第2章-集成电路工艺原理.pptx

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1、1第四章 扩散 (Diffusion)(Diffusion)4.1 引言一 半导体中的掺杂方法1.合金法杂质掺入到基片熔体中;2.扩散法固固扩散、气固扩散;3.离子注入;第1页/共85页2二 扩散法优点 1.通过对扩散温度、时间等工艺条件的准确调节来控制PN结的结深,并能获得均匀、平坦的结面;2.通过对扩散条件的调节和选择来控制扩散层表面的杂质浓度及其分布,以满足不同的要求;3.与氧化、光刻技术相结合形成硅平面工艺;4.重复性好,均匀性好,适合大生产;第2页/共85页34.2 4.2 扩散机理一 扩散的本质v微观粒子的一种极为普遍的热运动方式,是微观粒子热运动的统计结果。在集成电路工艺中，将一

2、定数量和一定种类的杂质掺入硅片中的工艺。v 扩散粒子总是从浓度高的地方向浓度低的地方移动;这种由粒子浓度梯度产生的粒子流密度(J)与粒子的浓度梯度(N)成正比,式中D为粒子的扩散系数，菲克第一定律的数学表达式则第3页/共85页4慢扩散杂质在(111)(111)硅中的扩散系数 快扩散杂质在(111)(111)硅中的扩散系数第4页/共85页5二 杂质的扩散系数Dv D是描述杂质扩散运动快慢的物理量,它与杂质种类、扩散温度、气氛以及衬底晶向等多种因素有关;1)杂质扩散系数对温度的关系2)D随温度T变化迅速,T越高,D越大;一般温度每升高10,D将增加一倍左右;3)D还与基片材料的晶向、晶格的完整性、

3、基片材料本体杂质浓度以及扩散杂质的表面浓度有关；2)快慢扩散杂质元素以 划分;第5页/共85页6三 杂质固溶度(dopant solid solubility)q 固溶度(solid solubility):在一定温度下，杂质能溶硅中而不发生反应形成分凝相的最大浓度。杂质的最大固溶度是表面杂质浓度Ns的上限。几种杂质在硅中的固溶度第6页/共85页7四 硅体内杂质原子的扩散机构v 扩散最基本的两种机制1 替位式扩散 杂质原子进入硅晶体以后，杂质原子沿着晶格空位跳跃前进的一种扩散；替位式扩散机构的特征：杂质原子占据晶体晶格格点的正常位置，不改变晶体结构；替代式杂质 P P，B B，As,Al,Ga

4、,Sb,GeAs,Al,Ga,Sb,Ge int int 3 3 4 eV 4 eV第7页/共85页8 2 间隙式扩散 杂质原子在进入硅晶体之后，从一个原子的间隙到另一个原子间隙逐次跳跃前进的一种扩散；间隙式扩散机构的特征：杂质原子只存在于晶体原子的间隙之中，扩散的速率一般较替位式要快；3 有些杂质同时具有替位式和间隙式两种扩散结构，它们的有效扩散系数则由这两个独立的扩散系数权重结合给出；间隙式杂质：O,Au,Fe,Cu,Ni,Zn,MgO,Au,Fe,Cu,Ni,Zn,Mg intint 0.6 0.6 1.2 eV 1.2 eV第8页/共85页94.3 扩散方程及其解扩散是微观粒子作无规则

5、热运动的统计结果,这种运动总是由粒子浓度较高的地方向浓度低的地方进行，而使得粒子的分子逐渐趋于均匀。一 扩散的宏观机制第9页/共85页10C:C:杂质浓度，D:D:扩散系数,单位：cmcm2 2/s./s.负号表示扩散由高浓度处向低浓度处进行的J为单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子数1 1，由费克第一定律 (Fick(Ficks first law)s first law)C1C2x J=DN (1)由于扩散结平行于硅表面，且结浅，(1)式可简化为（2）第10页/共85页11如果D是常数，JoutC JinX质量守恒2，根据物质连续性的概念则,(3)(4)(5)式即为扩散方程，称为费克第二定

