半导体制造_扩散

(二)扩散(炉) (diffusion)
1、扩散搀杂
半导体材料可搀杂n型或p型导电杂质来调变阻值，却不影响其机械物理性质的特点，是进一步创造出p-n接合面（p-n junction）、二极管（diode）、晶体管（transistor）、以至于大千婆娑之集成电路（IC）世界之基础。而扩散是达成导电杂质搀染的初期重要制程。
众所周知，扩散即大自然之输送现象 (transport phenomena)；质量传输(mass transfer)、热传递(heat transfer)、与动量传输 (momentum transfer；即摩擦拖曳) 皆是其实然的三种已知现象。本杂质扩散即属于质量传输之一种，唯需要在850oC以上的高温环境下，效应才够明显。
由于是扩散现象，杂质浓度C （concentration；每单位体积具有多少数目的导电杂质或载子）服从扩散方程式如下：
这是一条拋物线型偏微分方程式，同时与扩散时间t及扩散深度x有关。换言之，在某扩散瞬间 (t固定)，杂质浓度会由浓度的表面位置，往深度方向作递减变化，而形成一随深度x变化的浓度曲线；另一方面，这条浓度曲线，却又随着扩散时间之增加而改变样式，往时间无穷大时，平坦一致的扩散浓度分布前进！
既然是扩散微分方程式，不同的边界条件（boundary conditions）施予，会产生不同之浓度分布外形。固定表面浓度 (constant surface concentration) 与固定表面搀杂量 (constant surface dosage)，是两种常被讨论的具有解析解的扩散边界条件(参见图2-4)： 2、前扩散 (pre-deposition)
种定浓度边界条件的浓度解析解是所谓的互补误差函数(complementary error function)，其对应之扩散步骤称为「前扩散」，即我们一般了解之扩散制程；当高温炉管升至工作温度后，把待扩散晶圆推入炉中，然后开始释放扩散源 (p型扩散源通常是固体呈晶圆状之氮化硼【boron-nitride】芯片，n型则为液态POCl3之加热蒸气) 进行扩散。其浓度剖面外形之特征是杂质集中在表面，表面浓度，并随深度迅速减低，或是说表面浓度梯度 (gradient) 值极高。
3、后驱入 (post drive-in)
第二种定搀杂量的边界条件，具有高斯分布 (Gaussian distribution) 的浓度解析解。对应之扩散处理程序叫做「后驱入」，即一般之高温退火程序；基本上只维持炉管的驱入工作温度，扩散源却不再释放。或问曰：定搀杂量的起始边界条件自何而来？答案是「前扩散」制程之结果；盖先前「前扩散」制作出之杂质浓度集中于表面，可近似一定搀杂量的边界条件也！
至于为什么扩散要分成此二类步骤，当然不是为了投数学解析之所好，而是因应阻值调变之需求。原来「前扩散」的杂质植入剂量很快达到饱和，即使拉长「前扩散」的时间，也无法大幅增加杂质植入剂量，换言之，电性上之电阻率 (resistivity) 特性很快趋稳定；但「后驱入」使表面浓度及梯度减低(因杂质由表面往深处扩散)，却又营造出再「前扩散」来增加杂质植入剂量的机会。所以，借着多次反复的「前扩散」与「后驱入」，既能调变电性上之电阻率特性，又可改变杂质电阻之有效截面积，故依大家熟知之电阻公式 ； 其中 是电阻长度可设计出所需导电区域之扩散程序。
4、扩散之其它要点，简述如下：
(1)扩散制程有批次制作、成本低廉的好处，但在扩散区域之边缘所在，有侧向扩散的误差，故限制其在次微米 (sub-micron) 制程上之应用。
(2)扩散之后的阻值量测，通常以四探针法（four-point probe method）行之，示意参见图2-5。目前市面已有多种商用机台可供选购。 (3)扩散所需之图形定义（pattern）及遮掩（masking），通常以氧化层（oxide）充之，以抵挡高温之环境。一微米厚之氧化层，已足敷一般扩散制程之所需。