图形尺寸不同的元器件在不同温度下的热积存

热积存取决于栅极的尺寸，也就是IC芯片的最小图形尺寸。栅极长度较小的元器件能使源极/漏极扩散的空间小，因此也只有较小的热积存。由于最小图形尺寸的缩小，晶圆只能在高温（超过1000摄氏度）过程中停留很短的时间，所以需要紧凑的热积存控制。下图显示了图形尺寸不同的元器件在不同温度下的热积存（某温度下所能停留的时间）。

下图假设掺杂物的表面浓度为10的20次方原子/平方厘米。图形尺寸越小的元器件，热积存也越小。如0.25 um的元器件经过源极/漏极注入之后只能在1000摄氏度）过程中停留很短的时间，所以需要紧凑的热积存控制。

下的温度下停留24s,而2 um的元器件能停留1000s。降低温度能使热积存明显增加，比如经过源极/ 漏极注入后的0. 25 um的元器件能够在900摄氏度的温度下停留200s,而当温度为800摄氏度时，可以停留3000s。

沉积和驱入过程

一般扩散掺杂工艺的顺序为先进行预沉积，然后为驱入过程。1050摄氏度时首先在晶圆表面沉积一层掺杂氧化层，如B2O3或P205。接着再用热氧化工艺消耗掉残余的掺杂物气体，并且在硅晶圆上生长一层二氧化硅层覆盖掺杂物，避免掺杂物的向外扩散。预沉积及覆盖层氧化反应中最常用的硼和磷原材料为二硼烷(B2 H6 )和三氯氧化磷(Phosphorus Oxychloride,即 POC13, 一般称为POCL),它们的化学反应式可表示如下：

硼：预沉积：B2H6+2O2->B2O3+3H2O

覆盖层氧化反应：2B2O3 +3Si — 3SiO2 +4B 2H2O + Si t SiO2 +2H2

磷：预沉积：4POC13 +3O2-> 2P2O5 +6C12

覆盖层氧化反应：2P2O5 +5Si — 5SiO2 +4P

二硼烷(B2H6)是一种有毒气体，闻起来带有烧焦的巧克力甜味。如果吸入或被皮肤吸收会有致命危险。二硼烷可燃，自燃温度为56Y；当空气中的二硼烷浓度高于0.8%时会产生爆炸。POCL3的蒸气除了引起皮肤、眼睛及肺部不适外，甚至会造成头晕、头痛、失去胃口、恶心及损害肺部。其他常用的N型掺杂化学物为三氢化碑(Ash’)和三氢化磷(PH3),这两者都有毒、易燃且易爆。它们在预沉积和氧化过程中的反应都和二硼烷(B2H6)类似。

下图所示为硼的预沉积和覆盖氧化过程使用的高温炉扩散系统。为了避免交叉污染，每个炉管仅适用一种掺杂物。

接着在氧气环境下将高温扩散炉的温度升高到1200摄氏度提供足够的热能使掺杂物快速扩散到硅衬底。驱入时间由所需的结深决定，可以通过已有的理论推算出每种掺杂物所需的驱入时间。下图显示了扩散掺杂工艺中的预沉积、覆盖氧化过程和驱入过程。

扩散工艺无法单独控制掺杂物的浓度和结深，这是因为两者都与温度密切相关。扩散是一种等向性过程，所以掺杂物原子都将扩散到遮蔽氧化层的边缘下方。但由于离子注入对掺杂物的浓度和分布能很好控制，所以先进IC生产中几乎所有的半导体掺杂过程都使用离子注入技术完成。扩散技术在先进IC制造中的主要应用是在阱区注入退火过程中将掺杂物驱入。

20世纪90年代晚期，研发部门为了形成超浅结深(Ultra-Shallow Junction, USJ)使扩散技术再次流行，首先利用CVD技术将含有高浓度硼的硼硅玻璃(BSG)沉积在晶圆表面，接着利用快速加热工艺(RTP)再将硼从BSG中驱出并扩散到硅中形成浅结。下图显示了超浅结形成时的预沉积、扩散和剥除过程。

审核编辑：刘清