第五章扩散制作PN结Pfann在1952年提出采用扩散技术改变硅或锗的导电类型的设想[1]。此后，人们对如何用扩散方法将掺杂剂引进硅中又提出种种设想，其研究目标是如何控制硅中掺杂剂的浓度、均匀性、重复性以及大批量生产过程中如何降低成本。现在，扩散作为一项基础核心技术在半导体元器件制造工艺中得到广泛的应用。我们可以使用下列方法将掺杂剂原子引入硅中：⑴高温下汽相形成的化学源扩散；⑵掺杂氧化物源的扩散；⑶离子注入层的退火与扩散。离子注入层的退火是为了激活注入原子和减少离子注入造成的晶体损伤。当退火在高温下进行时，扩散便同时发生。在集成电路工艺中离子注入有着广泛的应用。扩散研究的另一方面是改进由实验数据而来的扩散模型，从理论分析预测所得到的扩散结果。最终目标是根据工艺参数来计算半导体器件的电特性。扩散理论主要从以下两个方面发展，即Fick扩散方程的连续性理论和涉及到点缺陷、空位和填隙原子以及杂质原子间相互作用的原子理论。连续性理论是根据具有适当的扩散系数的Fick方程的解来描述扩散现象。掺杂元素的扩散系数可以根据表面浓度、结深或浓度分布等实验测试和Fick方程的解来确定。杂质浓度不高时，测得的扩散分布性能良好，并且与扩散系数为常数的Fick方程相符合。在这些情况中，原子怎样运动并不知道。而当杂志浓度较高时，扩散浓度与简单扩散理论所预言的结果有偏离，而且杂质扩散还受简单Fick扩散定律未考虑在内的其他因素的影响。因为扩散分布的测量揭示出扩散效应对浓度依赖性，所以高浓度扩散须应用与浓度有关的Fick扩散方程。与浓度有关的扩散系数已由Boltzman—Matano分析或其他的解析式决定。基于缺陷—杂质相互作用的原子扩散模型用来解释与浓度有依赖关系的扩散系数和包括快速热处理（RTP）、快速热扩散（RTD）过程的其他反常扩散所得到的实验结果。原子扩散理论依旧处于积极的发展状态中。许多扩散理论和实验结果已经归并入各种工艺模型中。Taurus-Process和TSUPREM4[3]结合了所有重要的物理模型来精确分析深亚微米扩散现象，包括高浓度效应(Highconcentrationeffects.)，氧化增强和延缓(Oxidationenhancementandretardation)（OEDandORD）效应，掺杂剂通过电场、配对、和发射非平衡电缺陷交互作用(Dopantinteractionthroughtheelectricfield,pairing,andemittingnon-equilibriumpointdefects.)，瞬态增强扩散(Transientenhanceddiffusion)（TED）,位错环形成和发展（Dislocationloopformationandevolution），杂质在多晶硅中的扩散与晶粒尺寸的关系（Dopantdiffusioninpolysiliconwithdependenceongrainsize），杂质与多晶硅中晶粒尺寸变化的关系（Dopantdependentgrainsizeevolutioninpolysilicon），氮抑制Si/SiO2结构中带隙复合速率（Nitrogen-suppressedinterstitialrecombinationrateatSi/SiO2），氟增强杂质在氧化层的扩散速率（Fluorine-enhanceddopantdiffusivityintheoxide），厚度（即结构）与氧化层中杂质扩散速率的（Thickness(i.e.structure)dependentdopantdiffusivityintheoxide），由于工艺模型仍在发展，所以我们必须意识到模型的局限性。5.1扩散的基本原理高温下，单晶固体中会产生空位和填隙原子之类的点缺陷。当存在主原子或杂质原子的浓度梯度时，点缺陷会影响原子的运动。在固体中的扩散能够被看成为扩散物质借助于空位或自身填隙在晶格中的原子运动。图1.所示为晶格常数为a的简化二维晶体结构中的原子扩散模型。空心圆表示占据低温晶格位置的主原子，实心圆既表示主原子也表示杂质原子。在高温情况下，晶格原子在其平衡晶格位置附近振动。当某一晶格原子偶然地获得足够的能量而离开晶格位置，成为一个填隙原子，同时产生一个空位。当邻近的原子向空位迁移时，这种机理称为空位扩散。假如填隙原子从一处移向另一处而并不站据晶格位置，则称为填隙扩散。一个比主原子小的原子通常做填隙式运动。填隙原子扩散所需的激活能比那些按空位机理扩散的原子所需的激活能要低。采用统计热力学的方法能估算给定晶体的点缺陷的浓度和激活能并发展其扩散理论[2]。然后将理论结果与实验发现做出比较。例如，就硅而...
