晶圆中不同层面杂质原子浓度是影响结二极管和晶体管性能的重要因素。图11.14显示了淀积后杂质浓度随深度变化的关系曲线。曲线的形状是特定的，这就是数学中所称的误差函数（error function）。影响器件性能的一个重要参数就是晶圆表面的杂质浓度。这被称为表面浓度（surface concentration），是误差函数曲线与纵轴相交处的值。另外一个淀积参数就是扩散到晶圆内部的全部杂质原子数量。这个数量随淀积的时间而增加。计算上，原子的数量(Q)由误差函数曲线下方的面积代表。
淀积步骤
淀积分为四步，它们是
1. 预清洗与刻蚀 2. 炉管淀积 3. 去釉 4. 评估
图11.13 硅种杂质的固溶度
图11.14 三中不同淀积时间的典型淀积杂质分布（误差函数）图
预清洗与刻蚀。 淀积前的晶圆要先经过预清洗工艺去除微粒与沾污。所用化学品及工艺与氧化前的清洗相同。预清洗后，晶圆由HF或HF与水的溶液进行化学刻蚀，以去除晶圆暴露表面上可能长出的氧化物。晶圆暴露在空气中或化学预清洗都可能形成晶圆表面的氧化物。氧化物的去除对于杂质能无阻止地进入晶圆表面是必需的。刻蚀时间与浓度必须很好地平衡，以避免掩膜氧化层被去除或变得过薄。
淀积。 淀积工艺象氧化工艺一样，最少需要三个循环。第一个循环是上料循环，此过程在氮气环境中进行。第二个循环使是积掺杂循环。第三个循环时下料循环，此过程也是在氮气环境中进行。
晶圆在舟上以合适的角度放置（图11.15）或与炉管的轴向平行。适宜角度放置可以达到最大的放置密度，但由于晶圆阻碍气体流动，可能导致均匀度问题。对于均一掺杂，气体在各晶圆间必须混合均匀。平行的放置方式由于气体能无阻碍的在晶圆间流动，从而提供均匀性上的优势，缺点是上料密度低。两种放置方式中，都用假片放置在舟的前后端，以保证中间器件晶圆的均匀掺杂。
图11.15 舟的上料模式 （ａ）平行模式 （ｂ）垂直模式
去釉。 淀积循环中，暴露的晶圆表面会形成一薄层氧化物。这一氧化物薄层被掺杂，在后续的推进工序中会起到我们不想要的杂质源的作用。同时，淀积产生的氧化物可能无法刻蚀掉，在后续的掩膜工艺中导致刻蚀不完全。此氧化物薄膜通过在稀释的HF溶剂中浸泡、水冲和干燥步骤去除。
评估。 测试陪片同器件晶圆一起被加到舟上，进入到淀积炉管中。淀积陪片上没有图形，同时具有与掺杂物相反的导电类型。他们被放在淀积舟的不同位置上，对整批晶圆的淀积分布进行采样。去釉后，对陪片进行评估。主要的在线测试应用四探针测试仪进行方块电阻测试或采用无接触的测试设备。方块电阻的概念和测试技术在第14章中进
行介绍。淀积后的结深非常浅，通常不在此时对其进行测试。
对工艺和炉管清洁度的合格确认，是通过对陪片进行氧化与电容-电压测试 （C-V）以监测可移动离子沾污来进行的（第14章）。器件晶圆会在高亮度紫外灯或显微镜下进行100%或采样表面污染监测。
扩散源
淀积依赖于待掺杂物质蒸汽原子在炉管中的浓度。蒸汽产生于炉管设备上的杂质源箱内的杂质源，由携带气体带入炉管中。杂质源为液态，固态或气态。多种元素有超过一种形态的杂质源可以使用。（图11.16）2
液态源。 液态源为含有所需掺杂元素的氯化物或溴化物。所以，硼的液态源为溴化硼
