集成电路制造工艺 课件 第5章 掺杂

集成电路制造工艺

--热扩散的基本原理扩散方法第五章掺杂扩散层的质量参数与检测离子注入的基本原理扩散的基本原理离子注入机的组成及工作原理离子注入的损伤与退火本章要点扩散方法第五章掺杂扩散层的质量参数与检测离子注入的基本原理扩散的基本原理离子注入机的组成及工作原理离子注入的损伤与退火本章要点§5.1扩散的基本原理在高温下，杂质在浓度梯度的驱使下渗透进半导体材料，并形成一定的杂质分布，从而改变导电类型或杂质浓度。思考：扩散的条件？什么是扩散？硅原子杂质原子杂质进入半导体后占据正常的晶格格点，主要是沿着空位向里扩散杂质种类：P,B,As,Al,Ga,Sb,Ge

杂质进入半导体后从一个晶格间隙跃迁到另一个晶格间隙，逐渐向里扩散杂质种类：O,Au,Fe,Cu,Ni,Zn,Mg硅原子杂质原子一、扩散机构：替位式和间隙式替位式扩散间隙式扩散替位式杂质又称慢扩散杂质，间隙式杂质又称快扩散杂质，工艺中作为掺杂一般选择慢扩散杂质，工艺容易控制。慢扩散杂质的扩散系数快扩散杂质的扩散系数形成PN结。形成一定电导率的电阻。形成晶体管的特定区域，如：双极型晶体管的基区、发射区、集电区；MOS管的源区、漏区和多晶硅栅极的掺杂。改变某些材料的机械性能。NPNP掺杂在半导体生产中的作用扩散的三个概念是杂质原子在硅片中扩散的条件之一，是指沿硅片厚度方向浓度的变化率用来表征杂质扩散快慢的物理量D=D0exp(-ΔE/KT)(阿列尼乌斯公式）单位时间内单位面积上通过的杂质的粒子数，符号：J，单位：粒子数/cm2s浓度梯度扩散系数扩散杂质流密度二、扩散规律扩散方程菲克第一定律菲克第一定律反映了杂质流密度、浓度梯度、扩散系数三者的关系负号代表从高浓度向低浓度运动XpSiO2P-SiN菲克第二定律菲克第二定律体现了浓度、距离和扩散时间三者的关系，是一个一元二次偏微分方程，要解此方程必须要有两个辅加条件一个称为边界条件，一个称为初始条件。三种不同扩散方式下的扩散规律（1）恒定表面源扩散：初始条件：t=0,x>0,C(x,0)=0边界条件：X=0,t>0,C(0,t)=CS,C(d,0)=0方程的解：在扩散过程中外界始终提供杂质源，硅片表面浓度恒定。杂质剂量公式Cs：在扩散温度下杂质在硅中的最大固浓度；Erfc：余误差函数；Q：单位面积内的杂质数量：特征扩散长度特点：表面浓度固定，杂质剂量可以调整恒定源扩散杂质分布图固溶度曲线离开硅片表面距离杂质浓度（2）有限源扩散：Q：单位面积内的杂质数量初始条件：边界条件：方程的解：表面浓度：杂质分布图离开硅片表面距离杂质浓度特点：表面浓度可调，杂质剂量固定在扩散过程中外界不再提供杂质源，扩散靠预先淀积在硅片表面薄层内的杂质向里推进。如果再分布的特征扩散长度远大于预淀积的特征扩散长度，最终杂质分布近似于高斯分布，反之，最终杂质分布接近于余误差函数分布。特点：表面浓度和杂质剂量均实现可以调整（3）两步扩散法（3）两步扩散法第一步：利用恒定表面源扩散方式在硅片表面淀积一定数量的杂质，称为预淀积。第二步：利用有限源扩散的方式使淀积在硅片表面的杂质向里推进形成一定的分布，称为再分布。1.内建电场的影响在扩散的高温下，掺入杂质基本处于离化状态三、影响扩散规律的其他因素施主杂质杂质原子正离子+电子受主杂质杂质原子负离子+空穴§5.1扩散的基本原理从表面到体内，杂质离子和载流子都存在着浓度梯度，都会由高浓度向低浓度扩散，但由于扩散速率不同，造成从表面到体内的内建电场，此内建电场有助于杂质的扩散，所以构成了电场增强因子。B-B-B-B-B-B-E内内建电场产生示意图1.内建电场的影响Di本征扩散系数ni扩散温度下本征载流子的浓度N掺杂浓度hE电场增强因子当N较小时，内建电场影响不大；当N较大时，内建电场开始产生影响，使扩散系数增大，最大可以是本征扩散系数的2倍。1.内建电场的影响现象：发射区下的基区推进深度较发射区外的基区推进深度大产生原因：在扩散层中又掺入第二种高浓度的杂质，由于两种杂质原子与硅原子的晶格不匹配，造成晶格畸变从而使结面部份陷落改进措施：采用原子半径与硅原子半径相接近的杂质2.基区陷落效应（也叫发射区推进效应）高浓度区低浓度区转折区高浓度磷扩散分布3.浅结高浓度扩散谢谢！集成电路制造工艺

