微电子工艺基础掺杂技术

微电子工艺基础掺杂技术第1页/共79页第9章掺杂技术本章目标：1、熟悉掺杂技术的两种方式2、熟悉扩散掺杂的原理3、掌握离子注入相关概念及其原理4、熟悉离子注入的工艺流程5、了解离子注入系统的设备及其优点第2页/共79页第9章掺杂技术一、扩散二、离子注入技术三、集成电路的形成第3页/共79页第9章掺杂技术一、扩散

1、扩散原理

2、杂质在硅中的扩散

3、扩散设备与工艺

4、工艺质量检测第4页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在约1000℃的高温、p型或n型杂质气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一种工艺方法，也叫热扩散。第5页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式①固相扩散扩散是一种自然现象，由物质自身的热运动引起。微电子工艺中的扩散是杂质在晶体内的扩散，因此是一种固相扩散。第6页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式晶体内扩散是通过一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，有多种方式，最主要有：A填隙式扩散B替位式扩散C填隙-替位式扩散第7页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式

A填隙式扩散第8页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式

B替位式扩散第9页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式

C填隙-替位式扩散许多杂质既可以是替位式也可以是填隙式溶于晶体的晶格中，并以填隙-替位式扩散。这类扩散杂质的跳跃速率随晶格缺陷浓度，空位浓度和杂质浓度的增加而迅速增加。第10页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程①第一扩散定律晶体衬底中杂质扩散流密度与杂质浓度梯度成正比，这是第一扩散定律，也称Fick第一定律。第11页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程①第一扩散定律第12页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程②第二扩散定律讨论晶体中杂质浓度与扩散时间关系，又称Fick第二定律。第13页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程③影响扩散速率的因素A晶体内杂质浓度梯度；B环境温度；C杂质本身结构、性质；D晶体衬底的结构。第14页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（1）掺杂的目的（P218）A

在晶圆表面下的特定位置处形成PN结（结合P218的图11.3-图11.5）；B

在晶圆表面下得到所需的掺杂浓度；（结合P219同型掺杂）第15页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型

①替位式杂质主要是III和V族元素，具有电活性，在硅中有较高的固溶度。多以替位方式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。第16页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型

②填隙式杂质主要是I和Ⅷ族元素，Na、K、Li、H、Ar等，它们通常无电活性，在硅中以填隙式方式进行扩散，扩散速率快。第17页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型

③填隙-替位式杂质大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以填隙-替位式方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。第18页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解

①恒定源扩散恒定源扩散是硅一直处于杂质氛围中，硅片表面达到了该扩散温度的固溶度Ns。解扩散方程：NbNsxj1xj2xj3xNt1t2t3边界条件为：N（0，t）=Ns初始条件为：N（x，0）=0第19页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解

①恒定源扩散NbNsxj1xj2xj3xNt1t2t3erfc称为余误差函数，所以恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布。第20页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解

②限定源扩散限定源扩散是在整个扩散过程中，杂质源限定在扩散前积累于硅片表面薄层内的杂质总量Q。第21页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解

②限定源扩散XXjixj2xj3NsNs’Ns”t1t2t3边界条件：初始条件：解扩散方程：Nb第22页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解

②限定源扩散限定源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。扩散过程中杂质表面浓度变化很大，但杂质总量Q不变。第23页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（3）实际扩散

①场助扩散效应硅衬底的掺杂浓度对杂质的扩散速率有影响，衬底掺杂浓度高时这一影响将使扩散速率显著提高，称之为场助扩散效应。第24页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（3）实际扩散

②横向扩散效应（P218）不管是扩散还是离子注入都会发生横向扩散现象，横向扩散的线度是纵向扩散的0.75-0.85倍。第25页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

①液态源（参见教材P223）液态源通常是所需掺杂元素的氯化物或溴化物。例如：POCl3、BBr3选择源必需满足固溶度和扩散系数的要求。另外还要选择好掩蔽膜。第26页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

①液态源（参见教材P223）液相源扩散系统第27页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

①液态源（参见教材P223）层流形成系统：第28页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

②固态源（参见教材P223）最原始的淀积源。固态源通常是氧化物B2O3、Sb2O5、P2O5等陶瓷片或粉体，也有用BN。第29页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

②固态源使用固态源的三种方式：（参见教材P225）A远程源（匙）B近邻源（圆片）C涂抹源第30页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

②固态源（参见教材P223）固相源扩散系统第31页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

③气态源（参见教材P224）气态源通常是氢化物：B2H6、PH3、AsH3、BCl3，最受欢迎的扩散源方式。第32页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

