微电子工艺学课件-7

微电子工艺学第一章绪论第二章现代CMOS工艺技术第三章晶体生长与衬底制备第四章加工环境与基片清洗第四章加工环境与基片清洗第五章光刻第六章热氧化第七章扩散掺杂第八章离子注入掺杂第九章薄膜淀积第十章刻蚀第十一章后段工艺与集成1第十一章后段工艺与集成1掺杂原理与技术掺杂：将所需要的杂质以一定的方式加入到半导体晶片内，并使其在晶片内的数量和分布符合预定的要求。其在晶片内的数量和分布符合预定的要求。目的：改变晶片电学性质，实现器件和电路纵向结构。方式：合金、中子嬗变、扩散（diffusion）、离子注入（ionimplantation）。＋VG0V＋VD栅前段设计的主要难点：精确控制有源区掺杂N－沟道MOSFETp型n型n型栅222N－沟道MOSFETp型掺杂在微电子器件中的应用杂质固溶度决定硅晶格生长的杂质决定掺入的杂质是电活性的，能提供所需的载流子，使许多微结构和器件得以实现。掺杂的最高极限约1021atoms/cm3，最低1013atoms/cm3。晶片器件作用杂质隐埋区Sb,As得以实现。掺杂的最高极限约，最低。硅双极型晶体管及其IC隐埋区,隔离区B,Al基区B,P发射区PAsPAsB硅发射区P,As,P-As,B电阻B:P开关管及高速IC提高开关速度Au,PtMOS晶体管及其IC源、漏、沟道、阱B:P,As砷化镓MISIC，结型场效应晶体管及其IC半绝缘区H,O,Cr源、漏Zn,Be:S,Si,Sn333源、漏,,,锗Pnp管集电区、发射区In-Ga,Al44重要基本概念•结深xj（JunctionDepth）•薄层电阻Rs（SheetResistance）s•杂质固溶度（Solubility)1.结深xj:在x=xj处，Cx（掺杂杂质浓度）=Cb（本征杂质浓度）器件等比例缩小k倍，等电场要求xj同时缩小k倍52.薄层电阻RS（sheetresistance）载流子速率1qnqpρμμ=+ResistivitySheetresistanceW•Theresistivityofacubeisgivenbycm1EJ=nqv=nqμE=Eρ=∴Ω掺杂浓度载流子速率npqnqpμμ+xja)b)WtqqμρρJ•ThesheetresistanceofashallowjunctionisR=ρρS=ρ/xjlR=ρwtSρR=R=x•Foranon-uniformlydopedlayer,ΩsjρR=Squarex/LL/W=#squaressLLR=ρ=RWtWwtjx()()⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦∫jsxjbρR==xqnxNμnxdx1−小方块：截面↓，J↑，但E↑，∴R不变0几何意义：L＝W，R＝RS→对任何尺寸的方块一样大。只要已知某掺杂区域方块电阻，无需掺杂区域大小、掺杂结深，即可计算出整个掺杂区域的电阻值。11小方块：截面↓，J↑，但E↑，∴R不变66物理意义：直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量→SjjρR===xnqμxqμQ11•薄层电阻可采用四探针或范德堡（vanderPauw）法测量；•掺杂杂质分布可用SIMS（chemical）或扩展电阻（electrical）法测量。I12V34•掺杂杂质分布可用SIMS（chemical）或扩展电阻（electrical）法测量。I2312V41肼越深漏端电压越易影响源端电233441Raverage越易影响源端电流。漏端电场扩张使其在晶体管未开启时即接收→增大xj→漏极电场诱发势垒降低（Drain-inducedBarrierLowering）InMOSFETs，Rcontact+Rsource+Rext10%Rchan未开启时即接收来自源端载流子SρR=x↓→Rs↓butkeepxjsmalltoavoidDIBL－conflictingrequirements!jjx在现代COMS技术中，采用浅结和高掺杂来同时满足两方面的要求7•杂质分布影响MOS器件短沟道特性；•电阻影响驱动电流；电阻影响驱动电流；•尺寸减小意味着所有横向和纵向尺寸等比例缩小；提高掺杂水平的同时减小结深YearofProduction199820002002200420072010201320162018•提高掺杂水平的同时减小结深xj。TechnologyNode(halfpitch)250nm180nm130nm90nm65nm45nm32nm22nm18nmMPUPrintedGateLength100nm70nm53nm35nm25nm18nm13nm10nmContactResistivityr(Ωcm2)2x10-716x10-71x10-76x10-817x10-887x10-95x10-9ContactResistivityrC(Ωcm2)2x10-71.6x10-71x10-76x10-81.7x10-88.7x10-95x10-9S/DExtensionAbruptness(nm/decdade)4.12.8TBDTBDTBDTBDToBeDiscussedS/DExtensionSheetResistance(PMOS)(Ω/sq)6608901875510550580S/DExtensionxJ(nm)50100427025432014721072518S/DExtensionxJ(nm)50-10042-7025-4320147.2107.25.1MinSupplyVoltage(volts)1.8-2.51.5-1.81.2-1.50.9-1.20.8-1.10.7-1-006-0.90.5-0.80.5-0.73.杂质固溶度（dopantsolidsolubility）¾固溶度：在平衡条件下，杂质能溶解在硅中而不形成分凝相的最大浓度。¾电固溶度：非电中性杂质固溶度。AsPm-3)1022¾电固溶度：非电中性杂质固溶度。