材料制备工艺与设备 电子工业董用设备 － 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） 摘 要：对硼扩散浓度和扩散深度的控制技术进行了研究。通过采用两步扩散步骤、预扩散采用 双面扩散的方式、再分布采用密闭碳化硅管、控制扩散温度和扩散时间，有效地控制了扩散层浓 度和结深。 关键词：硼；扩散浓度；扩散深度 中图分类号：ＴＮ３０５．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—４５０７（２０１１）１２—００１２－０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｂｏｒｏｎ Ｄｉｆｆｕｓｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｗａｆｅｒｓ ＷＡＮＧ Ｃｈｕｎｍｅｉ，ＴＯＮＧ Ｌｉｙｉｎｇ，ＳＨＩ Ｊｉｘｉａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｃｏｎｇ （Ｔｈｅ ４６ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｂｏｒｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｔｗｏ—ｓｔｅｐ ｄｉｆｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ｗｅ ｕｓｅ ｄｏｕｂｌｅ－ｓｉｄｅｄ ｄｉｕｓｉｆｏｎ ｉｎ ｐｒｅ—ｄｉｆｕｓｉｆｏｎ ａｎｄ ｓｅａｌｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｔｕｂｅ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｄｉｕｓｉｆｏｎ．Ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｕｓｉｆｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｔｉｍｅ，ｄｉｕｓｉｆｏｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｏｒｏｎ；ｄｉｕｓｉｆｏｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ；ｄｉｕｓｆｉｏｎ ｄｅｐｔｈ 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，与时问无关；限 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 定表面源扩散为高斯分布，当扩散温度７１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， （扩散后对正面抛光时要去除５ Ｉｘｍ，因此扩散试 验时要按照３５ ｍ进行）。 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 扩散层浓度≥５×１０ ９／ｃｍ ；扩散层深度≥３０¨ｍ 件进行了研究。 １试验设备 ４５１４．１６５高温扩散炉；ＤＡＧ８１０单面减薄机； 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 收稿日期：２０１１－０６．３０ ／＾、 （总第２０３期）圜■囡皿 － 电子工业专用设苗 材料制备工艺与设备 ＭＳ１０３多功能晶片测试系统；ＢＨ一２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： Ⅳ（川） ‘ｅｒｙｅ（ ） （ ） 式中： 一表面杂质浓度（即为杂质在该温度 下的固溶度）； Ｄ一扩散系数。 扩散片深度 可以表示为（２）式［１Ｉｚ］： ＝２ ・ｅ咖 ＝４ （２） ＶＳ 式中：Ⅳ『－硅衬底原有杂质浓度； 一表面杂质浓度（即为杂质在该温度 下的固溶度）； Ｄ一扩散系数； Ａ一仅与比值％／ 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 ｔｘｍ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 且预扩散的时问短。