晶圓工藝中的擴散過程詳解

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-10-11 10:17:17 609

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

1. 擴散的基本原理

擴散，是指分子從高濃度區域向低濃度區域移動的過程。在晶圓制造中，擴散的對象是摻雜物（例如砷、磷或硼等），這些摻雜物通過擴散在硅晶體中移動，從而形成特定的電特性。這一過程可以簡單類比為在一杯水中滴入墨水，墨水開始集中在水的一部分，但經過一段時間，它會逐漸擴散，最終在整杯水中均勻分布。

圖：擴散工藝

在硅晶體中，摻雜物的擴散更為復雜，因為摻雜物分子需要穿越硅原子的固態晶格結構。硅晶體中的原子排列成緊密的晶格，摻雜物要么通過晶格中的空隙移動（空隙擴散），要么在硅原子之間的空隙中穿梭（晶格間擴散），甚至可以與硅原子互換位置（交換擴散）。

2. 擴散的主要影響因素

擴散速度及其最終效果會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散系數（即擴散的快慢例如，砷的擴散系數較低，因此它擴散得相對較慢，而磷和硼的擴散系數較高，擴散速度更快。
濃度梯度：擴散的動力來自于摻雜物濃度的差異。濃度差越大，擴散速度越快。這個過程會持續，直到濃度趨于平衡。
溫度：溫度是影響擴散過程的關鍵因素。擴散速度隨著溫度升高而增加，這是因為較高的溫度使得摻雜物原子獲得更多的能量，從而更容易穿過硅晶格。溫度越高，摻雜物在硅中的擴散速度越快。
基底材料及晶向：硅基晶片的晶向會影響擴散的速度。例如，(100) 晶向的硅晶片與 (111) 晶向的硅晶片相比，擴散速度有所不同。不同晶向的原子排列緊密程度不同，導致擴散行為有所差異。帶氧化物掩膜的擴散如下：

3. 兩種擴散模型：可耗盡源與不可耗盡源

擴散過程中，摻雜物來源分為兩類：可耗盡源和不可耗盡源。

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

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

4. 擴散方法解析

擴散工藝中，摻雜物可以通過多種方式引入硅晶體，主要包括氣相擴散、固態擴散和液態擴散。每種方法都有其獨特的特點和應用場景。

4.1 氣相擴散

氣相擴散是最常見的擴散方法之一。在該過程中，氮氣、氬氣等惰性氣體作為載氣，將氣態的摻雜物（如磷烷 PH? 或二硼烷 B?H?）引入擴散爐。硅晶圓在高溫環境下暴露于摻雜物氣體中，摻雜物沿濃度梯度擴散進入硅晶體。這種方法類似于將香料通過風扇吹入房間內，使其均勻擴散。

氣相擴散的優勢在于它能夠均勻地摻雜多個晶圓，且通過調整氣體流量和溫度，可以精確控制擴散深度和濃度。

4.2 固態擴散

在固態擴散中，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。當石英管加熱時，摻雜物會從固體源中揮發，并通過載氣（如氮氣）均勻分布到晶圓表面，隨后開始擴散。這種方法適合在較小范圍內進行摻雜。

4.3 液態擴散

液態擴散方法采用液態源，例如三溴化硼（BBr?）或三氯氧磷（POCl?）。載氣通過液體源并將摻雜物轉化為氣態，然后輸送到擴散爐中。液態擴散的操作相對簡單，且容易實現高濃度的摻雜。

4.4 局部摻雜與氧化掩膜

在擴散過程中，為了避免摻雜物擴散到不需要的區域，常使用二氧化硅（SiO?）掩膜來隔離特定區域。由于摻雜物無法穿透氧化硅，未被掩膜覆蓋的區域才會被摻雜物擴散。這種方法類似于給畫布涂上一層保護漆，然后只在未被保護的地方上色。

5. 擴散工藝中的挑戰

擴散工藝雖然廣泛應用，但也存在一些工藝挑戰：

6. 小結

擴散過程是硅基集成電路制造中不可或缺的一部分，涉及復雜的物理現象和工藝控制。通過精確的溫度控制、選擇合適的摻雜物以及合理的擴散方法，可以在高效生產的同時保證半導體器件的質量和性能。

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