第6章掺杂技术课件

1、1一、扩散一、扩散二、离子注入二、离子注入 第第6章章 掺杂技术掺杂技术2 掺杂就是使杂质进入掺杂就是使杂质进入wafer内部，并在内部，并在wafer中的某区中的某区域以一定浓度分布，从而改变器件的电学性能，掺入的杂质域以一定浓度分布，从而改变器件的电学性能，掺入的杂质可以是可以是IIIA族和族和VA族的元素。利用掺杂技术，可以制作族的元素。利用掺杂技术，可以制作PN结、欧姆接触区、以及电阻等各种器件。结、欧姆接触区、以及电阻等各种器件。 扩散是较早时期采用的掺杂技术，并且沿用至今，随着扩散是较早时期采用的掺杂技术，并且沿用至今，随着扩散工艺的完善，其设备和操作也已采用计算机控制了。离扩散工

2、艺的完善，其设备和操作也已采用计算机控制了。离子注入法是上个世纪子注入法是上个世纪60年代发展起来的一种在很多方面都优年代发展起来的一种在很多方面都优于扩散法的掺杂工艺，离子注入技术大大推动了集成电路的于扩散法的掺杂工艺，离子注入技术大大推动了集成电路的 发展，使集成电路的生产进入超大规模时代。发展，使集成电路的生产进入超大规模时代。3扩散原理与模型扩散原理与模型 扩散描述了一种物质在另一种物质中运动的情况，就是扩散描述了一种物质在另一种物质中运动的情况，就是一种原子、分子或离子在高温驱动下由高浓度区向低浓度区一种原子、分子或离子在高温驱动下由高浓度区向低浓度区运动的过程。集成电路中扩散的目的

3、是为了控制杂质浓度、运动的过程。集成电路中扩散的目的是为了控制杂质浓度、均匀性和重复性，以及成批大量生产器件，降低生产成本。均匀性和重复性，以及成批大量生产器件，降低生产成本。41扩散模型扩散模型 扩散有气态扩散、液态扩散以及固态扩散三种。杂质也扩散有气态扩散、液态扩散以及固态扩散三种。杂质也可以在硅中移动而扩散进入硅晶格内部。可以在硅中移动而扩散进入硅晶格内部。 杂质原子在杂质原子在wafer中可以替位型和填隙型两种形式存中可以替位型和填隙型两种形式存在，替位型杂质的掺入是可以改变材料电学性质的。替位型在，替位型杂质的掺入是可以改变材料电学性质的。替位型杂质在硅中的扩散方式有替代扩散、空位扩

4、散和间隙扩散三杂质在硅中的扩散方式有替代扩散、空位扩散和间隙扩散三种。一般情况下，硼、磷、砷、锑等三五主族杂质都是空位种。一般情况下，硼、磷、砷、锑等三五主族杂质都是空位扩散模式，而金、银等重金属杂质都是间隙扩散模式。扩散模式，而金、银等重金属杂质都是间隙扩散模式。562.扩散原理扩散原理 扩散现象必须具备两个条件：温度和浓度梯度。当杂质扩散现象必须具备两个条件：温度和浓度梯度。当杂质浓度以及缺陷密度较低时，扩散运动可用菲克扩散定律来描浓度以及缺陷密度较低时，扩散运动可用菲克扩散定律来描述为述为 。式中，。式中，J代表单位时间内杂质原子的扩散代表单位时间内杂质原子的扩散量；量； 即为沿即为沿x

5、方向杂质浓度变化率；方向杂质浓度变化率；D是杂质扩散系数。是杂质扩散系数。负号表示扩散方向与杂质浓度的增加方向相反，也就是沿着负号表示扩散方向与杂质浓度的增加方向相反，也就是沿着浓度下降的方向。浓度下降的方向。 xNDJxN7 扩散的方法有很多，液态源扩散、固态源扩散、箱法扩扩散的方法有很多，液态源扩散、固态源扩散、箱法扩散、涂源扩散以及金扩散等，生产上常用的是前三种。无论散、涂源扩散以及金扩散等，生产上常用的是前三种。无论是那一种扩散方法都需要经过以下步骤：开启扩散炉平衡温是那一种扩散方法都需要经过以下步骤：开启扩散炉平衡温度；清除度；清除wafer表面的杂质及自然氧化层；将表面的杂质及自然

