硼扩散技术研究

王春梅，佟丽英，史继祥，王 聪

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220)

扩散方式分为恒定表面源扩散和限定表面源扩散。在理想状况下，恒定表面源扩散以余误差函数分布，表面浓度始终保持不变，与时间无关；限定表面源扩散为高斯分布，当扩散温度T保持恒定时，随着扩散时间的增加，表面杂质浓度不断下降，但扩散杂质总量保持不变。本论文研究的目的是在100 mm(4英寸)P型抛光片上进行硼扩散，扩散层浓度≥5×1019/cm3；扩散层深度≥30 μm（扩散后对正面抛光时要去除5 μm，因此扩散试验时要按照35 μm进行）。

要实现上述目的，不可能通过一步扩散来实现，实验表明，因为长时间的带源扩散易导致抛光片表面形成坚硬的硼硅玻璃层，而且对结深平整度是不利的，通常采用两步扩散，即预扩散和再分布来实现，通过预扩散在硅片淀积足够的杂质总量，再通过近似恒定表面源扩散获得一定要求的表面杂质浓度和杂质分布。硅片扩散浓度主要由于预扩散决定，扩散深度主要由再分布决定。为此对扩散方式以及扩散的条件进行了研究。

1 试验设备

4514-165高温扩散炉；DAG810单面减薄机；MS103多功能晶片测试系统；BH-2金相显微镜。

采用高浓度硼微晶玻璃源作为扩散源。

2 结果和讨论

2.1 硅片扩散浓度和扩散深度的理论公式

再分步之后，硅片表面的杂质浓度在整个扩散过程中保持不变，杂质分布满足（1）式：

式中：Ns—表面杂质浓度（即为杂质在该温度下的固溶度）；

D—扩散系数。扩散片深度 Xj可以表示为（2）式[1，2]：

式中：NB—硅衬底原有杂质浓度；

NS—表面杂质浓度（即为杂质在该温度下的固溶度）；

D—扩散系数；

A—仅与比值NB/NS有关的常数。

2.2 单面扩散与双面扩散对扩散深度的影响

以石英管作为再分布的扩散场所，在1 030℃、15 h预扩散，在1 170℃、60 h再分布，分别进行单面扩散和双面扩散的实验，实际的扩散深度见表1。从表1可以发现，单面扩散的结深明显低于双面扩散，而且扩散深度小于35 μm的要求。之所以出现这样的结果，单面扩散在硅片表面所淀积的硼源杂质不如双面扩散所淀积的杂质多，而且预扩散的时间短。在以后的实验中选择双面扩散方式，保持预扩散的温度不变，但需要增加预扩散的时间，并改变再分布条件。

2.3 再分布温度对扩散深度的影响

扩散温度对扩散深度影响很大。再分布温度越高，扩散深度越深。为了提高扩散深度，就必须提高再分布的温度。由于再分布温度已接近石英的软化点，实验中决定以碳化硅管密闭系统代替石英管。保持预扩散温度为1 030℃不变，将预扩散时间增加为18 h，并将再分布时间调整为50 h，只改变再分布温度。表2列出了在不同再分布温度条件下的结深。结果显示：随着扩散温度的增加，扩散结深逐渐增大。

表1 单面和双面的扩散深度

表2 不同再分布温度下的结深

2.4 再分布时间对扩散深度的影响

从（2）式可以看出，扩散时间越长，扩散的深度越深。但是扩散时间也不能无限延长，长时间的高温扩散对结深平整度是有影响的，因为硅中的各种缺陷会对杂质的扩散速度产生影响，并可能影响到结深平整度。表3是不同扩散条件下的扩散深度。采用双面扩散和碳化硅管，保持预扩散温度为1 030℃、预扩散时间为18 h、再分布温度为1 240℃不变，只改变再分布时间。从表3可以看出，当再分布时间大于45 h，即可满足本项目的要求。因而本项目选择的扩散条件为：采用双面扩散和碳化硅管，预扩散温度为1 030℃，预扩散时间为18 h，再分布温度为1 240℃，再分布时间为50 h。

表3 不同再分布扩散时间的扩散深度

3 结 论

（1）双面扩散的结深比单面扩散要深。

（2）在预扩散条件（双面扩散）和再分步时间为50 h的条件下，再分布温度越高，高浓度的扩散层的深度越深，当再分布的温度高于1 220℃时，高浓度的扩散层的深度大于36 μm。

（3）在本文所述的预扩散条件（双面扩散）和再分布温度1 240℃的条件下，再分布的时间越长，高浓度的扩散层的深度越深，当再分布时间大于45 h时，高浓度的扩散层的深度大于35 μm。

（4）确定了合适的工艺条件。预扩散：通氮气，双面扩散，扩散温度为1 030℃，扩散时间为15 h；再分布：采用碳化硅管，扩散温度为1 240℃，扩散时间为50 h。

[1] 电子工业生产技术手册编委会.电子工业生产技术手册（第七册）[M].北京：国防工业出版社，1991：221-312.

[2] 关旭东.硅集成电路工艺基础[M].北京：北京大学出版社，2003：62-85.