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。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。微电子工业基础第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）。微电子工业基础第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：微电子工业基础第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）微电子工艺基础微电子工业基础第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）221exp2)(RpRpxRpQxnT微电子工业基础第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：AItQT181025.6其中：I为电流；t为时间；A为注入面