6、氧化层；将wafer送入送入扩散炉中，开始预淀积；升高炉温，推进并激活杂质；取出扩散炉中，开始预淀积；升高炉温，推进并激活杂质；取出wafer，测量扩散层的电阻和结深。，测量扩散层的电阻和结深。81液态源扩散液态源扩散 保护性气体（如氮气）通过液态源以蒸汽形式进入扩散保护性气体（如氮气）通过液态源以蒸汽形式进入扩散炉中，杂质源在高温下分解并于炉中，杂质源在高温下分解并于wafer表面的硅发生反应，表面的硅发生反应，然后杂质以原子的形式扩散进入然后杂质以原子的形式扩散进入wafer内部，达到掺杂的目内部，达到掺杂的目的。的。92.固态源扩散固态源扩散 固态源扩散具有设备简单、操作方便、不需要盛放

7、杂质固态源扩散具有设备简单、操作方便、不需要盛放杂质源的器具和携带杂质源的气体、气体流量不会影响扩散结源的器具和携带杂质源的气体、气体流量不会影响扩散结果、扩散效果好等优点。果、扩散效果好等优点。 用于固态硼扩散的杂质源为片状氮化硼，片状氮化硼首用于固态硼扩散的杂质源为片状氮化硼，片状氮化硼首先经过氧化激活，使其表面氧化生成三氧化二硼，三氧化先经过氧化激活，使其表面氧化生成三氧化二硼，三氧化二硼与硅反应生成二氧化硅和硼原子，硼原子开始扩散。二硼与硅反应生成二氧化硅和硼原子，硼原子开始扩散。反应如下：反应如下： 23222234NOBOBNBSiOSiOB433223210 用于固态磷扩散的杂质

8、源是偏磷酸铝和焦磷酸硅经过混用于固态磷扩散的杂质源是偏磷酸铝和焦磷酸硅经过混合、干压、烧制而成的，这两种化合物在高温下分解，释放合、干压、烧制而成的，这两种化合物在高温下分解，释放出五氧化二磷，五氧化二磷与硅反应生成磷原子，磷原子向出五氧化二磷，五氧化二磷与硅反应生成磷原子，磷原子向wafer内部扩散。反应如下：内部扩散。反应如下： 扩散时杂质源与扩散时杂质源与wafer交叉相距交叉相距3至至5mm置于置于V形槽形槽 内，并且通入氮气作为保护性气体。内，并且通入氮气作为保护性气体。52433OPAlPOPOAl52272OPSiOOSiPPSiOSiOP4552252113.固固-固扩散固扩散

9、 固固-固扩散是利用固扩散是利用wafer表面含有所需杂质的氧化层作表面含有所需杂质的氧化层作为杂质源进行扩散的方法，可得到均匀性、重复性较好的为杂质源进行扩散的方法，可得到均匀性、重复性较好的结，比较适合对于表面杂质浓度要求很严的扩散。结，比较适合对于表面杂质浓度要求很严的扩散。 扩散分两步进行。第一步在低温（约扩散分两步进行。第一步在低温（约700800）下）下淀积包含杂质的氧化层。第二步，升高反应温度，使表面的淀积包含杂质的氧化层。第二步，升高反应温度，使表面的氧化层与硅反应生成杂质原子，开始再分布扩散，达到预期氧化层与硅反应生成杂质原子，开始再分布扩散，达到预期目的目的 。 12134

10、.扩散层的测量扩散层的测量 扩散层的测量包括扩散层电阻和扩散层深度（结深）的扩散层的测量包括扩散层电阻和扩散层深度（结深）的测量。测量。（1）扩散层电阻的测量）扩散层电阻的测量 扩散层电阻即方块电阻。对于一块均匀的导体，其导电扩散层电阻即方块电阻。对于一块均匀的导体，其导电能力与材料的电阻率能力与材料的电阻率、长度、长度L以及横截面积以及横截面积S都有关。若扩都有关。若扩散薄层是边长为散薄层是边长为a的正方形，而结深为的正方形，而结深为 ，则这一小方块所，则这一小方块所呈现的电阻就是方块电阻，单位为呈现的电阻就是方块电阻，单位为/。jx14四探针法测量电阻四探针法测量电阻15（2）结深的测量）

11、结深的测量 集成电路的结深位于微米数量级，所以测量比较困难，集成电路的结深位于微米数量级，所以测量比较困难，通常采用磨角法和滚槽法测量。通常采用磨角法和滚槽法测量。 磨角法是将完磨角法是将完成扩散的成扩散的wafer磨磨出一个的斜面（角出一个的斜面（角度约为度约为15），），对磨出的斜面进行染色，然后测量计算得到结深。具体步骤对磨出的斜面进行染色，然后测量计算得到结深。具体步骤 如下：用石蜡将完成扩散的如下：用石蜡将完成扩散的wafer粘在磨角器上，用粘在磨角器上，用16金刚砂或氧化镁粉将金刚砂或氧化镁粉将wafer磨出斜面来；清洗磨出的斜面，磨出斜面来；清洗磨出的斜面，然后对斜面进行镀铜染色

