硼擴散技術研究

王春梅，佟麗英，史繼祥，王 聰

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

擴散方式分為恒定表面源擴散和限定表面源擴散。在理想狀況下，恒定表面源擴散以余誤差函數分布，表面濃度始終保持不變，與時間無關；限定表面源擴散為高斯分布，當擴散溫度T保持恒定時，隨著擴散時間的增加，表面雜質濃度不斷下降，但擴散雜質總量保持不變。本論文研究的目的是在100 mm(4英寸)P型拋光片上進行硼擴散，擴散層濃度≥5×1019/cm3；擴散層深度≥30 μm（擴散后對正面拋光時要去除5 μm，因此擴散試驗時要按照35 μm進行）。

要實現上述目的，不可能通過一步擴散來實現，實驗表明，因為長時間的帶源擴散易導致拋光片表面形成堅硬的硼硅玻璃層，而且對結深平整度是不利的，通常采用兩步擴散，即預擴散和再分布來實現，通過預擴散在硅片淀積足夠的雜質總量，再通過近似恒定表面源擴散獲得一定要求的表面雜質濃度和雜質分布。硅片擴散濃度主要由于預擴散決定，擴散深度主要由再分布決定。為此對擴散方式以及擴散的條件進行了研究。

1 試驗設備

4514-165高溫擴散爐；DAG810單面減薄機；MS103多功能晶片測試系統(tǒng)；BH-2金相顯微鏡。

采用高濃度硼微晶玻璃源作為擴散源。

2 結果和討論

2.1 硅片擴散濃度和擴散深度的理論公式

再分步之后，硅片表面的雜質濃度在整個擴散過程中保持不變，雜質分布滿足（1）式：

式中：Ns—表面雜質濃度（即為雜質在該溫度下的固溶度）；

D—擴散系數。擴散片深度 Xj可以表示為（2）式[1，2]：

式中：NB—硅襯底原有雜質濃度；

NS—表面雜質濃度（即為雜質在該溫度下的固溶度）；

D—擴散系數；

A—僅與比值NB/NS有關的常數。

2.2 單面擴散與雙面擴散對擴散深度的影響

以石英管作為再分布的擴散場所，在1 030℃、15 h預擴散，在1 170℃、60 h再分布，分別進行單面擴散和雙面擴散的實驗，實際的擴散深度見表1。從表1可以發(fā)現，單面擴散的結深明顯低于雙面擴散，而且擴散深度小于35 μm的要求。之所以出現這樣的結果，單面擴散在硅片表面所淀積的硼源雜質不如雙面擴散所淀積的雜質多，而且預擴散的時間短。在以后的實驗中選擇雙面擴散方式，保持預擴散的溫度不變，但需要增加預擴散的時間，并改變再分布條件。

2.3 再分布溫度對擴散深度的影響

擴散溫度對擴散深度影響很大。再分布溫度越高，擴散深度越深。為了提高擴散深度，就必須提高再分布的溫度。由于再分布溫度已接近石英的軟化點，實驗中決定以碳化硅管密閉系統(tǒng)代替石英管。保持預擴散溫度為1 030℃不變，將預擴散時間增加為18 h，并將再分布時間調整為50 h，只改變再分布溫度。表2列出了在不同再分布溫度條件下的結深。結果顯示：隨著擴散溫度的增加，擴散結深逐漸增大。

表1 單面和雙面的擴散深度

表2 不同再分布溫度下的結深

2.4 再分布時間對擴散深度的影響

從（2）式可以看出，擴散時間越長，擴散的深度越深。但是擴散時間也不能無限延長，長時間的高溫擴散對結深平整度是有影響的，因為硅中的各種缺陷會對雜質的擴散速度產生影響，并可能影響到結深平整度。表3是不同擴散條件下的擴散深度。采用雙面擴散和碳化硅管，保持預擴散溫度為1 030℃、預擴散時間為18 h、再分布溫度為1 240℃不變，只改變再分布時間。從表3可以看出，當再分布時間大于45 h，即可滿足本項目的要求。因而本項目選擇的擴散條件為：采用雙面擴散和碳化硅管，預擴散溫度為1 030℃，預擴散時間為18 h，再分布溫度為1 240℃，再分布時間為50 h。

表3 不同再分布擴散時間的擴散深度

3 結 論

（1）雙面擴散的結深比單面擴散要深。

（2）在預擴散條件（雙面擴散）和再分步時間為50 h的條件下，再分布溫度越高，高濃度的擴散層的深度越深，當再分布的溫度高于1 220℃時，高濃度的擴散層的深度大于36 μm。

（3）在本文所述的預擴散條件（雙面擴散）和再分布溫度1 240℃的條件下，再分布的時間越長，高濃度的擴散層的深度越深，當再分布時間大于45 h時，高濃度的擴散層的深度大于35 μm。

（4）確定了合適的工藝條件。預擴散：通氮氣，雙面擴散，擴散溫度為1 030℃，擴散時間為15 h；再分布：采用碳化硅管，擴散溫度為1 240℃，擴散時間為50 h。

[1] 電子工業(yè)生產技術手冊編委會.電子工業(yè)生產技術手冊（第七冊）[M].北京：國防工業(yè)出版社，1991：221-312.

[2] 關旭東.硅集成電路工藝基礎[M].北京：北京大學出版社，2003：62-85.