6、律；它把浓度分布和扩散时间及空间位置联系了起来；描述了扩散过程中，硅片中各点的杂质浓度随时间变化的规律；(5)则第11页/共85页12二二 扩散方程的解扩散方程的解v 恒定表面源扩散 (Constant Source)(Constant Source)预淀积(Predeposition(Predeposition)v 有限表面源扩散 (Finite Source)(Finite Source)杂质推进(Drive in)(Drive in)第12页/共85页13硅片表面的杂质浓度始终不变,这种扩散也叫预淀积扩散(Predeposition diffusion)1 恒定表面源扩散恒定表面源扩散G

7、as Phase Source(Fixed Concentration)Thick Solid Surface Source,e.g.P2O5第13页/共85页14v杂质总量固定 (Finite Source)(Finite Source)Q QTotalTotal:atom/cm:atom/cm2 22 有限表面源扩散离子注入引入一定量的杂质总量；在整个扩散过程中，已形成的扩散杂质总量作为扩散的杂质源，不再有新源补充第14页/共85页15第15页/共85页163 恒定表面源扩散方程的解v 边界条件(Boundary Condition)C(0,t)=Cs(杂质固溶度)t0 x=0 时 C(,

8、t)=0 t0 x 时v 起始条件 C(x,0)=0 t=0 x 0时第16页/共85页17式中，C Cs s是固定表面浓度,erferf为误差函数，ErfcErfc为余误差函数称为特征扩散长度介为:余余误差函数分布(t0)则第17页/共85页18v分布曲线的特点 硅片表面杂质浓度Cs始终保持不变，它与时间无关，只与扩散的杂质和温度有关；Cs和D主要取决于掺杂元素和扩散温度；其中Cs由杂质在硅内的固溶度决定，杂质的固溶度给扩散的表面杂质浓度设置了上限；选定扩散杂质元素和扩散温度之后，Cs和D就定下来了，若再将t定下来，杂质分布也就确定了；扩散时间由对分布的要求来定，随着t的增加，杂质扩散深度不

9、断增加，杂质总量不断增多；第18页/共85页19v 扩散结深扩散结深:v 恒定表面源扩散时恒定表面源扩散时硅片内部的杂质数量 Q QT T(t)(t)可见，在固溶度范围内:t,Q则，则，以C C（x xj j,t),t)(扩散杂质浓度)=C)=Csubsub(本体浓度)代入则第19页/共85页204 限定表面源扩散v 其边界条件为()(t 0)v 初始条件为结深的有限性第20页/共85页21 限定表面源扩散方程的解是高斯分布v 表面浓度C Cs s随时间而减少:v 扩散结深:式中为高斯函数第21页/共85页221.杂质总剂量固定2.表面浓度随扩散时间增加而减少3.扩散长度随扩散时间增加而增加这

10、个过程被称为再分布 (redistribution)(redistribution)或者推进(drive-in)(drive-in)过程第22页/共85页23 限定表面源扩散最终表面的杂质浓度（二步扩散）v 再分布(限定表面源扩散)后硅片表面的杂质浓度：式中，CS1、CS2分别为预淀积和再分布时的表面杂质浓度；D1和t1，D2和t2分别为预淀积和再分布时的扩散系数和扩散时间；(1)(2)(1)代(2)，则(3)v 预淀积(恒定源扩散)时的杂质总量：第23页/共85页24 可见：1，C2与C1成正比，与D2、t2的平方根成反比；D2愈大（即T愈高）、t2愈长，C2则愈低。2，结论：欲通过有限表面

11、源扩散获得一定要求的表面杂质浓度和杂质分布，就必须在预淀积时获得适量的杂质总量Q Q，并控制好再分布扩散的温度时间。第24页/共85页25几种特征扩散长度下，(A)(A)预淀积扩散和(B)(B)推进扩散后杂质浓度与深度的关系图以以 为参变量的预淀积扩散和推进扩散的分布图为参变量的预淀积扩散和推进扩散的分布图第25页/共85页264.4 4.4 影响杂质分布的其他因素 实际扩散过程中，杂质通过窗口以垂直硅表面扩散的同时，也将在窗口边缘附近的硅中进行平行表面的横向扩散，两者是同时进行的，但两者的扩散条件并不完全相同；硅内浓度比表面浓度低两个数量级以上时，横向扩散的距离约为纵向扩散距离的7585%；

