一、擴散(爐) (diffusion) 

1、擴散攙雜 

半導(dǎo)體材料可攙雜n型或p型導(dǎo)電雜質(zhì)來調(diào)變阻值，卻不影響其機械物理性質(zhì)的特點，是進一步創(chuàng)造出p-n接合面（p-n junction）、二極管（diode）、晶體管（transistor）、以至于大千婆娑之集成電路（IC）世界之基礎(chǔ)。而擴散是達成導(dǎo)電雜質(zhì)攙染的初期重要制程。 

眾所周知，擴散即大自然之輸送現(xiàn)象 (transport phenomena)；質(zhì)量傳輸(mass transfer)、熱傳遞(heat transfer)、與動量傳輸 (momentum transfer；即摩擦拖曳) 皆是其實然的三種已知現(xiàn)象。本雜質(zhì)擴散即屬于質(zhì)量傳輸之一種，唯需要在850oC以上的高溫環(huán)境下，效應(yīng)才夠明顯。 

由于是擴散現(xiàn)象，雜質(zhì)濃度C （concentration；每單位體積具有多少數(shù)目的導(dǎo)電雜質(zhì)或載子）服從擴散方程式如下： 

這是一條拋物線型偏微分方程式，同時與擴散時間t及擴散深度x有關(guān)。換言之，在某擴散瞬間 (t固定)，雜質(zhì)濃度會由最高濃度的表面位置，往深度方向作遞減變化，而形成一隨深度x變化的濃度曲線；另一方面，這條濃度曲線，卻又隨著擴散時間之增加而改變樣式，往時間無窮大時，平坦一致的擴散濃度分布前進！ 

既然是擴散微分方程式，不同的邊界條件（boundary conditions）施予，會產(chǎn)生不同之濃度分布外形。固定表面濃度 (constant surface concentration) 與固定表面攙雜量 (constant surface dosage)，是兩種常被討論的具有解析精確解的擴散邊界條件： 

2、前擴散 (pre-deposition) 

第一種定濃度邊界條件的濃度解析解是所謂的互補誤差函數(shù)(complementary error function)，其對應(yīng)之擴散步驟稱為「前擴散」，即我們一般了解之擴散制程；當高溫爐管升至工作溫度后，把待擴散晶圓推入爐中，然后開始釋放擴散源 (p型擴散源通常是固體呈晶圓狀之氮化硼【boron-nitride】芯片，n型則為液態(tài)POCl3之加熱蒸氣) 進行擴散。其濃度剖面外形之特征是雜質(zhì)集中在表面，表面濃度最高，并隨深度迅速減低，或是說表面濃度梯度 (gradient) 值極高。 

3、后驅(qū)入 (post drive-in) 

第二種定攙雜量的邊界條件，具有高斯分布 (Gaussian distribution) 的濃度解析解。對應(yīng)之擴散處理程序叫做「后驅(qū)入」，即一般之高溫退火程序；基本上只維持爐管的驅(qū)入工作溫度，擴散源卻不再釋放?；騿栐唬憾〝v雜量的起始邊界條件自何而來？答案是「前擴散」制程之結(jié)果；蓋先前「前擴散」制作出之雜質(zhì)濃度集中于表面，可近似一定攙雜量的邊界條件也！ 

至于為什么擴散要分成此二類步驟，當然不是為了投數(shù)學解析之所好，而是因應(yīng)阻值調(diào)變之需求。原來「前擴散」的雜質(zhì)植入劑量很快達到飽和，即使拉長「前擴散」的時間，也無法大幅增加雜質(zhì)植入劑量，換言之，電性上之電阻率 (resistivity) 特性很快趨穩(wěn)定；但「后驅(qū)入」使表面濃度及梯度減低(因雜質(zhì)由表面往深處擴散)，卻又營造出再一次「前擴散」來增加雜質(zhì)植入劑量的機會。所以，借著多次反復(fù)的「前擴散」與「后驅(qū)入」，既能調(diào)變電性上之電阻率特性，又可改變雜質(zhì)電阻之有效截面積，故依大家熟知之電阻公式 ； 其中 是電阻長度可設(shè)計出所需導(dǎo)電區(qū)域之擴散程序。 

