09微电子工艺基础掺杂技术

微电子工艺基础第9章掺杂技术微电子工业基础第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微电子工业基础第9章掺杂技术一、扩散二、离子注入技术三、集成电路的形成微电子工业基础第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、工艺质量检测微电子工业基础第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。微电子工艺基础杂质掺杂所谓杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内。杂质掺杂的实际应用主要是改变半导体的电特性。扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。高温扩散：一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由高温的扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高温与扩散时间来决定。离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注入能量决定。扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，因为二者互补不足，相得益彰。微电子工艺基础微电子工艺基础基本扩散工艺杂质扩散通常是在经仔细控制的石英高温炉管中放入半导体硅晶片并通入含有所需掺杂剂的气体混合物。硅的温度在800-1200℃；砷化镓的温度在600-1000℃。扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气体混合物中的杂质分压有关。对硅而言，B、P和As分别是常用的p型和n型掺杂剂，它们在硅中都有极高的固溶度，可高于5×1020cm-3。引入方式有：固态源（BN、As2O3、P2O5）；液态源（BBr3、AsCl3、POCl3）；气体源（B2H6、AsH3、PH3），其中液态源最常用。使用液态源的磷扩散的化学反应如下：322524326POClOPOClP2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。2522545POSiPSiO微电子工艺基础对砷化镓的扩散工艺而言，因砷的蒸汽压高，所以需要特别的方式来防止砷的分解或蒸发所造成的损失。包括含过压的封闭炉管中扩散及在含有掺杂氧化物覆盖层（氮化硅）的开发炉管中扩散。p型扩散选用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或ZnAs2（封闭炉管法）或ZnO-SiO2（开放炉管法）。n型掺杂剂有硒和碲。电炉电炉O2N2液态杂质源石英管排气口硅晶片微电子工业基础第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。微电子工业基础第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-替位式扩散微电子工业基础第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填隙式扩散微电子工业基础第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替位式扩散微电子工业基础第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。微电子工业基础第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。微电子工业基础第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程①第一扩散定律微电子工业基础第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。微电子工业基础第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。微电子工业基础第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）微电子工业基础第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。微电子工业基础第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。微电子工业基础第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。微电子工业基础第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微电子工业基础第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NbNsxj1xj2xj3xNt1t2t3DtxerfcNdeNtxnsDtxs22,2/2erfc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。DtNNerfcxsbj12DtNDtNdxtxNQss13.12,0微电子工业基础第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。微电子工业基础第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”t1t2t300xtN边界条件：初始条件：00,QdxxN22xNDtN解扩散方程：Nb微电子工业基础第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DtxeDtQtxN42,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。DtQNs'DtADtNNxbsj21'ln2微电子工业基础第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。微电子工业基础第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。微电子工业基础第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。微电子工业基础第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）液相源扩散系统微电子工业基础第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：微电子工业基础第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。微电子工业基础第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涂抹源微电子工业基础第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）固相源扩散系统微电子工业基础第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。微电子工业基础第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）微电子工业基础第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）微电子工业基础第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。微电子工业基础第9章掺杂技术一、扩散3、扩散工艺与设备（2）扩散流程①预淀积微电子工业基础第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。微电子工业基础第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）微电子工业基础第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。微电子工业基础第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。微电子工业基础第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。微电子工业基础第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）微电子工艺基础微电子工业基础第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。微电子工业基础第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曲线微电子工业基础第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微电子工业基础第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表面污染微电子工艺基础离子注入离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中（称为“靶”）而实现掺杂。微电子工艺基础离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在高压下加速而获得很