12、氧化物窗口边缘的扩散等浓度线一 横向扩散第26页/共85页27 横向扩散的存在，实际扩散区域要比窗口的尺寸大，造成扩散区域之间的实际距离比由光刻版所确定的尺寸要小横向扩散对沟道长度的影响 横向扩散直接影响ULSI的集成度；并对结电容也将产生一定的影响；第27页/共85页28二 场助效应(Electric field enhanced)扩散时，在扩散粒子自建场作用下，加速了杂质原子扩散的速度，这一现象称为场助效应v 电子由于具有很高的迁移率，因此移动在前沿，这使带正电荷的施主As离子在后面，这样就建立了一个内建电场,阻止电子进一步扩散，最后电子扩散流量和电子漂移流量平衡。这个电场同样施加在施主原

13、子上，因此，增加了施主的扩散率。第28页/共85页29v有效扩散系数由离子流密度改变得到修正公式：ni：本征杂质浓度 C：电离杂质浓度当：C ni 时，Deff=2D 自建场使D增加一倍。高浓度杂质扩散易产生场助效应式中第29页/共85页30这种场助效应对于低浓度的这种场助效应对于低浓度的B杂质影响更大！杂质影响更大！第30页/共85页31三 扩散系数与杂质浓度的关系 实验发现扩散系数与杂质浓度有关，只有当杂质浓度比扩散温度下的本征载流子浓度n ni i(T)(T)低时，才可以认为扩散系数是与掺杂浓度无关的函数，这时的扩散系数称为本征扩散系数，用D Di i表示；把依赖于掺杂浓度的扩散系数称为

14、非本征扩散系数，用D De e表示；当杂质浓度增加时，扩散系数增大。第31页/共85页32扩散系数的修正因子与硅基片浓度的关系第32页/共85页33四，基区下陷效应(Emitter Push effect)v实验现象：在P发射区下的B扩散比旁边的B扩散快，使得基区宽度改变。第33页/共85页34v 产生原因：由于P的扩散使得大量间隙迁移到发射区下方基区，加快了硼的扩散，即原子半径差异较大的高浓度杂质进入造成晶格畸变，产生失配位错，使基区沿位错处扩散增强基区下陷;v解决办法：寻求一种与基区杂质原子半径相接近的原子以减小晶格的应变;第34页/共85页35q 五，基区外表面扩散速率的影响v 恒定表面

15、源扩散时，假设边界条件为 C(0,t)=Cs 实际上，扩散时表面浓度由0Cs由（1）杂质从气源到硅片表面的输运,（2）杂质从硅外表面到体内的固态扩散,两个过程的相对速率决定；若严格地分析边界条件，则边界条件需作必要的修正；第35页/共85页36六 杂质的分凝效应 作为杂质再分布的限定源扩散过程，都与氧化结合在一起，同样存在边界条件的偏差。形成这一偏差的原因：v 不同杂质在SiSiO2界面的分凝系数m不同 m=Csi/CSiO2v 杂质在氧化层一侧的扩散系数的影响；v 随SiO2的增厚SiSiO2的界面随时间而移动；工艺中利用氧化速率大小来控制、调整再分布后硅片中的杂质总量和基区表面杂质浓度；第

16、36页/共85页37基区掺硼、发射区掺磷时晶体管中杂质的分布状况第37页/共85页384.5 扩散工艺参量与扩散工艺条件的选择一 扩散结深(diffusion junction depth)1 1，结深X Xj j的定义:PN结结深的位置定义在掺入的杂质浓度与硅片本体杂质浓度相等的地方；即,x=xj 处 C Cx x(扩散杂质浓度)=C)=Cb b(本体浓度)第38页/共85页392 2，结深的表达式将N(xj,t)=Nb代入上式，则（2）有限表面源扩散则统一表示式：（1）恒定表面源扩散 第39页/共85页40 例，某晶体管的硼再分布的扩散温度为1180，扩散时间共用了40分钟，所用N型外延片

17、的电阻率为0.4cm，硼扩散的表面浓度 Ns51018/cm3,试求扩散结深。则则 介：由电阻率与杂质浓度的关系曲线查0.4cm对应的杂质浓度Nb1.5 1016/cm3 由A值与Ns/Nb的关系曲线查出对应的A,则 A4.8再由杂质在硅中的扩散系数曲线图中查出1180下硼的扩散系数 D=1.2 10-12 cm2/sec第40页/共85页41 计算结果比实测值偏大，其原因有：由 可见，结深Xj主要由扩散温度和扩散时间决定；（1）硅片进炉时炉温有所下降；（2）实际扩散分布与理想高斯分布有一定的偏离；（3）扩散系数D的精确度有一定局限性；理论计算对实际工作具有一定的指导意义，但当计算值与实测值发