（BBr3）而磷的液态源为氯氧化磷（POCl3）。液态源被储存在控温的长颈石英瓶中。（图11.17）惰性气体，比如氮气，通过加热的液态源时吹出气泡，进而变为待掺杂蒸汽的饱和气体。长颈石英瓶连接在装有微机控制阀门的气体管线上。一定量的氮气携带掺杂物质蒸汽进入炉管，在炉管内部形成稳定的层流。层流在炉管中是必需的，以防止螺旋气流的产生并影响晶源的均匀性。另一个用于形成层流的器件是位于炉管进口处的障板（图11.18）。障板将流进的气体分割为层流的形式。
用于将杂质源变成元素形式的反应气体也连接在管线上。对于BBr3, 如图11.19所示，反应气体是氧气，形成氧化硼，B2O3.在晶圆表面，一层三氧化二硼淀积在硅表面，硼进而从氧化层中扩散进晶圆表面。液态源提供低到中的成本与连续掺杂的优势。劣势在于均匀度问题（尤其对直径较大的晶圆）、安全考虑，以及需要打开长颈石英瓶填料所导致的潜在污染问题。多家供应商提供密封的可插入式安瓿包装的液态源，减小了沾污问题与安全问题。 类型 元素 化合物名称 分子式 状态 N P 锑 砷 磷 硼 金 铁 氧化锑 三氢化砷 氯氧化磷 三氢化磷 溴化硼 Sb2O3 AsH3 POCl3 PH3 BBr3 固态 固态 气态 液态 固态 气态 液态 固态 气态 气态 固态 反应 2AsH3+3O2--?As2O3+3H2O 4POCl3+3O2--?2P2O5+6Cl2 2PH3+4O2--?P2O5+3H2O 4BBr3+3O2--?2B2O3+6Br2 B2H6+3O2--?B2O3+3H2O BCl3+3H2--?2B+6HCl 三氧化二砷 As2O3 五氧化二磷 P2O5 三氧化二硼 B2O3 六氢化二硼 B2H6 三溴化硼 氮化硼 金 BCl3 BN Au Fe 固态（蒸发） 铜 锂 锌 锰 镍 钠 Cu Li Zn Mn Ni Na 沾污带来的不期望的杂质 图11.16 淀积源表 图11.17 液态杂质源
图11.18 适用障板形成层流
图11.19 淀积炉管中的液态BBr3与氧气反应。
气态源。 所有晶圆厂都偏好使用气态源。这些是杂质原子的氢化物，例如氢化砷 （AsH3），乙硼烷(B2H6)。这些气体在加压的容器中混合稀释到不同浓度，直接连接到气体管路上（图11.20）。气态源具有可通过压力阀精确控制的优势，被优先考虑用在大直径晶圆的淀积上。
气态源工艺通常较液态源洁净度好，因为压力气态源较液态源使用时间长。不利的一面，气体管路中的不需要的反应会产生二氧化硅废物，污染炉管与晶圆。2
固态源。 最原始的淀积源是固态的。所需杂质的氧化物粉末被置于石英容器中，称作匙，容器至于依附在主炉管的源炉管中。（图11.21a）在源炉管中，氧化物释放出源的蒸汽，被带入淀积炉管，并在那里进行扩散反应。这种设置被称为远程固态源。远程固态源经济但是不均匀。它们主要用于精确度要求不高的分立器件的掺杂。
更通用的另一种固态源是平面源“晶圆“（图11.21b）。它们是晶圆一样大小的一块。硼块是含硼和氮的化合物（BN）。也有可用作砷和磷掺杂的杂质块。
图11.20 气态源管路
图11.21 固态源 （a）远程源炉管； (b) 近邻源
杂质块堆放于淀积舟上，每两片器件晶源放一片杂质块。这种排列方式被称为近邻固态源（solid neighbor source）。在炉管中，杂质从杂质块中扩散出，通过很短的距离到达并扩散到晶圆表面内部。由于杂质块与晶圆的大小相同，这种系统对于大尺寸的晶圆上具有很好的均匀性。杂质块使用安全，室温下没有有毒蒸汽。杂质块使用的不利方面有杂质块的破碎，产能低（杂质块要占据炉管中的位置）以及杂质块的清洗需求。有些杂质块需要烘烤步骤以维持掺杂活跃性。
