雜質擴散工藝
正文
利用固態擴散原理將雜質元素按要求的深度摻入半導體表面或體內指定區域的工藝。在矽積體電路工藝中，主要是摻化學元素Ⅲ族和Ⅴ族雜質。摻入Ⅲ族元素形成P區；摻入Ⅴ族元素形成N區。雜質擴散工藝用於製作PN結或構成積體電路中的電阻、電容、互連布線、二極體和電晶體等器件，也用於器件之間的隔離。早在50年代，人們就開始對一些元素在矽中的擴散性狀進行研究。利用這些研究成果發展起來的擴散工藝很快成為製造矽器件的一種主要摻雜技術。50年代末至60年代初，擴散工藝與氧化、光刻等技術相結合，運用於平面電晶體的製造，形成了由擴散、氧化、光刻等技術所組成的一種先進的矽器件加工工藝，稱為矽平面工藝。單片矽積體電路工藝就是在平面工藝的基礎上發展起來的。在大規模和超大規模積體電路製造中，已逐步採用離子注入摻雜工藝，但擴散工藝仍是積體電路製造中的一種主要摻雜工藝。
積體電路的襯底通常是矽片。常溫下雜質在矽內擴散很慢，儘管多數積體電路要求的雜質擴散只有零點幾到1微米或2微米的深度，但對多數雜質（如矽中的Ⅲ族、Ⅴ族元素）來說，擴散溫度仍然要在1000
上下或者更高，摻雜過程才能在較短時間內完成。因此，製造積體電路的擴散工藝，就是在一個系統內把矽片和雜質源以一定的溫度加熱一定的時間，以達到所需的摻雜濃度和深度。 雜質擴散工藝最早使用的是封管法擴散（圖中 a）。這是把雜質源和矽片一起封入一個抽成一定真空的石英管中加熱，使雜質元素擴散到矽中去。箱法擴散（圖中 b）是封管法擴散的改進，採用一個石英或矽製成的帶蓋子的箱子，擴散時把矽片和雜質源一起放入箱內，蓋上蓋子送入擴散爐管中，爐管內的惰性氣體起保護作用。封管法擴散和箱法擴散所用的雜質源，都是易揮發的固態源，如元素鎵和化合物B2O3、Sb2O3等。矽片並不與雜質源接觸,只是暴露在雜質源形成的氣氛中。如果雜質源是氣體（如B2）或液體(如POCl3)(圖中c)，則可用運載氣體直接把氣體或蒸氣引入石英管內，由汽相雜質與矽表面反應而向矽片內擴散相應的雜質。這時往往使用通氣的開放性石英管，常稱開管擴散。另一類擴散方法是把雜質源澱積在矽片上，然後把這種矽片在高溫下進行擴散。在矽片上澱積雜質源薄膜的方法很多，如金擴散時就是先把金蒸發或濺射到矽片上生成金膜。至於擴散磷、砷和硼等雜質，可用化學汽相澱積在矽片上，生成含有上述雜質的氧化矽膜或多晶矽膜；還可用含雜質元素或其化合物的二氧化矽乳膠在矽片上生成含雜質的二氧化矽薄膜等，這種方法稱為固－固擴散，即雜質從固相薄膜向固相的矽中擴散。利用乳膠生成薄膜，有時直接稱為乳膠源擴散。平面源或片狀源擴散是一種新的擴散工藝，其實是接近於箱法的一種擴散法，只是把固態的擴散雜質源和一些其他成型物質一起製成陶瓷或微晶玻璃圓片，與矽片交替地插在石英擴散舟中進行擴散。用這方法可以獲得較均勻的擴散層，而且換源也比較方便。
雜質擴散工藝
(若製成PN結表示為結深xj)，取決於擴散係數D和擴散時間t。因為
,對於一定雜質在特定固體中激活能E和D0是一定的，所以D與T是指數上升關係。為了精確控制深度,精確控制溫度(＜±0.5)十分重要，同時還須嚴格控制擴散時間。一個圓片內的擴散均勻性，在很大程度上取決於表面的嚴格處理；而片與片以及批與批間的均一性，除恆溫度區穩定，氣流形式合適和源穩定外，還要求保持擴散環境的潔淨（包括爐管和潔淨室等）。雜質擴散不僅是在擴散這一道工藝中進行，而是在摻入雜質後的任何一道加溫處理的工序中都在繼續進行。因此,關於擴散結深和分布參數,還要計入後道工序的效應（除擴散外還要考慮分凝等）。 參考書目
廈門大學物理系半導體物理教研室編：《半導體器件工藝原理》，人民教育出版社，北京，1977。
F.F. Wang, ed., impurity Doping Processes in Silicon,North-Holl Pub.Co., Amsterdam, 1981.
W.R.Rungan，Silicon Semiconductor Technology,McGraw-Hill, New York, 1965.
