第十一章掺杂

半导体制造技术

西安交通大学微电子技术教研室

第十一章

掺杂

目标通过本章的学习，将能够：1. 解释掺杂在芯片制造过程中的目的和应用；2. 讨论杂质扩散的原理和过程；3. 对离子注入有一个总体认识，包括它的优缺点；4. 讨论剂量和射程在离子注入中的重要性；5. 列举并描述离子注入机的5各主要子系统；6. 解释离子注入中的退火效应和沟道效应；7. 描述离子注入的各种应用。

半导体制造常用杂质表17.1

具有掺杂区的CMOS结构N-沟道晶体管P-沟道晶体管LIoxidep–

外延层p+

硅衬底STISTISTIn+p+p-welln-wellp+p–p+p–p+n+n–n+n–n+ABCEFDGHKLIJMNOn+nn++p+pp++Figure17.1

CMOS制作中的一般掺杂工艺Table17.2

硅片中的掺杂区氧化硅氧化硅p+

硅衬底掺杂气体N扩散区Figure17.3

扩散扩散原理三个步骤预淀积推进激活掺杂剂移动固溶度横向扩散扩散工艺硅片清洗杂质源

扩散的概念扩散是一种自然界及以发生的现象，扩散的发生需要两个必要的条件：浓度差；过程所必须得能量。掺杂区和结的扩散形成扩散后的晶园剖面图硅中的杂质扩散在间隙位置被转移的硅原子SiSiSiSiSiSiSiSiSic)机械的间隙转移SiSiSiSiSiSiSiSiSia)硅晶体结构b)替代扩散SiSiSiSiSiSiSiSi空位杂质d)间隙扩散SiSiSiSiSiSiSiSiSi在间隙位置的杂质Figure17.4

固态扩散的目的在晶园表面产生一定数量的掺杂原子（浓度）在晶园表面下的特定位置处形成NP(或PN)结在晶园表面层形成特定的掺杂原子(浓度)分布结的图形显示理想的横向扩散浓度随深度变化的曲线扩散工艺完成扩散过程所需的步骤：1. 进行质量测试以保证工具满足生产质量标准；2. 使用批控制系统，验证硅片特性；.3. 下载包含所需的扩散参数的工艺菜单；4. 开启扩散炉，包括温度分布；5. 清洗硅片并浸泡氢氟酸，去除自然氧化层；6. 预淀积：把硅片装入扩散炉，扩散杂质；7. 推进：升高炉温，推进并激活杂质，然后撤除硅片；8. 测量、评价、记录结深和电阻。扩散工艺的步骤预淀积

影响扩散层参数（结深、浓度等）的几个因素

杂质的扩散系数杂质在晶园中的最大固溶度硅中杂质的固溶度1100°C下硅中的固溶度极限Table17.3

推进氧化扩散常用杂质源SEMATECH“DiffusionProcesses,”FurnaceProcessesandRelatedTopics,(Austin,TX:SEMATECH,1994),P.7.Table17.4

离子注入概况掺杂剂浓度的控制离子注入的优点离子注入的缺点离子注入参数剂量射程

硅片工艺流程中的离子注入注入扩散测试/拣选刻蚀抛光光刻完成的硅片无图形硅片硅片起始薄膜硅片制造(前端)硬膜掩蔽（氧化硅或氮化硅）注入后退火光刻胶掩蔽控制杂质浓度和深度低掺杂浓度(n–,p–)和浅结深(xj)Mask掩蔽层Siliconsubstratexj低能低剂量快速扫描束扫描掺杂离子离子注入机高掺杂浓度(n+,p+)和深结深(xj)Beamscan高能大剂量慢速扫描MaskMaskSiliconsubstratexjIonimplanterFigure17.5

离子注入机示意图离子源分析磁体加速管粒子束等离子体工艺腔吸出组件扫描盘Figure17.6

离子注入机PhotographcourtesyofVarianSemiconductor,VIISion80Source/TerminalsidePhoto17.1

离子注入的优点

1. 精确控制杂质含量；2. 很好的杂质均匀性；3. 对杂质穿透深度有很好的控制；4. 产生单一粒子束；5. 低温工艺；6. 注入的离子能穿过掩蔽膜；7. 无固溶度极限。Table17.5

注入机分类Table17.6

杂质离子的射程和投影射程人射粒子束硅衬底对单个离子停止点RpDRp杂质分布Figure17.7

注入能量对应射程图注入能量(keV)ProjectedRange,Rp(mm)101001,0000.010.11.0BPAsSb注入到硅中Figure17.8

注入杂质原子能量损失SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-射线电子碰撞原子碰撞被移动的硅原子携能杂质离子硅晶格Figure17.9