③气态源（参见教材P224）第33页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（2）扩散流程①预淀积：（参见P222）A预清洗与刻蚀B炉管淀积C去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）D评估（假片或陪片）②再分布（评估）：（参见P226）第34页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（2）扩散流程

①预淀积评估（假片或陪片）：通常测方块电阻，方块电阻是指表面为正方形的薄膜，在电流方向的电阻值。

炉管淀积：一般予淀积温度较低，时间也较短。氮气保护。去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）：炉管淀积后的窗口表面有薄薄的一层硼硅玻璃，用HF漂去。第35页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（2）扩散流程

①预淀积第36页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（2）扩散流程

②再分布（评估）再分布温度较高，时间也较长。通氧气直接生长氧化层。第37页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（2）扩散流程

②再分布（评估）第38页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（2）扩散流程扩散工艺有一步工艺和两步工艺：①一步工艺是恒定源扩散，杂质分布服从余误差分布；②两步工艺分为予淀积和再分布两步予淀积是恒定源扩散，目的是在扩散窗口硅表层扩入总量一定的掺杂元素。再分布是限定源扩散，掺杂源总量已在予淀积时扩散在窗口上了，再分布的目的是使杂质在硅中具有一定的分布或达到一定的结深。第39页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（3）B扩散原理：

2B2O3+3Si→4B+3SiO2

选源：固态BN源使用最多，必须活化。

800-1000℃活化：4BN+3O2→2B2O3+2N2特点：

B与Si晶格失配系数为0.254，失配大，有伴生应力缺陷，造成严重的晶格损伤，在1500℃，硼在硅中的最大固溶度达4*1020/cm3，但是最大电活性浓度是5*1019/cm3。第40页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（4）P扩散原理：2P2O5+5Si→4P+5SiO2选源：固态P2O5陶瓷片源使用最多，无须活化。特点：磷是n形替位杂质，失配因子0.068，失配小，杂质浓度可达1021/cm3，该浓度即为电活性浓度。第41页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（5）例子（N+PN晶体管）第42页/共79页第43页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散4、工艺质量检测（1）工艺指标

①杂质表面浓度②结深③薄层电阻④分布曲线（2）工艺条件（T,t）的确定

解析扩散方程获得工艺条件，目前用计算机模拟的工艺参数。第44页/共79页第9章掺杂技术

一、扩散4、工艺质量检测（3）工艺参数测量

①染色法测结深②阳极氧化测分布函数③四探针法测方块电阻④四探针法测电阻率（4）电参数测量

I-V曲线第45页/共79页第9章掺杂技术二、离子注入技术

1、概述

2、离子注入工艺

3、离子注入技术的应用第46页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（1）热扩散的限制

①横向扩散②实现浅结困难③掺杂浓度控制精度④表面污染第47页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（2）离子注入技术的引入

高集成度电路的发展需要更小的特征图形与更近的电路器件间距。热扩散对电路的生产已有所限制，于是离子注入法诞生。（见教材P228）离子注入是将含所需杂质的化合物分子（如BCl3、BF3）电离为杂质离子后，聚集成束用强电场加速，使其成为高能离子束，直接轰击半导体材料，当离子进入其中时，受半导体材料原子阻挡，而停留在其中，成为半导体内的杂质。第48页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（2）离子注入源

对于离子注入而言，只采用气态或固态源材料。由于便于使用和控制，所以离子注入偏向于使用气态源。大多数的气态源通常是氟化物，比如PF5、AsF5、BF3、SbF3与PF3。第49页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（3）离子注入原理

离子注入是离子被强电场加速后注入靶中，离子受靶原子阻止，停留其中，经退火后杂质进入替位、电离成为具有电活性的杂质。这一过程是一非平衡的物理过程（扩散为化学过程）。第50页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（4）离子穿透深度

①核阻止离子与硅原子核碰撞，离子能量转移到硅原子核上，结果将使离子改变运动方向，而硅原子核可能离开原位，成为填隙硅原子核。②电子阻止离子与硅中的束缚电子或自由电子碰撞，能量转移到电子，由于离子质量远大于电子，离子方向不变，能量稍减，而束缚电子被激发或电离，自由电子发生移动。影响离子穿透深度的因素有：第51页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（4）离子穿透深度