4、擴散之其它要點，簡述如下： 

 (1)擴散制程有批次制作、成本低廉的好處，但在擴散區(qū)域之邊緣所在，有側(cè)向擴散的誤差，故限制其在次微米 (sub-micron) 制程上之應(yīng)用。 

(2)擴散之后的阻值量測，通常以四探針法（four-point probe method）行之，示意參見圖2-5。目前市面已有多種商用機臺可供選購。 (3)擴散所需之圖形定義（pattern）及遮掩（masking），通常以氧化層（oxide）充之，以抵擋高溫之環(huán)境。一微米厚之氧化層，已足敷一般擴散制程之所需。 

 二、氧化（爐）（Oxidation） 

對硅半導(dǎo)體而言，只要在高于或等于1050℃的爐管中，如圖2-3所示，通入氧氣或水汽，自然可以將硅晶的表面予以氧化，生長所謂干氧層(dryz/gate oxide)或濕氧層(wet /field oxide)，當作電子組件電性絕緣或制程掩膜之用。氧化是半導(dǎo)體制程中，最干凈、單純的一種；這也是硅晶材料能夠取得優(yōu)勢的特性之一（他種半導(dǎo)體，如砷化鎵 GaAs，便無法用此法成長絕緣層，因為在550℃左右，砷化鎵已解離釋放出砷?。┕柩趸瘜幽偷米?50℃ ~ 1050℃的后續(xù)制程環(huán)境，系因為該氧化層是在前述更高的溫度成長；不過每生長出1 微米厚的氧化層，硅晶表面也要消耗掉0.44微米的厚度。 

以下是氧化制程的一些要點： 

（1）氧化層的成長速率不是一直維持恒定的趨勢，制程時間與成長厚度之重復(fù)性是較為重要之考量。 

（2）后長的氧化層會穿透先前長的氧化層而堆積于上；換言之，氧化所需之氧或水汽，勢必也要穿透先前成長的氧化層到硅質(zhì)層。故要生長更厚的氧化層，遇到的阻礙也越大。一般而言，很少成長2微米厚以上之氧化層。 

（3）干氧層主要用于制作金氧半（MOS）晶體管的載子信道（channel）；而濕氧層則用于其它較不嚴格講究的電性阻絕或制程罩幕（masking）。前者厚度遠小于后者，1000~ 1500埃已然足夠。 

（4）對不同晶面走向的晶圓而言，氧化速率有異：通常在相同成長溫度、條件、及時間下，{111}厚度≧{110}厚度＞{100}厚度。 

（5）導(dǎo)電性佳的硅晶氧化速率較快。 

（6）適度加入氯化氫（HCl）氧化層質(zhì)地較佳；但因容易腐蝕管路，已漸少用。 

（7）氧化層厚度的量測，可分破壞性與非破壞性兩類。前者是在光阻定義阻絕下，泡入緩沖過的氫氟酸（BOE，Buffered Oxide Etch，系 HF與NH4F以1：6的比例混合而成的腐蝕劑）將顯露出來的氧化層去除，露出不沾水的硅晶表面，然后去掉光阻，利用表面深淺量測儀（surface profiler or alpha step），得到有無氧化層之高度差，即其厚度。 

（8）非破壞性的測厚法，以橢偏儀 (ellipsometer) 或是毫微儀（nano-spec）最為普遍及準確，前者能同時輸出折射率(refractive index；用以評估薄膜品質(zhì)之好壞)及起始厚度b與跳階厚度a (總厚度 t = ma + b)，實際厚度 (需確定m之整數(shù)值)，仍需與制程經(jīng)驗配合以判讀之。后者則還必須事先知道折射率來反推厚度值。 

（9）不同厚度的氧化層會顯現(xiàn)不同的顏色，且有2000埃左右厚度即循環(huán)一次的特性。有經(jīng)驗者也可單憑顏色而判斷出大約的氧化層厚度。不過若超過1.5微米以上的厚度時，氧化層顏色便漸不明顯。