微电子工艺基础掺杂技术

第9章掺杂技术1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。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。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1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式

A填隙式扩散第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。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1、扩散原理（2）扩散方程①第一扩散定律第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。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。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）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。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。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。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NbNsxj1xj2xj3xNt1t2t3erfc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。第9章扣掺杂技呼术一、扩穿散2、杂质蛛在硅中薯的扩散（2）扩散方程坝的解②限定源扩风散限定源扩洗散是在整术个扩散过专程中，杂栗质源限定接在扩散前外积累于硅趁片表面薄异层内的杂挤质总量Q。第9章哄掺唉杂技术一、扩散2、杂质在犁硅中的扩画散（2）扩散方程闯的解②限定源扩备散XXjixj2xj3NsNs’Ns”t1t2t3边界条件：初始条件：解扩散方程：Nb第9章颠掺杂技软术一、扩散2、杂质尿在硅中止的扩散（2）扩散方程赢的解②限定源扩葵散限定源扩蛾散杂质浓锻度是一种袖高斯函数宁分布。扩亏散过程中慨杂质表面侄浓度变化漏很大，但侄杂质总量Q不变。第9章讯掺泡杂技术一、扩扯散2、杂质挣在硅中灿的扩散（3）实际吼扩散①场扰助扩散辫效应硅衬底的别掺杂浓度浇对杂质的低扩散速率司有影响，夸衬底掺反杂浓度高厚时这一影劈燕响将使扩宴散速率显容著提高，饥称之为场勒助扩散效那应。第9章幕掺渗杂技术一、扩径散2、杂质在陡硅中的扩哨散（3）实际雁扩散②横向赏扩散效应姻（P218）不管是丘扩散还潜是离子绪注入都诞会发生亩横向扩就散现象倒，横向炎扩散的锅线度是撒纵向扩闸散的0.75令-0.8熄5倍。第9章纳掺杂技甩术一、扩散3、扩散工腹艺与设备（1）扩散源①液败态源（旁参见教勤材P223）液态源通醒常是所需莲掺杂元素壶的氯化物胶或溴化物舌。例如：POC油l3、BBr3选择源着必需满薄足固溶沿度和扩劲散系数暑的要求溉。另外愧还要选杯择好掩蓬蔽膜。第9章改掺那杂技术一、扩散3、扩散姥工艺与嚷设备（1）扩散架源①液态青源（参见剪教材P22辩3）液相源扩散系统第9章铸掺杂技粗术一、扩三散3、扩散工宏艺与设备（1）扩散贡源①液半态源（粗参见教炮材P22匙3）层流形成醋系统：第9章秘掺哥杂技术一、扩散3、扩散益工艺与谢设备（1）扩散源②固庭态源（伐参见教碧材P223）最原始忌的淀积起源。固态源通祖常是氧化势物B2O3、Sb2O5、P2O5等陶瓷片佛或粉体，象也有用BN。第9章棵掺杂技救术一、扩乌散3、扩散担工艺与谱设备（1）扩散鹅源②固肤态源使用固粥态源的照三种方返式：沟（参见衣教材P225）A远程源（拜匙）B近邻源缝（圆片鸽）C涂抹源第9章妖掺杂技节术一、扩埋散3、扩散哲工艺与溉设备（1）扩散序源②固概态源（宵参见教班材P223）固相源扩散系统第9章滨掺锅杂技术一、扩尽散3、扩散工唉艺与设备（1）扩散源③气券态源（公参见教瓜材P224）气态源通该常是氢化悔物：B2H6、PH3、AsH3、BCl3，最受欢战迎的扩散孟源方式。第9章喊掺杂技薯术一、扩肌散3、扩散钥工艺与精设备（1）扩散源③气在态源（利参见教俘材P22榆4）第9章霞掺蜻杂技术一、扩散3、扩散宋工艺与倡设备（2）扩散父流程①预淀盐积：（去参见P22峡2）A预清洗与董刻蚀B炉管淀锋积C去釉（埋漂硼硅国玻璃或设磷硅玻施璃）D评估（假扑片或陪片浩）②再赔分布（评骗估）：（斯参见P22肿6）第9章即掺杂技矩术一、扩散3、扩散牢工艺与背设备（2）扩散谎流程①预淀叙积评估（假天片或陪片极）：通常寄测方块电童阻，方块规电阻是指冠表面为正痕方形的薄恢膜，在电斧流方向的型电阻值。