--热扩散的基本原理单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室扩散方法第五章掺杂扩散层的质量参数与检测离子注入的基本原理扩散的基本原理离子注入机的组成及工作原理离子注入的损伤与退火本章要点扩散方法第五章掺杂扩散层的质量参数与检测离子注入的基本原理扩散的基本原理离子注入机的组成及工作原理离子注入的损伤与退火本章要点§5.2

扩散方法扩散方法气-固扩散液态源扩散：硼扩、磷扩固态源扩散：片状源、粉状源固-固扩散CVD掺杂二氧化硅扩散二氧化硅乳胶源扩散1.液态源硼扩（1）杂质源：硼酸三甲酯

利用保护性气体把杂质源蒸汽携带入石英管内，杂质在高温下分解，并与衬底表面的硅原子发生反应，杂质原子向硅片内部扩散。一.液态源扩散（2）扩散原理硼预沉积装置硼酸三甲酯高温分解出三氧化二硼，三氧化二硼在900℃左右与硅反应生成硼原子并沉积于硅表面，形成一层含有大量硼原子的SiO2，其中的硼原子继续向硅中扩散，在表面形成一层高浓度的掺杂层，完成预淀积。经过预沉积的硅片在漂去硼硅玻璃后在氧气中进行再分布，使杂质向里推进。5寸扩散炉（3）扩散设备2.液态源磷扩——三氯氧磷磷预淀积示意图液态源磷扩的基本原理与硼酸三甲酯相似，在磷扩预淀积时，由于生成的PCl5对硅有腐蚀作用，所以加入少量的氧气，将PCl5转变成P2O5减少对设备的腐蚀，同时提高了源的利用率。POCl3蒸气压较高，所以源瓶放在冰水混合物中。二.固态源扩散1.片状源硼扩片状源硼扩BN片

