熱積存取決于柵極的尺寸，也就是IC芯片的最小圖形尺寸。柵極長度較小的元器件能使源極/漏極擴散的空間小，因此也只有較小的熱積存。由于最小圖形尺寸的縮小，晶圓只能在高溫（超過1000攝氏度）過程中停留很短的時間，所以需要緊湊的熱積存控制。下圖顯示了圖形尺寸不同的元器件在不同溫度下的熱積存（某溫度下所能停留的時間）。

下圖假設摻雜物的表面濃度為10的20次方原子/平方厘米。圖形尺寸越小的元器件，熱積存也越小。如0.25 um的元器件經過源極/漏極注入之后只能在1000攝氏度）過程中停留很短的時間，所以需要緊湊的熱積存控制。

下的溫度下停留24s,而2 um的元器件能停留1000s。降低溫度能使熱積存明顯增加，比如經過源極/ 漏極注入后的0. 25 um的元器件能夠在900攝氏度的溫度下停留200s,而當溫度為800攝氏度時，可以停留3000s。

沉積和驅入過程

一般擴散摻雜工藝的順序為先進行預沉積，然后為驅入過程。1050攝氏度時首先在晶圓表面沉積一層摻雜氧化層，如B2O3或P205。接著再用熱氧化工藝消耗掉殘余的摻雜物氣體，并且在硅晶圓上生長一層二氧化硅層覆蓋摻雜物，避免摻雜物的向外擴散。預沉積及覆蓋層氧化反應中最常用的硼和磷原材料為二硼烷(B2 H6 )和三氯氧化磷(Phosphorus Oxychloride,即 POC13, 一般稱為POCL),它們的化學反應式可表示如下：

硼：預沉積：B2H6+2O2->B2O3+3H2O

覆蓋層氧化反應：2B2O3 +3Si — 3SiO2 +4B 2H2O + Si t SiO2 +2H2

磷：預沉積：4POC13 +3O2-> 2P2O5 +6C12

覆蓋層氧化反應：2P2O5 +5Si — 5SiO2 +4P

二硼烷(B2H6)是一種有毒氣體，聞起來帶有燒焦的巧克力甜味。如果吸入或被皮膚吸收會有致命危險。二硼烷可燃，自燃溫度為56Y；當空氣中的二硼烷濃度高于0.8%時會產生爆炸。POCL3的蒸氣除了引起皮膚、眼睛及肺部不適外，甚至會造成頭暈、頭痛、失去胃口、惡心及損害肺部。其他常用的N型摻雜化學物為三氫化碑(Ash’)和三氫化磷(PH3),這兩者都有毒、易燃且易爆。它們在預沉積和氧化過程中的反應都和二硼烷(B2H6)類似。

下圖所示為硼的預沉積和覆蓋氧化過程使用的高溫爐擴散系統。為了避免交叉污染，每個爐管僅適用一種摻雜物。

接著在氧氣環境下將高溫擴散爐的溫度升高到1200攝氏度提供足夠的熱能使摻雜物快速擴散到硅襯底。驅入時間由所需的結深決定，可以通過已有的理論推算出每種摻雜物所需的驅入時間。下圖顯示了擴散摻雜工藝中的預沉積、覆蓋氧化過程和驅入過程。

擴散工藝無法單獨控制摻雜物的濃度和結深，這是因為兩者都與溫度密切相關。擴散是一種等向性過程，所以摻雜物原子都將擴散到遮蔽氧化層的邊緣下方。但由于離子注入對摻雜物的濃度和分布能很好控制，所以先進IC生產中幾乎所有的半導體摻雜過程都使用離子注入技術完成。擴散技術在先進IC制造中的主要應用是在阱區注入退火過程中將摻雜物驅入。

20世紀90年代晚期，研發部門為了形成超淺結深(Ultra-Shallow Junction, USJ)使擴散技術再次流行，首先利用CVD技術將含有高濃度硼的硼硅玻璃(BSG)沉積在晶圓表面，接著利用快速加熱工藝(RTP)再將硼從BSG中驅出并擴散到硅中形成淺結。下圖顯示了超淺結形成時的預沉積、擴散和剝除過程。

審核編輯：劉清