第三种固态源是直接旋转涂抹在晶圆表面的。源是粉末状氧化物（同远程源相同）与溶剂的混合物。他们被类似于涂抹光刻胶的设备旋转涂抹在晶圆表面，并烘烤以蒸发掉其中的溶剂。留在晶圆表面的就是一层掺杂的氧化物。这些晶圆被置于舟上放到淀积炉管中，热使杂质从氧化物中扩散到晶圆内部。
旋转涂抹杂质的方法有高均匀性的潜能，提供高产能，同杂质块一样使用安全。该系统的问题在于杂质在氧化层中的分布、厚度的变化，与额外涂抹烘烤设备的成本。
封闭炉管淀积
一些生产商使用IBM开发的封闭炉管系统（图11.22）。晶圆与粉末状的杂质源被放在抽空空气的密封的极低压的石英舱（安瓿）中。石英舱被放在炉管中，热使粉末源释放杂质的蒸汽并扩散到晶圆中。由于舱中没有空气，扩散均匀。这种系统由于舱的高成本而没被广泛采纳（舱在打开时会被破坏掉，每用一次就要抛弃）。
推进氧化
扩散工艺的第二个主要部分就是推进氧化步骤。它的不同称谓有推进（drive-in），扩散（diffusion），再氧化（reoxidation）或reox。这步的目的有两部分：
1. 杂质在晶圆中向深处的再分布。在淀积过程中，高浓度但很浅的薄层扩散进晶
圆表面。推进过程没有杂质源。就像喷雾瓶按下喷嘴后喷出的物质会不断地扩散到整个房间一样，仅是热推动杂质原子向晶圆的深度和广度扩散。此步中，淀积所引入的原子数量（Q）恒定不变。表面的浓度降低，原子形成新的形状的分布。推进步骤后的分布在数学上用高斯分布来描述（图11.23）。结深增加。通常，推进工艺的温度高于淀积步骤。
2. 推进氧化的第二个目的就是氧化晶圆的暴露表面。炉管中的氛围是氧气或水汽，
杂质推进的同时进行氧化。
图11.22 舱式扩散
图11.23 推进氧化。 (a) 晶圆的剖面图；(b) 晶圆内部的杂质浓度。
推进氧化的设置、工艺步骤和设备与氧化的相同。推进完成后，晶圆会再次被评估。测试陪片（来自淀积步舟）会再次被四探针测试表面浓度，器件晶圆会被检洁净晶度。测试陪片用于测量结深并有可能用于测量可动离子的污染。一些扩散步骤后，会对工程电路小片上的测试结构进行电测试以获得结的参数。
氧化的影响
晶圆表面的氧化影响到杂质的最终分布。3这种影响与表层杂质氧化后的易位有关。回想，硅的氧化是需从表面开始消耗硅的。问题是，表层的杂质发生了什么？问题的答案由杂质的导电类型而定。
如果杂质为N-型，发生所谓的堆积效应（pile-up）（图11.24a）。当氧化物-硅的界面提升到界面时，N-型杂质原子会向硅中分流而不是氧化物中。这个效应增加了硅的新表层中杂质的数量。换言之，N-型杂质在晶圆表面堆积，杂质的表面浓度增加。堆积效应改变器件的性能。
图11.24 氧化过程中的堆积与耗尽现象。(a) N-型杂质的堆积； (b) P-型杂质的耗尽
如果杂质为P-型的硼，会发生相反的效应。硼原子更容易溶在氧化层中，并被吸到氧化层中（图11.24）。对晶圆表面的影响是降低了硼原子的浓度，从而也影响到器件的电性能。图11.25列出了对淀积与推进氧化的总结。图11.26显示了淀积与推进步骤对扩散电参数的影响。