12、，所用的染色剂是五水硫酸铜与氢然后对斜面进行镀铜染色，所用的染色剂是五水硫酸铜与氢氟酸的混合溶液。硅的电化学势比铜高，硅可将铜置换出在氟酸的混合溶液。硅的电化学势比铜高，硅可将铜置换出在wafer表面染上铜，呈现红色，又因为表面染上铜，呈现红色，又因为N型型wafer比比P型型wafer的电化学势高，所以，在合适的时间内，就可以在的电化学势高，所以，在合适的时间内，就可以在N型区域染上红色的铜，而型区域染上红色的铜，而P型区域则不显示红色；测量染色型区域则不显示红色；测量染色的的wafer就可以计算出结深了。就可以计算出结深了。17 磨角法测量存在一定的误差，尤其对于浅结，磨角法很磨角法测量存

13、在一定的误差，尤其对于浅结，磨角法很难精确测量，所以，要精确测量结深还要采用滚槽法测量。难精确测量，所以，要精确测量结深还要采用滚槽法测量。滚槽的半径为滚槽的半径为R，滚槽线与扩，滚槽线与扩散层表面、底面的水平交线分散层表面、底面的水平交线分别长别长2a和和2b，则根据勾股定，则根据勾股定理由公式可计算得到结深，滚理由公式可计算得到结深，滚槽半径越大，测量结果越准确。槽半径越大，测量结果越准确。Rbabaxj218离子注入离子注入 离子注入法掺杂相比扩散法掺杂来说，它的加工温度离子注入法掺杂相比扩散法掺杂来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等低、容易制作浅结、均

14、匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。目前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不优点。目前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。可缺少的掺杂工艺。1.离子注入原理离子注入原理 离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。可通过电场对离子进行加速，利用磁它带有一定量的电荷。可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进 入入wafer内部达到掺杂的目的。内部达到掺杂的目的。19 离子注入到离子注入到wafer中

15、后，会与硅原子碰撞而损失能量，中后，会与硅原子碰撞而损失能量，能量耗尽离子就会停在能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。离子通过与硅原子中某位置。离子通过与硅原子的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。20 杂质在杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变

16、为非晶体结构。点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。 212.离子射程离子射程 离子射程就是注入时，离子进入离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面内部后，从表面到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。 投影射程投影射程 是离子注入是离子注入wafer内部的深度，它取决于内部的深度，它取决于离子的质量、能量，离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综

17、合所有的离子运动，就产生了投影偏会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。差。pR22233.离子注入剂量离子注入剂量 注入剂量是单位面积注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过表面注入的离子数，可通过下面的公式计算得出下面的公式计算得出 ，式中，式中，Q是剂量；是剂量；I是束流，是束流，单位是安培；单位是安培；t是注入时间，单位是秒；是注入时间，单位是秒；e是电子电荷，是电子电荷，1.610-19C；n是电荷数量；是电荷数量；A是注入面积，单位是是注入面积，单位是 。4.离子注入设备离子注入设备 离子注入机体积庞大，结构非常复杂。根据它所能提供离子注入机体积庞大，结构

18、非常复杂。根据它所能提供的离子束流大小和能量可分为高电流和中电流离子注入机以的离子束流大小和能量可分为高电流和中电流离子注入机以 及高能量、中能量和低能量离子注入机。及高能量、中能量和低能量离子注入机。enAItQ 2cm24 离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速 器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。 25（1）离子源）离子源 离子源的任务是提供所需的杂质离子。在合适的气压离子源的任务是提供所需的杂质离子。在合适的气压下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而电离，最常用的杂质下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而

19、电离，最常用的杂质源有源有 和和 等，等，（2）离子束吸取电极）离子束吸取电极 吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。电吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。电极由抑制电极和接地电极构成，电极上加了很高的电压，离极由抑制电极和接地电极构成，电极上加了很高的电压，离子受到弧光反应室侧壁的排斥作用和抑制电极的吸引作用，子受到弧光反应室侧壁的排斥作用和抑制电极的吸引作用，被分离出来形成离子束向吸取电极运动。被分离出来形成离子束向吸取电极运动。62HB3PH2627（3）质量分析器）质量分析器 反应气体中可能会夹杂少量其它气体，这样，从离子源反应气体中可能会夹杂少量其它气体，这样，从离