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 表１单面和双面的扩散深度 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２不同再分布温度下的结深 温度／￣ｃ 序号 １ ２００ １ ２２０ １ ２４０ １ ２５０ 结深／ ｍ １ ２８ ３６ ４３ ４８ ２ ２７ ３５ ４２ ４７ ３ ２８ ３６ ４２ ４７ ４ ２８ ３７ ４３ ４６ ５ ２７ ３６ ４３ ４７ ６ ２９ ３７ 。 ４４ ４７ ７ ２８ ３６ ４３ ４７ ８ ２８ ３５ ４３ ４９ ９ ２７ ３６ ４３ ４７ １０ ２８ ３６ ４４ ４７ 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 ｌ 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。 鱼 茎 鱼 蚕 囝 表３不同再分布扩散时间的扩散深度 再分布温度１ ２４０℃的条件下，再分布的时问越 再分布时间／ｈ ｌ序号 ４０ ４５ ５０ ５５ 长，高浓度的扩散层的深度越深，当再分布时间大 扩散深度／ ｍ 于４５ ｈ时，高浓度的扩散层的深度大于３５ ｍ。 【 １ ２７ ３５ ４４ ４８ （４）确定了合适的工艺条件。预扩散：通氮气， ｌ ２ ２６ ３６ ４３ ４９ １ ３ ２７ ３５ ４３ ４８ 双面扩散，扩散温度为１ ０３０℃，扩散时间为１５ ｈ； ４ ２６ ３５ ４３ ４８ 再分布：采用碳化硅管，扩散温度为１ ２４０℃，扩 ５ ２７ ３６ ４４ ４９ 散时间为５０ ｈ。 ６ ２７ ３５ ４３ ４８ ７ ２７ ３６ ４３ ４８ ８ ２６ ３５ ４３ ４９ 参考文献： ９ ２７ ３５ ４４ ４８ １０ ２７ ３５ ４３ ４８ ［１】 电子工业生产技术手册编委会．电子工业生产技术手 ３结论 册（第七册）【Ｍ］ 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 （１）双面扩散的结深比单面扩散要深。 社，２００３：６２．８５． 址 （２）在预扩散条件（双面扩散）和再分步时间 作者简介： 为５０ ｈ的条件下，再分布温度越高，高浓度的扩 王春梅（１９６６ ），男，河北南宫人，高级工程师，半导 散层的深度越深，当再分布的温度高于１ ２２０℃ 体材料事业部副主任，１９８８年毕业于北京大学化学系，获 时，高浓度的扩散层的深度大于３６ ｍ。 得理学士学位，后获得天津大学电子通信工程硕士学位， （３）在本文所述的预扩散条件（双面扩散）和 在国内外刊物和会议上发表论文２０多篇。 （上接第４页） （２）基于固液交界面热场的动态平衡理论而 制造与测试，１９８７１２．１５． 深入细致地分析复杂非线性多变量，是设计单晶 ［４］ 刘曙光，李润源．单晶炉等径生长计算机控制系统［Ｊ】． 炉自动控制系统的成功保证，控制方案是建立在 机电工程，１９９９（２）：１４．１６． ６３个相关变量基础之上，５个关键变量是建立在 【５］ 何茂栋．太阳能光伏单晶硅炉晶体生长的模糊ＰＩＤ控 其它５８个相关变量被分别稳定控制基础之上的， 制系统研究【Ｄ】．北京航空航天大学工程硕士论文．２００９ （】０）：】６．】８． 尤其注意热场变量是非线性时变变量，必须下大 工夫研究方可深入掌握。 作者简介： （３）在以上条件下，单晶炉的全自动控制以 及网络化实现不难解决。实际控制效果在１５０～ 李润源（１９５６．），男，原西安理工大学晶体生长设备研 究所高级工程师，主要研究方向：晶体生长技术与材料设 ２００ ｍｍ（６～８英寸）４－１ⅡｌＩｎ重复实现，同时保证 备。２０００年８月经北京市双高人才中心公开招聘，调 单晶称重成品率在８０％以上。 任北京京仪集团，任集团副总工程师、北京京仪世纪电子 股份有限公司总工程师，博士后科研工作站指导教师。北 参考文献： 京市光伏装备工程技术研究中心、太阳能光伏核心装备技 术北京市工程实验室常务副主任。荣获中国机械工业系 ［１］ 李润源．单晶炉等径控制系统设计［Ｊ】．陕西机械学院 统劳动模范，北京市五一劳动奖章。科学中国人２００９年度 第二届科技技术报告会，１９８５（２１：１－４． 人物等多项表彰。兼任中国电子工业专用设备行业协会副 ［２］ 李润源．单晶炉等径控制系统设计应用［Ｊ］．ＬＳＩ制造 理事长，中国电子材料协会半导体材料分会理事，北京真 与测试，１９８６（５）：８—１１． 空技术协会副理事长，获国家级及省部级多项科技奖励， 【３］ 李润源．走向９０年代的直拉法单晶生长技术［Ｊ】．ＬＳＩ 专利多项。国内外微电子材料与设备研究知名专家。 ⑩（总第２０３期）髓■圈