硼微晶玻璃片PWBPWB中的主要成份B2O3从硅片中挥发出来与硅片高温下反应生成B与SiO2

焦磷片（偏磷酸铝和焦磷酸硅）2.片状源磷扩片状源扩散的特点：设备简单，操作方便，扩散结果不受气体流量的影响，扩散均匀性好，源片容易保存Sb2O3硅片N2,O2,HCl排气HClSb2O3双温区锑扩两个恒温区分别控制源温和硅片温度，用携带气体携带了Sb2O3蒸气到达硅片表面与硅反应生成锑原子进行预淀积，预淀积结束后取出源舟3.粉状源锑扩Si-SUB掺杂SiO2纯SiO2三.CVD掺杂二氧化硅固-固扩散掺杂原理：利用硅片表面含硼或磷的氧化层作为杂质源向硅片内进行扩散，表面杂质浓度可控。掺杂SiO2的作用：提供杂质源，向硅片体内扩散纯SiO2的作用：避免杂质外扩散，改善硅片表面二氧化硅的质量，提高和光刻胶的粘附性扩散设备----PWS5000：连续式CVD设备纯二氧化硅乳胶：一种烷氧基硅烷的水解聚合物式中：掺杂二氧化硅乳胶混合型掺杂乳胶共聚型掺杂乳胶四.掺杂二氧化硅乳胶源固-固扩散混合型中的B2O3与硅反应析出硼原子，硼原子向硅片内部扩散，同时共聚型掺杂乳胶中的硼原子，高温下，获得能量克服硅键的束缚，成为游离态的硼，向硅片内部扩散。掺杂原理：谢谢！集成电路制造工艺

--扩散的质量参数与检测单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室扩散方法第五章掺杂扩散层的质量参数与检测离子注入的基本原理扩散的基本原理离子注入机的组成及工作原理离子注入的损伤与退火本章要点扩散方法第五章掺杂扩散层的质量参数与检测离子注入的基本原理扩散的基本原理离子注入机的组成及工作原理离子注入的损伤与退火本章要点§5.3扩散层的质量参数和检测主要参数扩散薄层电阻（方块电阻R□）结深Xj击穿电压VB主要质量问题扩散的均匀性和重复性反向击穿电压表面质量IXjLL电流流经一个长宽相等，厚为Xj的扩散薄层时所显示出来的电阻，用Rs或R□来表示。因为是长宽相等，所以又叫方块电阻，它是实质是电阻，只是表示一个方块，所以它的单位为一.扩散薄层电阻方块电阻的定义：利用长直导体电阻的公式计算公式SL所以：对于方块电阻来说所以：方块电阻与方块的尺寸无关，只与结深有关。方块电阻的大小方块电阻的物理意义：方块电阻反映了单位面积扩散进去的杂质总量，扩散的杂质越多，越小。反之，越大。所以可以通过测方块电阻来检测扩散进去的单位面积的杂质量。方块电阻的物理意义：电位差计XjGmARR1234测出V2,3I1,4，C为系数，就可以算出RsC是与样品尺寸有关的系数方块电阻的测量四探针法LL′方块电阻的应用：——计算任意长方形薄层的电阻四探针法测方块电阻的注意事项：检流计的指针为零偏，只测2，3两根探针之间的电压，而不能有电流通过。为什么？？原因：如果有电流通过，则金－半接触会形成较大的接触电阻,记为Rms,该电阻将超过半导体本身的电阻，使测量值精度受到影响。XjpNXNXNBXjNpNeoX<XjNp>Ne,整体成P型材料X>XjNp<Ne,整体成N型材料X=XjNp=Ne,形成PN结几何面二.结深1.定义：PN结所在的几何位置到硅片表面的距离恒定源扩散有限源扩散出发点——掺入的杂质浓度=原衬底掺杂浓度2.计算：A是与衬底浓度与表面浓度比值有关的系数，可以通过查曲线或表。在粗略估算结深时，经常用经验参数：当原理同外延层厚度的测量方法，利用染色液对不同导电类型的半导体材料反应速率不同的原理磨角抛光染色测距计算3.结深的测量（1）磨角染色法XYR（2）滚槽法（1）扩散的均匀性（2）重复性三.扩散中常见的质量问题造成均匀性差的原因衬底材料本身的差异恒温区的温度波动杂质蒸气压不稳定1.扩散的均匀性和重复性IIIIVVVVIV2.击穿电压（1）合金点和破坏点（2）表面玻璃层（3）白雾3.表面质量问题谢谢！集成电路制造工艺