18、生偏差时，应以实测值为准；3，影响结深的因素Xj还与A值，即Ns/Nb的大小有关；第41页/共85页42二 薄层电阻 (sheet resistance)R(sheet resistance)Rs s1 定义:层厚为Xj（即扩散结深），长宽相等的一个扩散薄层在电流方向所呈现的电阻;薄层电阻也称方块电阻,用/表示;Rs与正方形边长L无关；第42页/共85页432，物理意义 式中,为载流子迁移率，n 为载流子浓度,并假定温室下杂质全部电离,则载流子浓度=杂质浓度(n=N)；对于扩散层，层内杂质有一定的分布，当采用平均值的概念时：在杂质均匀分布的半导体中第43页/共85页44 假设迁移率为常数，则，

19、R=n RSxjaL 式中，Q为从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量；可见 ，扩散层中扩进的杂质总量越多，Rs就越小；在集成电路中的应用：则第44页/共85页45三，表面杂质浓度NS 恒定表面源扩散v 表面杂质浓度NS取决于扩散温度下杂质在硅中的固溶度；有限表面源扩散v 扩散过程中，杂质总量Q保持不变，而表面浓度随扩散时间的增长而下降;即，再分布的表面浓度由预淀积的杂质总量 Q Q 和再分布的温度和时间决定；第45页/共85页46 在结深相同的情况下，预淀积的杂质总量越大，再分布后的表面浓度NS2就越大；杂质总量Q对再分布表面浓度NS2的影响第46页/共85页47再分布过程中，扩散与

20、氧化同时进行，有一部分杂质Q2要积聚到所生长的SiO2层中；则，表面浓度可由预淀积杂质总量Q和积聚到氧化层中的杂质总量Q2来控制；v如生产时发现基区硼扩散预淀积杂质总量过大（即RS1太小），则可以缩短开始通干氧的时间，使更多的杂质积聚到SiO2层中，以使再分布后的基区表面浓度NS2符合设计要求；第47页/共85页48四 扩散温度与扩散时间的选择(一)确定扩散温度T和时间 t 的依据v 保证扩散层的表面浓度NS和结深Xj;v 使扩散结果具有良好的均匀性和重复性；以晶体管的硼扩散为例：硼扩散采用预淀积和再分布两部扩散法1 预淀积温度T和时间t是如何确定的？（1）预淀积的目的：使硅片表面扩入足够的杂

21、质再分布能否达到设计要求的NS2和Xj的先决条件；第48页/共85页49（2）预淀积时扩入单位面积的杂质总量v Q1由NS2和Xj决定。确定程序是：所以，预淀积杂质总量要求达到：，由 得，因Xj已知，由 计算得到RS2，由 （平均电导率）的关系曲线查得第49页/共85页50 扩散温度T T和扩散时间 t t 的选择除考虑表面浓度和结深的要求，还必须考虑达到所要求的均匀性和重复性在工艺上的控制性；（5）t1的确定，则由（3）NS1可间接确定，原则：NS1NS2；由NS1确定 T。一般认为NS1是相应扩散温度下的固溶度，由杂质固 溶度曲线选定要达到NS1的扩散温度；（4）由选定的T，查出相应的D1

22、；第50页/共85页512，再分布温度T和时间 t 是如何确定的？选定了 T T 和 t t 后，即可作投片试验，根据结果适当修正，最终确定一合适的T T和 t t；（2）T确定后，查表找出相应的 D2 则，式中，A是再分布的表面浓度与外延层浓度的函数，可由A与NS/Nb的关系曲线查得；T和t由Xj的要求确定：（1）根据扩散周期长短、扩散的均匀性和重复性等诸方面因素综合考虑，适当选择T;第51页/共85页52(二）扩散杂质的选择1，选择扩散杂质的主要依据：（1）在硅中的固溶度要求发射区的表面浓度比基区的表面浓度高23个数量级，以使发射结具有足够大的注入比；（2）在硅中的扩散系数要求先行扩散杂质

