微电子工艺基础掺杂技术

微电子工艺基础掺杂技术
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。
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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）扩散流程 ① 预淀积
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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。
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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）
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第9章 掺杂技术
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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。
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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）
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）
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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
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。
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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）
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：
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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。
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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。
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。
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第9章 掺杂技术
一、扩散 3、扩散工艺与设备
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第9章 掺杂技术
二、离子注入技术
1、概述 （4）离子穿透深度 影响离子穿透深度的因素有：
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。
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。
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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。
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。
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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） 。
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第9章 掺杂技术
一、扩散 N
2、杂质在硅中的扩散
Ns
（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 Nb 中，硅片表面达到了该扩散温度的 固溶度Ns。解扩散方程：
t1
t2 t3
xj1 xj2 xj3
x
边界条件为：N（0，t）=Ns 初始条件为：N（x，0）=0
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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
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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）
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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。
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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。
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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
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
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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
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微电子工艺基础掺杂技 术
2020/11/14
微电子工艺基础掺杂技术
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
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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
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。
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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
解扩散方程： 边界条件： 初始条件：
Ns
t1
Ns’
t2
Ns”
t3
Nb
Xji xj2 xj3
X
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模拟的工艺参数。
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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
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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
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。
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第9章 掺杂技术
一、扩散
N
2、杂质在硅中的扩散
Ns
（2）扩散方程的解 ① 恒定源扩散
Nb
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。
t1
t2 t3
xj1 xj2 xj3
x
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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
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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
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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。
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第9章 掺杂技术
一、扩散 1、扩散原理 （2）扩散方程
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。
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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
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第9章 掺杂技术
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第9章 掺杂技术
一、扩散
3、扩散工艺与设备
（3）B扩散 原 理： 2 B2O3 + 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。
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）
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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
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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
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第9章 掺杂技术
一、扩散
1、扩散原理
② 扩散的方式
（1）扩散方式
B 替位式扩散
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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
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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
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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。
离Leabharlann Baidu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。
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第9章 掺杂技术
二、离子注入技术
1、概述 （2）离子注入源
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。
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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。
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。
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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）
微电子工艺基础掺杂技术
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。
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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。