行程（R）射程（RP）第52页/共79页第53页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（5）注入离子分布与剂量（P235）①分布函数注入离子的能量是按几率分布的，所以杂质分布也是按几率分布的。离子注入后杂质浓度的分布接近高斯分布。（教材P235）第54页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（5）注入离子分布与剂量（P235）②注入离子剂量理论上可以由离子电流大小来量度：其中：I为电流；t为时间；A为注入面积。实际上高能离子入射到衬底时，一小部分与表面晶核原子弹性散射而从衬底表面反射回来并未进入衬底，这叫作背散射现象。第55页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（5）注入离子分布与剂量（P235）③影响注入的两种效应A侧向效应与扩散比侧向杂质浓度很小，可以不考虑。B沟道渗透效应衬底为单晶材料，如果粒子束准确的沿着晶格方向注入，注入纵向分布峰值与高斯分布不同。一部分粒子束穿过较大距离。这就是沟道渗透效应。（P236）第56页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（6）注入损伤与退火（P235-236）①晶格损伤（详细可参考P235最下部分）高能离子在硅（靶）内与晶格多次碰撞，能量转移到晶格，晶格原子位移，位移原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，即出现级联碰撞，从而导致晶格损伤。第57页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（6）注入损伤与退火（P235-236）②退火B

注入杂质电激活注入的杂质多以填隙式方式存在于硅中，无电活性。退火，在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩散进入替位位置，有电活性。A

修复晶格损伤退火的目的：第58页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（6）注入损伤与退火（P235-236）②退火退火特点：

A效果与温度，时间有关，温度越高、时间越长退火效果越好。

B退火使得杂质再分布。第59页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术2、离子注入工艺（1）衬底与掩膜①衬底为（111）晶向硅时，为了防止沟道渗透效应，一般采取偏离晶向7°②掩膜因为离子注入是在常温下进行，所以光刻胶、二氧化硅薄膜、金属薄膜等多种材料都可以作为掩膜使用，要求掩蔽效果达到99.99%。第60页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术2、离子注入工艺（2）注入方法

A直接注入：离子在光刻窗口直接注入Si衬底。射程大、杂质重时采用。

B间接注入法：通过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。间接注入沾污少，可以获得精确的表面浓度。

C多次注入：通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近；也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中，使杂质分布为设计形状。

第61页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术2、离子注入工艺（3）注入工艺

A离子化

B质谱分析（选择合适粒子）

C电场加速

D聚焦第62页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术2、离子注入工艺（4）退火①高温退火②快速退火③激光退火④电子束退火后两种方法是较新的低温退火工艺。退火温度要低于扩散杂质时温度以防止横向扩散。第63页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术3、离子注入技术的应用（1）优点①离子注入克服热扩散的几个问题：

A横向扩散，没有侧向扩散B浅结

C粗略的掺杂控制D表面污染的阻碍②离子注入引入的额外的优势：（P228）

A在接近常温下进行

B使宽范围浓度的掺杂成为可能第64页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术3、离子注入技术的应用（2）设备第65页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术3、离子注入技术的应用（2）设备第66页/共79页第9章掺杂技术

二、离子注入技术3、离子注入技术的应用（3）缺点①设备昂贵②设备在高压和更多有毒气体的使用上出现新的危险③超浅结不易控制第67页/共79页第9章掺杂技术三、集成电路的形成

1、概述

2、器件与集成电路工艺的区别

3、电隔离

4、电连接

5、局部氧化

6、平面化

7、吸杂第68页/共79页第9章掺杂技术三、集成电路的形成1、概述IC是指在一个芯片上制备多个微电子元件（晶体管、电阻、电容等），各元件之间是电隔离的。IC采用金属薄膜实现各元件之间的电连接，由此构成电路。集成电路的制造工艺与分立器件的制造工艺一样都是在硅平面工艺基础上发展起来的，有很多相同之处，同时又有所不同。第69页/共79页第9章掺杂技术

三、集成电路的形成2、器件与集成电路工艺的区别相同点：单项工艺相同的方法外延，氧化，光刻，扩散，离子注入，淀积等。不同点：主要有电隔离，电连接，局部氧化，平整化以及吸杂等。第70页/共79页第9章掺杂技术三、集成电路的形成3、电隔离双极型集成电路多采用PN结隔离，是在硅片衬底上通过扩散与外延等工艺制作出隔离岛，元件就做在隔离岛上。（1）PN结隔离优点：工艺成熟，方法简单，成品率高缺点：PN结有反向漏电现象，反向漏电受温度、辐射等外部环境影响大，故PN结隔离的IC有受温度、辐射等的外部环境影响大的缺点。第71