半导体制造工艺教案9掺杂

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在前面已经介绍了在半导体中哪怕引入一点点杂质也会大大改变半导体的导

电性。本章就要介绍给半导体引入指定杂质的工艺过程，也就是掺杂。掺杂的

目的就是改变半导体的导电类型，形成N型层或P型层，以形成PN结和各种

半导体器件，从而形成半导体集成电路；或改变材料的电导率。经过掺杂，杂

质原子将要代替原材料中的部分原子，材料的导电类型决定于杂质的化合价，

如硅中掺入五价的磷（施主杂质）将成为N型半导体，掺入三价的硼（受主杂

质）将成为P型半导体。

9.1.2掺杂的两种方法

掺杂的方法有两种：热扩散和离子注入。热扩散法是最早使用也是最简单的掺杂工艺，热扩散是利用高温驱动杂质进入半导体的晶格中，并使杂质在半

导体衬底中扩散。这种方法对温度和时间的依赖性很强。于20世纪50年代开

始研究，20世纪70年代进入工业应用阶段，随着VLSI超精细加工技术的发

展，现已成为各种半导体掺杂和注入隔离的主流技术。离子注入是通过把杂质

离子变成高能离子来轰击衬底，从而把杂质注入到半导体衬底中的掺杂方法。

9.1.3掺杂工艺流程

半导体制造中的污染无时无刻不在，所以掺杂之前要对衬底进行清洗等前处理。大部分的掺杂是在半导体衬底中指定的区域掺杂——选择性掺杂，也就

是有些区域需要掺杂，其他区域不掺杂。怎样实现选择性掺杂呢？那就是在掺

杂之前在半导体衬底表面生长一层掩蔽膜（这层掩蔽膜具有阻挡杂质向半导体

衬底中扩散的能力），然后对掩蔽膜进行光刻和刻蚀，去掉衬底上面待掺杂区

域的掩蔽膜，不掺杂区域的掩蔽膜要保留下来，得到选择扩散窗口。然后放入

高温扩散炉中进行掺杂，则在窗口区就可以向半导体衬底中扩散杂质，其他区

域被掩蔽膜屏蔽，没有杂质进入，实现对半导体衬底中的选择性扩散。掺杂完

成后要进行检测。图是在N型衬底中掺入受主杂质形成P型掺杂区的流程图。

掺杂工艺流程

9.2.1扩散原理

扩散是物质的一个基本性质，原子、分子和离子都会从高浓度向低浓度处

进行扩散运动。一种物质向另一种物质发生扩散运动需满足两个基本条件：第一有浓度差；第二提供足够的能量使物质进行扩散。在半导体制造中，利用高温热能使杂质扩散到半导体衬底中。

1.扩散机制

杂质在硅晶体中的扩散机构

2.扩散系数

3.杂质浓度分布

扩散示意图

杂质浓度分布

4.结深

5.掩蔽膜

6.固溶度

9.2

前面已经介绍了扩散工艺流程，在这个流程中，前3步为扩散掺杂的晶圆准备，同时在扩散掺杂前要进行设备准备，即包括设备检测、设备清洁、工艺菜单、升温并达到指定的温度分布等。

1.上料模式

两种上料模式

9.2

2.扩散步骤

1)预淀积扩散：预淀积是恒定表面源扩散，即扩散炉中的杂质气体浓度保持恒定不变，这样暴露在杂质气体中的半导体晶圆表面杂质浓度NS也保持恒定不变。

2)再分布扩散：再分步又叫推进，是限定源浓度扩散。

3.评估

4.横向扩散

扩散的理想情况与横向扩散

9.2

9.2.3扩散设备、工艺参数及其控制

半导体设备发展很快，扩散设备已经智能化。图9⁃8是一款扩散设备外观（通常叫扩散炉）。

扩散设备外观

1.扩散设备

扩散设备——单管控制结构图

(1)技术指标

1)适用硅片：Φ100mm、Φ150mm、Φ200mm、Φ300mm。

2)炉管数量：1~4管(由客户定)。

3)净化工作台：台面采用进口不锈钢面板。

4)气路流量计：标配为浮子流量计，可选件为质量流量计：

5)气密性指标：阀门压力调节到29psi(1psi=6.895kPa)，24h后压力减小到不大于1.4psi(1psi=6.895kPa)。

6)气路管件：采用内抛光不锈钢气路管线及优质阀门,SW AGELOK接口。

7)工作温度范围：600~1300℃。

8)温度传感器：S型热电偶。

9)长期工作温度：1200~1286℃。

10)恒温区长度及精度：800~1300℃，800mm/±0.5℃；400~800℃，800mm/±1℃。

11)单点温度稳定性：800~1300℃，800mm/±0.5℃/48h；400~800℃，800mm/±1℃/48h。

控制系统的主菜单画面

自动运行控制画面

工艺曲线编辑进入画面——密码输入

工艺曲线编辑画面——设定工艺参数

PID参数设置画面

PID参数自整定操作画面

工艺温度设定曲线查看画面

报警信息查看画面

多点修正操作画面

参数修改时自动弹出的数字键盘

自动运行中强制跳步操作提示窗

断电后提示继续运行时的弹出画面

自动运行中强制终止提示窗口

2.扩散工艺参数、控制及应用

(1)工艺参数掺杂时间、掺杂温度、杂质源流量是很重要的工艺控制参数。

(2)工艺控制及应用扩散是最早用于掺杂的一种方法，随着IC规模的快速发展，集成度越来越高，扩散已不能适应超大规模、巨大规模集成电路浅结、小尺寸、准确的掺杂浓度的需要，但其设备便宜、工艺非常成熟，仍在许多方面应用，如在分立器件、光伏器件、中小规模集成电路中仍广泛应用。

1)磷掺杂：

①影响磷扩散的因素：

②磷扩散工艺控制：

③常见问题及处理:

2)推阱。

①推阱工艺主要参数：结深、膜厚和表面浓度。结深比较关键，必须保证正确的温度和时间；注入能量和剂量一定后, 生长氧化膜主要为光刻对位提供方便,同时会改变晶圆表面的杂质浓度，过厚或过薄均会影响NMOS管或PMOS 管的开启电压；表面浓度主要受制于推阱程序的工艺过程,如高温的温度、工艺的时间、氧化和推结的前后顺序。

②影响推阱的工艺参数：

③推阱工艺控制：

(3)设备维护及工艺维护

1)定期拉恒温区以得到好的温度控制。

2)BT 测量：BT项目可以检测到可动离子数目，及时掌握炉管的沾污情况，防止炉管受到可动电荷粘污,使大批晶圆受损。

3)片内均匀性：保证硅片中每个芯片的重复性良好。

4)片间均匀性：保证每个硅片的重复性良好。

5)定期清洗炉管：清洗炉管，可以减少重金属离子、碱金属离子的沾污同时也能减少颗粒，保证氧化层质量。