20、子源吸取的离子中除了需要杂质离子外，还会有其它离子。因吸取的离子中除了需要杂质离子外，还会有其它离子。因此，需对从离子源出来的离子进行筛选，质量分析器就是来此，需对从离子源出来的离子进行筛选，质量分析器就是来完成这项任务的。完成这项任务的。 质量分析器的核心部件是磁分析器，在相同的磁场作用质量分析器的核心部件是磁分析器，在相同的磁场作用下，不同荷质比的离子会以不同的曲率半径做圆弧运动，选下，不同荷质比的离子会以不同的曲率半径做圆弧运动，选择合适曲率半径，就可以筛选出需要的离子。荷质比较大的择合适曲率半径，就可以筛选出需要的离子。荷质比较大的 离子偏转角度太小、荷质比较小的离子偏转角度太大，离子

21、偏转角度太小、荷质比较小的离子偏转角度太大，28都无法从磁分析器都无法从磁分析器的出口通过，只有的出口通过，只有具有合适荷质比的具有合适荷质比的离子才能顺利通过离子才能顺利通过磁分析器，最终注磁分析器，最终注入到入到wafer中。中。 29（4）加速器）加速器 为了保证注入的离子能够进入为了保证注入的离子能够进入wafer，并且具有一定的，并且具有一定的射程，离子的能量必须满足一定的要求，所以，离子还需要射程，离子的能量必须满足一定的要求，所以，离子还需要进行电场加速。完成加速任务的是由一系列被介质隔离的加进行电场加速。完成加速任务的是由一系列被介质隔离的加速电极组成管状加速器。离子束进入加速

22、器后，经过这些电速电极组成管状加速器。离子束进入加速器后，经过这些电极的连续加速，能量增大很多。极的连续加速，能量增大很多。 与加速器连接的还有聚焦器，聚焦器就是电磁透镜，它与加速器连接的还有聚焦器，聚焦器就是电磁透镜，它的任务是将离子束聚集起来，使得在传输离子时能有较高的的任务是将离子束聚集起来，使得在传输离子时能有较高的效益，聚焦好的离子束才能确保注入剂量的均匀性。效益，聚焦好的离子束才能确保注入剂量的均匀性。 3031（5）扫描器）扫描器 离子束是一条直径约离子束是一条直径约13的线状高速离子流，必须通过的线状高速离子流，必须通过扫描覆盖整个注入区。扫描方式有：固定扫描覆盖整个注入区。扫

23、描方式有：固定wafer，移动离子，移动离子束；固定离子束，移动束；固定离子束，移动wafer。离子注入机的扫描系统有电。离子注入机的扫描系统有电子扫描、机械扫描、混合扫描以及平行扫描系统，目前最常子扫描、机械扫描、混合扫描以及平行扫描系统，目前最常用的是静电扫描系统。用的是静电扫描系统。 静电扫描系统由两组平行的静电偏转板组成，一组完成静电扫描系统由两组平行的静电偏转板组成，一组完成横向偏转，另一组完成纵向偏转。在平行电极板上施加电场，横向偏转，另一组完成纵向偏转。在平行电极板上施加电场，正离子就会向电压较低的电极板一侧偏转，改变正离子就会向电压较低的电极板一侧偏转，改变32电压大小就可以改

24、变离子束的偏转角度。静电扫描系统使离电压大小就可以改变离子束的偏转角度。静电扫描系统使离子流每秒钟横向移动子流每秒钟横向移动15000多次，纵向移动移动多次，纵向移动移动1200次。次。 静电扫描过静电扫描过程中，程中，wafer固固定不动，大大降定不动，大大降低了污染几率，低了污染几率，而且由于带负电而且由于带负电的电子和中性离子不会发生同样的偏转，这样就可以避免被的电子和中性离子不会发生同样的偏转，这样就可以避免被 掺入到掺入到wafer当中。当中。 33（6）终端系统）终端系统 终端系统就是终端系统就是wafer接受离子注入的地方，系统需要接受离子注入的地方，系统需要完成完成Wafer的

25、承载与冷却、正离子的中和、离子束流量检的承载与冷却、正离子的中和、离子束流量检测等功能。测等功能。 离子轰击导致离子轰击导致wafer温度升高，冷却系统要对其进行温度升高，冷却系统要对其进行降温，防止出现由于高温而引起的问题，有气体冷却和橡胶降温，防止出现由于高温而引起的问题，有气体冷却和橡胶冷却两种技术。冷却系统集成在冷却两种技术。冷却系统集成在Wafer载具上，载具上，wafer载载具有多片型和单片型两种。具有多片型和单片型两种。 343536 离子注入的是带正电荷的离子，注入时部分正电荷会聚离子注入的是带正电荷的离子，注入时部分正电荷会聚集在集在wafer表面，对注入离子产生排斥作用，使