23、的扩散系数比后扩散杂质的扩散系数小，可以减小后面扩散对已形成的杂质分布的影响；（3）SiO2的掩蔽问题；第52页/共85页532，可供选择的P型杂质有In、Al、Ga和B，其中：In：在硅中的束缚能级较深，通常不全电离；Al：扩散系数较大，不易控制；Ga：在SiO2中的扩散系数很大，SiO2不能有效地掩蔽；B B：扩散系数较小，易控，在硅中的最大固溶度为5105102020/cm/cm3 3,完全满足表面浓度在10101818/cm/cm3 3的要求；3，可供选择的N型杂质有P和As，它们在硅中的固溶度都较大，前者为1.31021/cm3,后者为21021/cm3,都能满足发射区扩散要求，其中

24、：第53页/共85页54As：蒸汽压高，不易控制，且扩散系数比B小，有剧毒，使用不便；P：蒸汽压较低，易于控制，且扩散系数比B略大，毒性也小；v 相比之下P P是比较理想的N N型发射区扩散杂质；4，在浅结扩散中，为避免基区陷落效应，有时也采用砷扩散作超高频器件的扩散源，这是因为其半径与硅相同，在高掺杂情况下不会引起畸变；5，由于Sb在硅中的扩散系数很小，常用作隐埋层的扩散源；第54页/共85页554.6 4.6 扩散方法v 从杂质组分看有：单质元素、化合物和混合物扩散 v 从杂质在常温下所处的状态看有：固态源扩散、液态源扩散和涂布源扩散等锑扩散箱示意图 常用的几种扩散方法一 固态源扩散1，锑

25、的箱法扩散:硅片与扩散源同放一箱内，在N2保护下扩散;扩散方法分类：多以杂质来源区分第55页/共85页56 源：Sb2O3:SiO2=1:4 (粉末重量比)2Sb2O3+3Si=4Sb+3SiO2 要求：Rs 20/问题：源易粘片、硅片易变形、重复性差、产量小、硅片表面易产生合金点，影响外延质量，难获高的表面浓度;改进：采用SbCl3、Sb(C2H5O)3和乳胶源扩散，改善了表面质量，但高浓度扩散仍难以达到；第56页/共85页57 Sb扩散较理想的方法：采用两个恒温区的扩散系统；扩散分预淀积和再分布的双温区两部扩散法 优点：o 有二个恒温区，可用纯Sb2O3粉状源，避免了烧源的麻烦；o 表面质

26、量好，缺陷密度小；o 表面浓度为常规工艺的三倍；第57页/共85页582,固 固扩散硼固固扩散淀积装置示意图 源：硅基片上的掺杂固体薄膜；种类：掺杂氧化物、氮化物、多晶硅或它们的组合；其中，掺杂氧化物工艺较成熟；第58页/共85页59 对源的要求：掺杂层应满足恒定表面源的条件，具有足够的厚度和浓度 式中,Dox和 t 分别为杂质在 SiO2中的扩散系数和扩散时间，一般d在250600nm；氧化层中的杂质含量（浓度）直接影响扩散的参数,必须精确控制；氧化层中杂质含量与其他工艺参数，如反应气体成份、流量、排气速率和淀积温度等由计算机模拟和实验找出最佳方案；第59页/共85页603.片状源扩散 BN

27、片和B、P微晶玻璃片 预淀积过程：v 源片与硅片相间插在石英舟内；v 在一定扩散温度下，杂质蒸汽借助于浓度梯度气相转移到硅片表面，并与硅发生反应，生成杂质原子，杂质原子向硅体内扩散;源片不断挥发杂质，扩散不断进行；再分布时，去掉源后，在较高温度下进行；源片的处理:v BN片的活化处理：900 C 1 h.通 O2 4BN+3O2 2B2O3+2N2 v 扩散 2B2O3+3Si 3SiO2+4B 第60页/共85页61v B、P微晶玻璃的处理 无需活化处理，只需脱脂、烘干即可使用 片状源扩散装置示意图第61页/共85页62 利用气体(如N N2 2)通过液态杂质源，携带着杂质蒸汽进入高温扩散反

