì)從固體源中揮發(fā)，并通過(guò)載氣（如氮?dú)猓┚鶆蚍植嫉骄A表面，隨后開(kāi)始擴(kuò)散。這種方法適合在較小范圍內(nèi)進(jìn)行摻雜。

4.3 液態(tài)擴(kuò)散

液態(tài)擴(kuò)散方法采用液態(tài)源，例如三溴化硼（BBr?）或三氯氧磷（POCl?）。載氣通過(guò)液體源并將摻雜物轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，然后輸送到擴(kuò)散爐中。液態(tài)擴(kuò)散的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，且容易實(shí)現(xiàn)高濃度的摻雜。

4.4 局部摻雜與氧化掩膜

在擴(kuò)散過(guò)程中，為了避免摻雜物擴(kuò)散到不需要的區(qū)域，常使用二氧化硅（SiO?）掩膜來(lái)隔離特定區(qū)域。由于摻雜物無(wú)法穿透氧化硅，未被掩膜覆蓋的區(qū)域才會(huì)被摻雜物擴(kuò)散。這種方法類似于給畫(huà)布涂上一層保護(hù)漆，然后只在未被保護(hù)的地方上色。

5. 擴(kuò)散工藝中的挑戰(zhàn)

擴(kuò)散工藝雖然廣泛應(yīng)用，但也存在一些工藝挑戰(zhàn)：

摻雜物擴(kuò)散后再分布：在后續(xù)的高溫工藝步驟（如氧化或退火過(guò)程中），已有的摻雜物可能會(huì)再次擴(kuò)散，導(dǎo)致原本設(shè)定的摻雜深度和濃度發(fā)生變化。
非均勻擴(kuò)散：雖然理想情況下希望摻雜物只垂直擴(kuò)散，但由于硅晶格的各向異性，摻雜物會(huì)沿著不同的方向擴(kuò)散，導(dǎo)致?lián)诫s區(qū)域比預(yù)期的更大，影響精度。
摻雜物污染：在擴(kuò)散過(guò)程中，摻雜物可能沉積在石英管或爐壁上，進(jìn)而污染后續(xù)工藝中的晶圓。這需要定期清潔或更換設(shè)備，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。

6. 小結(jié)

擴(kuò)散過(guò)程是硅基集成電路制造中不可或缺的一部分，涉及復(fù)雜的物理現(xiàn)象和工藝控制。通過(guò)精確的溫度控制、選擇合適的摻雜物以及合理的擴(kuò)散方法，可以在高效生產(chǎn)的同時(shí)保證半導(dǎo)體器件的質(zhì)量和性能。

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