¾超过电固溶度的杂质可能形成电中性的非活性复合体（defects,PBty(atomscm1021中性的非活性复合体（,precipitates），对掺杂区的自由载流子不贡献。SbSnGalidSolubilit1020VSiAsAs+GaAlSol1019轈8009001000110012001300(°C)Temperature(轈)(°C)As在硅中的固溶度:2×1021cm-39As4V–electricallyinactivecomplexAs的电学可激活浓度:2×1020cm-3JunctionFormation–ProcessChoiceIonImplantationandAnnealingSolid/GasPhaseDiffusionRoomtemperaturemaskNodamagecreatedbydopingPrecisedosecontrolBatchfabrication1011-1016atomscm-2dosesAccuratedepthcontrolImplantdamageenhancesdiffusionUsuallylimitedtosolidsolubilityDislocationscausedbydamagejilkLowsurfaceconcentrationhardhiihldimaycausejunctionleakagetoachievewithoutalongdrive-inImplantchannelingmayaffectprofileLowdosepredepsverydifficultp¾基本原理¾所遵循的规律10¾所遵循的规律¾具体工艺实施第七章扩散7.1扩散工艺7.2扩散机制73扩散系数与扩散方程7.3扩散系数与扩散方程7.4费克定律的分析解7.4费克定律的分析解7.5非本征扩散7.6扩散层质量分析77扩散方法的局限和发展117.7扩散方法的局限和发展7.1扩散工艺微观粒子无规则热运动的统计结果把晶片放入精确控制的高温石英管炉中，通过气相、液相或固相杂质源将杂质扩散进入通过气相、液相或固相杂质源将杂质扩散进入晶片而完成。粒子由高浓度区域向低浓度区域运动¾选用适当的掩蔽膜；¾杂质在硅中的固溶度大于所需要的表面浓度；¾扩散系数适当；¾杂质的再分布小。12¾杂质的再分布小。温度：硅－800°C∼1200°C，砷化镓－600°C∼1000°C杂质（）：最常用硼（型）、砷和磷（型）硅中固溶度高：扩散温度范围内杂质（forSi）：最常用—硼（p型）、砷和磷（n型）杂质源：扩散温度范围内可达5×1020/cm3气态源—B2H6、AsH3、PH3液态源—BBr3/B(CH3O)3、AsCl3、POCl3•气态相源扩散（gassource）•液态源扩散（liquidsource）硼酸三甲酯固态源—BN、As2O3、P2O5具体扩散工艺因掺杂而异，特别是状态或外形不同的掺杂剂•固态源扩散（solidsource）具体扩散工艺因掺杂而异，特别是状态或外形不同的掺杂剂所使用的扩散系统及工艺有较大差别。对于每种扩散杂质都要自配一套扩散系统，不得混用，以防杂质互相污染。配一套扩散系统，不得混用，以防杂质互相污染。13→332322B(CHO)BO+CO+HO+...扩散过程：预淀积、推进和激活→2322BO+3Si4B+3SiO使杂质不挥使杂质不挥发到大气中杂质再分布除去杂质氧化物14一、气态源扩散Dopantgas¾方法：载气（如N2）稀释和携带杂质气体，在高温下与硅表面原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。¾杂质源：气态化合物，如PH4、AsH3、SbH3、B2H6等。毒性较大，需用N2、Ar2稀释至1%~2%。¾特点：相比液态源扩散，操作更方便。15¾特点：相比液态源扩散，操作更方便。二、液态源扩散适量的氧：¾防止出现硼皮&排除C的污染；¾促进P2O5分解&防止卤素蚀坑效应。¾方法：载气（N2）通过液态杂质源，携带杂质蒸汽进入扩散炉；效应。N2、Ar2、O2蒸汽进入扩散炉；¾掺杂源：液态化合物，POCl3、PCl3、AsCl3等¾特点：掺杂量控制精确，均匀性、重复性好。液态硼扩散：→332322B(CHO)BO+CO+HO+...预淀积:950oC通源10~20分钟，再分布干氧＋特点：掺杂量控制精确，均匀性、重复性好。源瓶温度和携源气体流量影响杂质蒸气含量液态硼扩散：→→332322232B(CHO)BOCOHO...2BO+3Si4B+3SiO液态磷扩散：→4POCl+3O2PO+6ClN2再分布:1100~1200oC干氧＋湿氧＋干氧预淀积：1050°CN和O16液态磷扩散：→→322522524POCl+3O2PO+6Cl2PO+5Si4P+5SiO预淀积：1050°CN2和O2再分布：950°CO2三、固态源扩散惰性气体作为载气把杂质方法：开管、箱法、涂源法、薄膜法。掺杂源：固态化合物（片状、粉状、乳惰性气体作为载气把杂质源蒸气输运到硅片表面。胶状、薄膜），如B2O3、P2O5、BN等。特点：适于各种扩散杂质，工艺灵活。→↑→↑422323522524BN+3O2BO+2N4PO+15O6PO+10N片状固态硼扩散：活化处理4BN+3O2→2B2O3+2N2通17900°C1h.通O2扩散2B2O3+3Si→3SiO2+4B17BN片与硅片大小相当，和硅片相间均匀放置在舟上。不需载气，但以N2或Ar2保护。DopantOxideDepositionDepositedDopantOxideSiO2SiSubstrate18OxidationSiO2SiSubstrate19Drive-inSiO2DopedjunctionSiSubstrateDopedjunction20StripandCleanSiO2DopedjunctionSiSubstrateDopedjunction21完成扩散过程的八个步骤：¾进行质量测试，保证扩散器具满足质量要求；¾使用批控制系统，验证硅片特性；¾下载包含所需扩散参数的工艺菜单；¾开启扩散炉，控制温度分布；清洗硅片并浸泡氢氟酸，去除自然氧化层；¾清洗硅片