集成电路制造技术 课件 第五章 掺杂工艺

集成电路制造技术第五章掺杂工艺一、硅掺杂基础知识二、扩散掺杂三、离子注入掺杂四、退火激活硅掺杂基础知识什么是掺杂工艺？通过热扩散或离子注入方法渗透可控数量的某种元素进入半导体特定区域，以达到改变半导体材料原有电性，形成P型或N型半导体热扩散：将一定数量和一定种类的杂质在高温下扩散到硅衬底中，形成掺杂区域离子注入：将一定数量和一定种类的杂质以高能粒子轰击的方式注入到硅衬底中，形成掺杂区域硅半导体的两种掺杂在单质硅晶体内，每个硅的四个外层电子分别与四个邻近硅原子的一个外层电子形成稳定的共价键。P型掺杂：三族元素原子供应3个电子，加上硅原有的4个电子有一个电子的空缺。称之为空穴。当外加一个电压时，电信号通过空穴移动，形成了电的传导。N型掺杂：五族元素原子提供五个电子，加上硅原有的4个电子就多出了一个电子。当外加一个电压时，该电子发生移动，形成了电信号的传导。硅半导体的两种掺杂根据载流子不同类型，掺杂又可以分为：P型空穴导电掺杂和N型电子导电掺杂P型和N型掺杂示意图退火后掺杂原子从间隙转变为晶格原子扩散掺杂扩散掺杂工艺气态源掺杂：将气体杂质源或杂质源反应所需要的气体通入扩散反应室的方式液态源掺杂：杂质化合物，在高温下杂质化合物与硅反应释放出杂质原子，或者杂质化合物先分解产生杂质的氧化物，氧化物再与硅反应释放出杂质原子固态源掺杂：含杂质的氧化物或者其他化合物，在高温下固态源会蒸发使掺杂原子被气体携带至硅片表面，固态源蒸气包围硅片并发生化学反应释放出杂质并向硅内部扩散扩散掺杂工艺气相源：AsH3、PH3、B2H6固相源：掺杂离子氧化物，如P2O5、As2O3液相源：BBr3、POCl扩散掺杂工艺间隙式热扩散：间隙原子↔间隙位Au、Ag、Cu、Fe、Ni等替位式热扩散：替位原子↔空位P、As、Sb、B、Al、Ga、In等扩散掺杂工艺a.间隙扩散a.替位扩散间隙式热扩散比替位式热扩散快很多扩散掺杂工艺定义扩散区杂质预扩散表面钝化杂质再分布SiSiO2SiSiO2SiSiO2SiO2扩散系数与扩散方程菲克第一定律：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比D：扩散系数C1C2扩散系数与扩散方程菲克第二定律：在非稳态扩散过程中，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值C00扩散方程C1C2扩散系数与扩散方程16不同的边界条件当C（x=0）为常数：当C（x=0）不为常数：CxtCxt离子注入掺杂热扩散的局限性掺杂浓度受到扩散源浓度的限制掺杂浓度梯度受到扩散方程的限制(a)含P的MoSi作为表面源扩散P分布(b)离子注入的P分布离子注入vs.热扩散离子注入热扩散工艺温度低~高高掺杂浓度高较低掺杂深度浅深浓度/深度分别控制可以不可以结的突然性好差形成结的方向性好各向同性晶格损伤有几乎没有离子注入的原理高能粒子撞击Si表面，并进入Si材料内部掺杂离子注入区域内部晶格硅原子离子注入的特点离子纯度高，能量单一，保证掺杂纯度不受杂质源纯度的影响注入剂量在1011~1017离子/cm2的较宽范围内，同一平面内的杂质均匀度可保证在±1%的精度离子注入深度随能量的增加而增加。可以通过控制注入离子的能量和剂量，得到各种形式的杂质分布离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散引起的热缺陷。且注入是按掩模图形近于垂直入射，横向效应比热扩散小得多离子注入设备离子源：掺杂杂志离化形成离子束流质量能量分析部：选出所需能量/质量的离子加速器：离子通过电场得到加速束流计测部：测量束流电流值的大小来间接计测量正离子的数量离子注入的阻挡23电子阻挡：注入的离子↔电子

热量eP+Si离子注入的阻挡eP+Si原子核阻挡：注入的离子↔Si原子

热量、晶格损伤注入离子阻挡行为的变化趋势H+B+As+离子质量电子阻挡原子核阻挡离子注入的阻挡离子注入工艺参数注入剂量：掺杂离子的整体浓度主要受离子注入的剂量影响能量：直接影响离子的注入深度角度：包括倾角(Tilt)和扭角(Twist)，倾角影响离子深度，扭角基于实际产品进行调整旋转：旋转硅片改善阴影效应a.离子注入倾角和扭角离子注入工艺的监控热波损伤监控：激光加热晶圆表面后，晶圆表面反射率发生变化。另一束激光用于测量晶圆表面区域，反射信号会随反射率发生变化，检测到的变化信号称为热波(TW)信号。热波信号和晶格的损伤程度有关。通过监控热波损伤可以监控晶圆的损伤程度。离子注入工艺的监控方块电阻测量：RS测试机台通过在两根测试针之间加一个电流并测出另外两根测针电压的方法(称为四探针法)来测量晶圆的方块电阻值。RS值与注入剂量、角度相关。RS测量结果也会受到快速热退火工艺稳定性的影响。RS监控流程示意图离子注入工艺的监控二次离子质谱测定法(SIMS)：通过重离子束轰击晶圆表面，收集不同时间溅射的二次离子质谱，可以测量掺杂元素种类、浓度以及注入深度。需要破坏硅片取样分析，无法在线量测。表面颗粒监控：监控晶圆表面大颗粒情况SIMS分析注入元素原理以及结果曲线分布离子注入工艺的应用阱的形成：深阱及N阱和P阱的形成MOS阈值电压调节注入：在阱形成后，采用倒阱掺杂工艺轻掺杂漏注入：以抑制漏致势垒降低效应和降低热载流子效应晕环注入：抑制短沟道效应重掺杂注入：形成源漏端深阱和阱离子注入源漏重掺杂注入退火激活离子注入晶格损伤轻离子注入通常产生简单的晶格损伤。重离子注入时，原子核碰撞阻挡，将能量传递给晶格上的硅原子，及周边硅原子，形成局部缺陷和晶格损伤。注入离子剂量较低时，影响区域较小，形成简单的晶格损伤，注入剂量较高时，整个注入区域的硅晶体结构受到破坏形成非晶层。不同种类离子剂量注入损伤不同剂量Si离子注入下的注入损伤特征与退火温度的关系退火的作用掺杂离子只有回到晶格位，才是有效的掺杂，称为杂质的激活同时进行晶格缺陷修复，不可避免引起掺杂离子的热扩散

激活比例：有效的掺杂量/总掺杂量X100%SiPSiP炉管退火扩散炉一般包含四个基本组件：控制系统、炉管主体、动力支持系统及传输系统。炉管系统关系图立式炉管石英舟快速热退