轻离子和重离子引起的晶格损伤轻离子冲击重离子冲击Figure17.10

IonImplanters离子源引出电极(吸极)和离子分析器加速管扫描系统ProcessChamber工艺腔退火沟道效应颗粒

离子源和吸极装配图Figure17.11

吸出组件源室涡轮泵离子源绝缘体起弧室吸极吸出组件粒子束Bernas离子源装配图前板狭缝起弧室灯丝电子反射器气体入口5V电子反射器阳极+100V起弧室气化喷嘴电炉气体导入管DI冷却水入口掺杂剂气体入口Figure17.12

离子源和吸极交互作用装配图++

+

+

+

+

+++

+

+

+

+

+-

-

----------NS

NS120V起弧吸出组件离子源60kV吸引2.5kV抑制源磁铁5V灯丝ToPA+粒子束参考端(PA电压)抑制电极接地电极Figure17.13

分析磁体石磨离子源分析磁体粒子束吸出组件较轻离子重离子中性离子Figure17.14

离子注入机分析磁体PhotographcourtesyofVarianSemiconductor,VIISion80analyzersidePhoto17.2

加速管100MW100MW100MW100MW100MW0kV+100kV+80kV+20kV+40kV+60kV+100kV粒子束粒子束至工艺腔电极来自分析磁体Figure17.15

剂量与能量图临近吸收现在应用扩展应用多晶掺杂源/漏损伤工程Buriedlayers倒掺杂阱三阱Vt调整沟道和漏工程0.1110100100010,0001016101110121013101410151017能量(keV)剂量(atoms/cm2)Figure17.16

高能注入机的线形加速器源原子质量分析磁体线形加速器最终能量分析磁体扫描盘硅片Figure17.17

空间电荷中和+++++++++++++++++++++++++具有空间电荷中和地粒子束剖面+++++++++++++++++++++++++粒子束膨胀剖面掺杂离子二次电子Figure17.18

中性束流陷阱源分析磁体加速管中性束流陷阱聚焦阳极Y-轴偏转X-轴偏转中性束流路径硅片粒子束接地的收集板Figure17.19

硅片的静电粒子束扫描+IonbeamY-轴偏转X-轴偏转硅片旋转倾斜高频

X-轴偏转低频

Y-轴偏移Figure17.20

注入阴影效应光刻胶a)无倾斜的机械扫描粒子束b)正常倾斜的静电扫描光刻胶粒子束Figure17.21

离子注入硅片的机械扫描扫描外半径扫描内半径注入面积(计算的)溢出杯旋转粒子束Figure17.22

控制硅片充电的电子喷淋++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++Ionbeam负偏置孔径电子枪二次电子靶二次电子正离负电子复合WaferFigure17.23

控制硅片充电的离子喷淋负偏置孔径Ionbeam中性化原子硅片扫描方向电流(剂量)

监测计等离子电子喷淋腔氩气入口电子发射腔壁+++++++++++++++++++++++++SNSN++++++++ArArArFigure17.24

离子注入机的终端口PhotographprovidedcourtesyofInternationalSEMATECHPhoto17.3

注入工艺腔的硅片传送器VIISion终端台工艺腔终端子系统原子系统注入子系统操作界面片架真空锁硅片传送器扫描盘监视器WallFigure17.25

法拉第杯电流测量带硅片的扫描盘扫描方向法拉第杯抑制栅孔径电流积分仪在盘山的取样狭缝粒子束Figure17.26

硅单晶的退火修复硅晶格结构并激活杂质－硅键b)退火后的硅晶格a)注入过程中损伤的硅晶格粒子束Figure17.27

沿<110>轴的硅晶格视图UsedwithpermissionfromEdgardTorresDesignsFigure17.28

离子人射角与沟道UsedwithpermissionfromEdgardTorresDesigns<111><100><110>Figure17.29

来自颗粒沾污的注入损伤MaskMaskSiliconSubstrate粒子束扫描离子注入机颗粒在被注入区产生空洞Figure17.30

离子注入在工艺集成中的发展趋势不同注入工艺的实例深埋层倒掺杂阱穿通阻挡层阈值电压调整轻掺杂漏区(LDD)源漏注入多晶硅栅沟槽电容器超浅结绝缘体上硅(SOI)

注入埋层Figure17.31

n-wellp-wellp-Epilayerp+Siliconsubstratep+Buriedlayer倒掺杂阱倒掺杂阱n-wellp-wellp+

埋层p+SiliconsubstrateN－杂质p-typedopantp++n++Figure17.32

防止穿通n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstraten-typedopantp-typedopantp+p++n+n++Figure17.33

阈值电压调整的注入n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstraten-typedopantp-typedopantp+p++pn+n++nFigure17.34

源漏区形成++++++++----------++++++++++++++++

----------------n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstratep+S/Dimplantn+S/Dimplant侧墙氧化硅DrainSourceDrainSourceb)p+

和n+

源漏注入 (分两步进行)++++++++----------n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstratep-channeltransistorp–LDDimplant