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29

2025

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半导体热处理工艺之扩散

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行业资讯

【概要描述】

在半导体芯片的精密制造流程中，热处理技术是贯穿始终的核心工艺环节，其本质是通过精准控制温度场与处理时间，调控半导体材料的晶体结构、杂质分布及界面特性，为器件性能奠定基础。离子注入、氧化、扩散等关键工艺，均需依赖热处理修复材料缺陷、激活功能原子或优化界面结合，直接影响芯片的电学性能、可靠性与良率。今天，我们一起聊聊热处理工艺中的扩散。

 

1952年，Pfann提出利用扩散技术改变硅导电类型的方法。在高温条件下，利用热扩散原理将杂质元素按工艺要求掺入硅衬底中，使其具有特定的浓度分布，达到改变材料的电学特性，形成半导体器件结构的目的。

 

扩散的工艺机理

  1. 替位式杂质替换：杂质原子位于晶格位点上，与硅原子发生位置交换。

落在晶格位置上的杂质，在晶格位置势能相对最低，间隙处是势能最高位置。所需能量少，更易发生。

 

（2）填隙式杂质扩散：杂质原子在晶格中硅原子的间隙之间移动。

存在于晶格间隙的杂质，以间隙形式存在于硅中的杂质，主要是半径较小，不容易和硅原子键合的原子。

只要浓度梯度未达到平衡，或温度未降低至原子无法移动的程度，掺杂剂就会持续扩散。扩散过程的速率取决于多个因素：

1.掺杂剂类型

2.浓度梯度

3.温度

4.衬底

5.衬底的晶体取向

扩散工艺的分类

(1)固态扩散

将含有所需掺杂剂的源片置于晶圆之间。当石英管内温度升高时，源片中的掺杂剂会扩散到管内气氛中，在载气的作用下均匀分布，最终抵达晶圆表面并完成掺杂。

常用的固态源头有B源（BN化学性质稳定） ，P源 （NH4H2PO4 ）

固态源扩散优点在于重复性、稳定性较液态源好，缺点则是源存储易受潮，需提前活化处理

(2)液态源扩散

使载气通过液相源，将掺杂剂以气态形式携带至石英管内与晶圆接触。为避免晶圆产生应力甚至破裂，石英管需逐步升温（例如每分钟升温 10℃）至 900℃，之后再向管内通入掺杂剂；随后继续升温至 1200℃，启动扩散过程。

常用液态源头有B源（溴化硼BBr₃）、P源（三氯氧磷POCl₃）

优点：系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性好，均匀性好；缺点：腐蚀性高，起泡器加压（易炸），对温度灵敏

 

(3)气态源扩散

向载气（如氮气、氩气等）中通入目标掺杂剂（同样为气态，例如磷化氢 PH₃或乙硼烷 B₂H₆），随后将混合气体导入石英管并接触硅晶圆，晶圆表面与气体间会发生浓度平衡，实现掺杂。常用掺杂源：PH3、B2H6 、AsH3、SbH3

优点：

a）比液态源扩散更方便

b）气态源多为氢化物或氯化物杂质，毒性大，易燃易爆

扩散的工艺特点

扩散工艺步骤

 

1，可同时处理多片晶圆，工艺效率较高；

2，若硅晶体中已存在掺杂剂，后续高温工艺可能导致其发生 “外扩散”（diffuse out）；

3，掺杂剂可能沉积在石英管内壁，后续工艺中可能再次迁移至晶圆表面造成污染；

4，晶体中的掺杂剂不仅会沿垂直于晶圆表面的方向扩散，还会发生横向扩散，导致掺杂区域非预期扩大

 

扩散的工艺设备

扩散设备主要是立式炉和卧式炉，传统扩散设备主要是卧式扩散炉，也有少量的立式扩散炉。

立式炉其加热炉体、反应管及承载晶圆的石英舟均采用垂直布局设计。其控制系统主要由工艺腔（炉管）、硅片传输系统、气体分配系统、尾气处理系统和温控系统五部分构成。

卧式炉的石英管水平放置，用于放置和加热硅片。其主要控制系统与立式炉相同，也分为炉管、硅片传输系统、气体分配系统、尾气系统和控制系统五部分。

常见的卧式扩散炉的主要技术指标为：

  • 工作温度范围为600～1300℃；
  • 恒温区长度为600～1100mm；
  • 恒温区精度为±0. 5℃；
  • 最大可控升温速率不小于15℃/min；
  • 最大可控降温速率不小于5℃/min。

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