28、应管，杂质蒸汽在高温下分解，并与硅表面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。磷预淀积装置示意图二、液态源扩散第62页/共85页63源：B B(CH3O)3;P POCl3 反应方程：P:5POCl3=P2O5+3PCl5 2P2O5+5Si=5SiO2+4P 4PCl5+5O2=2P2O5+10Cl2 B:2B(CH3O)3+9O2=B2O3+6CO2+9H2O 2B2O3+3Si=3SiO2+4B 特点：自动化程度高，杂质量控制精确第63页/共85页64三、涂布掺杂法(spin-on-glass)用法：在相对湿度303060%60%的涂胶台内，用涂布法在SiSi表面涂布一层均匀的掺杂二氧

29、化硅乳胶源，然后在 200 200 400400下烘焙 151530 30 分钟，以去除薄膜上残留的溶剂,初步形成疏松的SiOSiO2 2薄膜，最后作高温扩散。源：AsAs(arsenosilica)(arsenosilica)；SbSb(antimonysilica)(antimonysilica)；B B(borosilica)(borosilica)；P P(phosphorosilica);(phosphorosilica);根据R Rs s和X Xj j要求决定扩散温度和时间 特点 ：掺杂元素多、浓度范围广；特别适合砷（AsAs）扩散第64页/共85页65一、薄层电阻的测量 1 1，

30、四探针法条件：待测样品的长、宽比探针间距大很多条件：待测样品的长、宽比探针间 C C由样品指针间距S S、样品长度L L、样品宽度a a、样品厚度d d等尺寸决定；用二探针来测量会造成金半接触少子注入，接触处有较大附加压降等问题；4.7 扩散层质量检验 条件：待测样品的长、宽比探针间距大很多第65页/共85页662，范德堡测试图 ，参数结果准确；，适用范围广，可以 测量常规方法难以获得的一些工艺参数；，占用面积不大；，测试方法简单；范德堡图形 图中，正十字的中心部分是测试其方块电阻的有效区域 由中 心伸出的四条边称为引出臂第66页/共85页67二、结深X Xj j测量v 常用磨角法和滚槽法 直

31、接测量 染色原理：当在结面上滴有染色液时，结两侧的硅与染色液形成微电池，两个极区反应不同，于是染色出现差异，结面被显示出来；这两种方法都是利用P区和N区在染色上的差异，使PN结的界面显现出来，测量其深度；1，磨角法第67页/共85页68v 干涉法测量：光源波长 N：干涉条纹数v 滚槽法D:滚槽直径X、Y由显微镜读出第68页/共85页69 染色方法：v 化学染色 浓HNO3 滴入 0105（体积）的HF，制成染色液，样品放入几分钟，P区会变暗；v 化学镀 CUSO45H2O:HF(48)H2O5克2ml50ml 浸没硅片，光照约30；由于，n型硅的电化学势比Cu高，置换出Cu淀积在n型硅的表面，

32、呈红色。PN PN 结 显 示 技 术第69页/共85页70三、掺杂分布测量1.CV测量(Capacitance-Voltage Measurement)从测量结的反偏电容和电压的关系可以测得扩散层的掺杂分布。对于突变结，结电容由下式给出：C(V)=qsNB/21/2VbiVR-(2KT/q)1/2 式中，s 为硅的介电常数，Nb 为衬底掺杂浓度，Vbi 为结的内建势，VR 为反偏电压；第70页/共85页712.2.扩展电阻测量 用扩展电阻法配合磨角法可在斜面上逐点测量扩展电阻，通过计算机系统可自动换算成电阻率和杂质浓度分布，并可自动绘制出分布曲线;利用金属探针与半导体材料接触，从电流电压曲线

33、原点附近的特性来定出材料电阻率的一种方法。a：为经验校正因子；第71页/共85页72 用高能离子束轰击样品，使其产生正负二次离子，将这些二次离子引入质谱仪进行分析，再由检测系统收集，据此识别样品的组分。3.二次离子质谱二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectrascopy:SIMS)第72页/共85页73第73页/共85页744.8 扩散工艺常见的质量问题及分析一，硅片表面不良1，表面合金点主要是表面浓度太高所致（1）预淀积时携带源的气体流量过大，或在通气时发生气体流量过冲；（2）源温过高，使扩散源的蒸汽压过高；（3）源的纯度不高,含有杂质或水分；（4）预淀积时扩散温度过