26、离子束的入表面，对注入离子产生排斥作用，使离子束的入射方向偏转、离子束流半径增大，导致掺杂不均匀，难以控射方向偏转、离子束流半径增大，导致掺杂不均匀，难以控制；电荷积累还会损害表面氧化层，使栅绝缘绝缘能力降制；电荷积累还会损害表面氧化层，使栅绝缘绝缘能力降低，甚至击穿。解决的办法是用电子簇射器向低，甚至击穿。解决的办法是用电子簇射器向wafer表面发表面发射电子，或用等离子体来中和掉积累的正电荷。射电子，或用等离子体来中和掉积累的正电荷。 离子束流量检测及剂量控制是通过法拉第杯来完成的。离子束流量检测及剂量控制是通过法拉第杯来完成的。然而离子束会与电流感应器反应产生二次电子，这会正常测然而离子

27、束会与电流感应器反应产生二次电子，这会正常测量偏差。在法拉第杯杯口附加一个负偏压电极以防止量偏差。在法拉第杯杯口附加一个负偏压电极以防止37二次电子的逸出，获二次电子的逸出，获得精确的测量值。电得精确的测量值。电流从法拉第杯传输到流从法拉第杯传输到积分仪，积分仪将离积分仪，积分仪将离子束电流累加起来，子束电流累加起来，结合电流总量和注入结合电流总量和注入时间，就可计算出掺时间，就可计算出掺入一定剂量的杂质需入一定剂量的杂质需 要的时间。要的时间。384.离子注入工艺离子注入工艺（1）沟道效应）沟道效应 入射离子与入射离子与wafer之间有不同的相互作用方式，若离子之间有不同的相互作用方式，若离

28、子能量够高，则多数被注入到能量够高，则多数被注入到wafer内部；反之，则大部分离内部；反之，则大部分离子被反射而远离子被反射而远离wafer。注入内部的原子会与晶格原子发生。注入内部的原子会与晶格原子发生不同程度的碰撞，离子运动过程中若未与任何粒子碰撞，它不同程度的碰撞，离子运动过程中若未与任何粒子碰撞，它就可到达就可到达wafer内部相当深的地方，这就是沟道效应。内部相当深的地方，这就是沟道效应。 沟道效应将使离子注入的可控性降低，甚至使得器件失沟道效应将使离子注入的可控性降低，甚至使得器件失效。因此，在离子注入时需要抑制这种沟道效应。在效。因此，在离子注入时需要抑制这种沟道效应。在39w

29、afer表面淀积一层非晶格结构材料或事先破坏掉表面淀积一层非晶格结构材料或事先破坏掉wafer表面较薄的一层结晶层等都可降低沟道效应。表面较薄的一层结晶层等都可降低沟道效应。 40（2）退火）退火 离子注入会对晶格造成损伤，注入剂量较大时，离子注入会对晶格造成损伤，注入剂量较大时，wafer将会由单晶变成非晶，通过退火能修复晶格缺陷。将会由单晶变成非晶，通过退火能修复晶格缺陷。 41 缺陷修复需要缺陷修复需要500的温度，杂质的激活需要的温度，杂质的激活需要950的高温，有高温炉退火和快速热退化两种方法。高温炉退火的高温，有高温炉退火和快速热退化两种方法。高温炉退火是在是在8001000的高温

30、下加热的高温下加热30分钟，因会导致杂质再分钟，因会导致杂质再分布，不常采用；快速热退火采用快速升温并在分布，不常采用；快速热退火采用快速升温并在1000的的高温下保持很短的时间，可达到最佳效果。高温下保持很短的时间，可达到最佳效果。（3）颗粒污染）颗粒污染 离子注入对颗粒污染非常敏感，离子注入对颗粒污染非常敏感，wafer表面的颗粒会阻表面的颗粒会阻碍离子束的注入，大电流的注入会产生更多颗粒，必要时碍离子束的注入，大电流的注入会产生更多颗粒，必要时需需 采取纠正措施。采取纠正措施。42（4）离子注入工艺有以下特点：）离子注入工艺有以下特点： 注入的离子经过质量分析器的分析，纯度很高、能量单注入的离子经过质量分析器的分析，纯度很高、能量单一。而且注入环境清洁、干燥，大大降低了杂质污染。一。而且注入环境清洁、干燥，大大降低了杂质污染。 注入剂量可精确控制，杂质均匀度高达注入剂量可精确控制，杂质均匀度高达1%； 注入在中低温度下进行，二氧化硅、光刻胶、氮化硅等注入在中低温度下进行，二氧化硅