--离子注入的基本原理单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室扩散方法第五章掺杂扩散层的质量参数与检测离子注入的基本原理扩散的基本原理离子注入机的组成及工作原理离子注入的损伤与退火本章要点扩散方法第五章掺杂扩散层的质量参数与检测离子注入的基本原理扩散的基本原理离子注入机的组成及工作原理离子注入的损伤与退火本章要点§5.4离子注入的基本原理先使待掺杂的原子或分子电离，再加速到一定的能量，形成一定电流密度的离子束流后直接打进半导体晶圆中，然后经过退火使杂质激活，从而达到掺杂目的。一.离子注入的定义及特点1.定义比较项目扩散法离子注入温度高温（800-1200℃）注入在中等温度下进行（小于125℃）浓度控制受源温、气体流量、扩散温度、时间等多种因素影响能在很大范围内精确控制注入杂质浓度，从1010到1017个/cm2,误差2%之间均匀性用扫描的方式控制杂质的均匀性结特性适合作深结通过控制注入能量控制注入深度，增大了设计的灵活性横向扩散有横向扩散很小，几乎没有掺杂深度受固溶度极限注入杂质含量不受硅片固溶度的限制2.特点投影射程Xp平均投影射程Rp标准偏差ΔRp注入剂量ΦRpRtXp入射离子束硅衬底二、注入的基本原理1.主要参数Φ：注入剂量：单位面积注入进去的杂质粒子数当注入杂质种类，注入能量，衬底确定后，就能确定Rp和⊿Rp

2.杂质分布公式A.计算结深例：用100Kev的B+注入到具有掺杂浓度为2*1016cm-3的硅靶中，注入剂量为5*1013cm-2,试计算结深为多少？B.确定注入能量E和注入剂量Φ例：基区杂质为6*1018cm-3的硅样品中，用P+注入形成发射区，要求硅中的最大杂质为8*1021cm-3,发射结结深为0.13μm,试估算入射离子的能量和剂量。3.注入分布的应用注入的离子不会与硅原子发生碰撞，而将深深地注入硅衬底之中，这种现象称为“通道效应”。“通道效应”发生后，离子注入的深度比理论分布深，即产生一个较长的拖尾。三.沟道效应注入的离子恰好在晶格间隙中穿梭，与硅原子发生的碰撞较少，因此能量损失的较少，他们可以在硅中穿透得很深。掩蔽氧化层<100>晶向注入方向倾斜7°先轻微的离子注入抑制沟道效应的方法：谢谢！集成电路制造工艺

--离子注入机的组成及工作原理单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室扩散方法第五章掺杂扩散层的质量参数与检测离子注入的基本原理扩散的基本原理离子注入机的组成及工作原理离子注入的损伤与退火本章要点扩散方法第五章掺杂扩散层的质量参数与检测离子注入的基本原理扩散的基本原理离子注入机的组成及工作原理离子注入的损伤与退火本章要点§5.5离子注入机的组成及工作原理离子注入机结构图一.离子注入机台种类：按机台外形分类卧式机台立式机台按注入能量分类低能量60Kev中能量60kev-200kev高能量200kev以上产生所需要的杂质离子和其他各种离子放电管：通过放电管使杂质离化产生各种离子吸极：利用几十千伏负高压把放电管中的正离子吸引出来二.离子注入机各部分的原理与作用工作气体源B2H6,BF3,PH3,AsH3等固态材料气化1.离子源和吸极：2.磁分析器：利用强电场使离子加速获得足够的能量能够穿跃整个系统并注入靶中加速管离子束+100kv注入深度取决于加速管的电场能量3.加速器：原理：利用带电粒子在电场中运动产生偏转的原理。防止中性原子在硅片中产生热斑使离子在X方向和Y方向上进行偏转，以便对硅片进行扫描静电扫描原理：利用带电粒子在电场中的运动产生偏转的原理。扫描外半径扫描内半径旋转机械扫描原理4.中性束流陷阱：5.X/Y偏转扫描系统：在机械扫描中，离子束固定，硅片机械移动。此法一般用于大电流注入机中，因为静电很难使大电流高能离子束偏移。束斑尺寸约为1cm宽，3cm高，机械扫描过程中