34、高，时间过长；v 为改善高浓度扩散的表面，常在浓度较高的预淀积气氛中加一点氯气，以防止合金点产生；第74页/共85页752，表面黑点或白雾（1）表面清洗不良，有残留的酸性水汽；（2）纯水或试剂过滤孔径过大，含有大量的悬浮小颗粒；（3）预淀积气体中含有水分(包括扩散携带气体N2)；（4）扩散前硅片在空气中时间过长，表面吸附酸性气氛；3，表面凸起物主要由较大粒径的颗粒污染物经高温处理后形成的；第75页/共85页764，表面氧化层颜色不一致通常是用CVD预淀积时氧化层厚度不均匀；有时也可能是扩散时气路泄漏引起气流紊乱或气体含有杂质，使扩散过程中生长的氧化层不均匀所致；5，硅片表面滑移线或硅片弯曲由硅

35、片在高温下的热应力引起；6，硅片表面划伤，边缘缺损或硅片开裂通常由操作不当或石英舟制作不良引起；第76页/共85页77二，漏电流大 漏电流大在IC失效的诸因素中通常占据第一位；造成的原因很多，几乎涉及所有工序，主要有：1，表面沾污主要是重金属离子和碱金属离子）引起的表面漏电；2，Si-SiO2界面正电荷引起的表面沟道效应在P型区形成反型层或耗尽层，造成电路漏电流偏大；3，氧化层的缺陷破坏了氧化层在扩散时的掩蔽作用和氧化层在电路中的绝缘作用而导致漏电；4，硅片的缺陷引起杂质扩散时产生管道击穿；第77页/共85页785，隔离扩散深度和浓度不够，造成岛间漏电流大；6，基区扩散前有残留氧化膜或基区扩散

36、浓度偏低，在发射区扩散后表现为基区宽度小，c-e间反向击穿电压低，漏电流大；7，发射区扩散表面浓度太低，引起表面；电流；8，引线孔光刻套偏和侧向腐蚀量过大后，由金属布线引起的短路漏电流；9，铝合金温度过高或时间过长，引起浅结器件发射结穿通；v 减少或控制漏电流，需要在整个制造过程中全面、综合地管理，防止有可能导致漏电的各个因素的产生。第78页/共85页79三，薄层电阻偏差薄层电阻偏差超规范是扩散工艺最常见的质量问题，其主要因素有：1，扩散炉温失控或不稳定；2，用CVD法预淀积时，气体流量不稳定或热板温度不稳定；3，用其它方法预淀积时，携带源的气体流量不稳定，或源温失控；4，预淀积或再扩散时气体

37、管路泄漏或气体含有杂质；5，有残留氧化层或清洗过程产生较厚的自然氧化膜阻碍了杂质扩散；6，预淀积或再扩散过程中设备的故障或误动作；7，操作人员的误操作；第79页/共85页80v光刻图形边缘不整齐(有毛刺）扩散后PN结出现尖锋；v外延层的层错、位错密度过高，以及表面存在合金点、破坏点时，扩散后使得PN结面上出现尖锋凸起（有时称管道）；v 集电结的表面处有针孔存在，发射区扩散时，这些针孔下面的集电结上就有N区出现；四，器件特性异常 主要是检测器件的击穿电压异常；hFE不合规范；小电流时hFE过低；稳压二极管稳压不合规范；电阻呈非线性等。1，击穿电压异常（1 1）分段击穿（管道型击穿）第80页/共8

38、5页81v 磷扩散时发射区窗口的沾污引起分段击穿第81页/共85页82v 发射区扩散控制不好，使基区宽度过窄，导致 e-c 和 b-c之间击穿电压大为降低；v PN结尖锋面积较大，且电阻很小，当加反偏时电流将突然变得很大，即成为低击穿；凡击穿电压比正常值低的击穿都属于低压击穿，简称为低击穿；其包括分段击穿、软击穿以及电压硬击穿等。习惯上指低压硬击穿；（2）低压击穿：第82页/共85页83v小岛、位错、层错、破坏点合金点等引起e、c穿通（3 3）软击穿第83页/共85页842，从工艺上提高晶体管共发射极电流放大系数的途径:v 减小基区宽度；v 增加发射区杂质浓度，降低基区杂质浓度；v 减小复合几率，提高基区和势垒区的载流子寿命；第84页/共85页85感谢您的观看！第85页/共85页