炉管淀积闲：一般予鸽淀积温度冠较低，时翼间也较短刊。氮气保热护。去釉（蜓漂硼硅代玻璃或虎磷硅玻肢璃）：竖炉管淀深积后的馋窗口表苗面有薄尝薄的一皱层硼硅摆玻璃，勉用HF漂去。第9章钢掺杂技漂术一、扩散3、扩散倦工艺与刊设备（2）扩散流趋程①预屋淀积第9章倡掺崭杂技术一、扩鄙散3、扩散工杰艺与设备（2）扩散流娇程②再穿分布（评体估）再分布形温度较厦高，时索间也较过长。通孙氧气直魄接生长哲氧化层始。第9章截掺杂技趁术一、扩万散3、扩散工饱艺与设备（2）扩散流茧程②膊再分布安（评估另）第9章挪掺杂技炭术一、扩散3、扩散催工艺与速设备（2）扩散流蓄程扩散工艺投有一步工汪艺和两步艇工艺：①一步工斗艺曾是恒定粘源扩散报，杂质腿分布服放从余误辞差分布零；②两步工垫艺乱分为予集淀积和添再分布且两步予淀积是弦恒定源扩君散，目的大是在扩散柿窗口硅表愚层扩入总切量一定的奴掺杂元素暗。再分布浇是限定源迷扩散，掺怕杂源总量份已在予淀德积时扩散脾在窗口上佩了，再分乱布的目的巷是使杂质浅在硅中具棚有一定的弓分布或达眠到一定的孤结深。第9章风掺杂技筑术一、扩散3、扩散工丝式艺与设备（3）B扩散原理：2B2O3+3S旨i→德4B+网3SiO2选源：固态BN源使用最舍多，必须虑活化。800-展1000励℃活化：4BN床+3O2→2秤B2O3+2N2特点：B与Si晶格失廉配系数银为0.2排54，失配大耍，有伴生他应力缺陷萌，造成严麻重的晶格燥损伤，在150温0℃，硼在硅胁中的最大辣固溶度达4*1商020/cm3，但是最丛大电活性歌浓度是5*1姓019/cm3。第9章初掺坡杂技术一、扩奋散3、扩散工饲艺与设备（4）P扩散原理：2P2O5+5手Si拒→寨4P涨+5恩SiO2选源：固态P2O5陶瓷片源糟使用最多劣，无须活雪化。特点：磷是n形替位杂独质，失配趟因子0.0触68，失配小甚，杂质浓仍度可达1021/cm3，该浓度责即为电活烘性浓度。第9章休掺贯杂技术一、扩散3、扩散工肾艺与设备（5）例子休（N+PN晶体管养）43第9章莫掺杂技浮术一、扩抹散4、工艺粮质量检柳测（1）工艺指役标①杂质表富面浓度②结深③薄层电阻④分布曲线（2）工艺条监件（T,t）的确定解析扩肾散方程迹获得工童艺条件剂，目前漫用计算绕机模拟枪的工艺污参数。第9章登掺财杂技术一、扩侄散4、工艺质汽量检测（3）工艺参数嘱测量①染色法测协结深②阳极氧化疗测分布函躲数③四探针法狂测方块电跑阻④四探针法柴测电阻率（4）电参数母测量I-V曲线第9章粥掺杂耍技术二、离飞子注入蔑技术1、概述2、离子艰注入工蓬艺3、离子拦注入技荐术的应槐用第9章逗掺杂技召术二、离分子注入良技术1、概述（1）热扩玩散的限健制①横脾向扩散②实现围浅结困难③掺杂浓度蔑控制精度④表面污司染第9章小掺杂技舞术二、离子途注入技术1、概述（2）离子到注入技讨术的引华入高集成度氏电路的发万展需要更玻小的特征竖图形与更谨近的电路薪器件间距其。热扩散纲对电路的船生产已有踩所限制，羊于是离子泛注入法诞择生。（见测教材P22袖8）离子注缴入是将盯含所需遍杂质的猪化合物倒分子（秧如BCl3、BF3）电离为夕杂质离子洪后，聚集焰成束用强队电场加速公，使其成腹为高能离介子束，直徐接轰击半判导体材料陈，当离子衬进入其中自时，受半扭导体材料泰原子阻挡敞，而停留搅在其中，期成为半导害体内的杂庆质。第9章滴掺杂技档术二、离子坚注入技术1、概述（2）离子注炼入源对于离子也注入而言定，只采用透气态或固粉态源材料苍。由于便炊于使用趋和控制刊，所以删离子注手入偏向此于使用散气态源融。大多杂数的气榨态源通碗常是氟吧化物，帐比如PF5、AsF5、BF3、SbF3与PF3。第9章杜掺斑杂技术二、离子径注入技术1、概述（3）离子注协入原理离子注入刺是离子被于强电场加狮速后注入紫靶中，离贴子受靶原无子阻止，档停留其中茅，经退火想后杂质进鹊入替位、惭电离成为舟具有电活狗性的杂质倒。这一过拜程是一非映平衡的物倒理过程（盾扩散为化隔学过程）榆。第9章胃掺集杂技术二、离子困注入技术1、概述（4）离子忽穿透深奴度①核恒阻止离子与硅编原子核碰抗撞，离子谅能量转移嫌到硅原子庭核上，结糠果将使离夸子改变运添动方向，集而硅原子减核可能离烤开原位，牌成为填隙旷硅原子核赌。②电巨子阻止离子与度硅中的缝束缚电须子或自狡由电子盖碰撞，赖能量转张移到电优子，由良于离子刮质量远相大于电糠子，离拿子方向融不变，泰能量稍严减，而落束缚电将子被激生发或电驾离，自债由电子格发生移渴动。影响离疼子穿透融深度的游因素有宋：第9章裤掺杂技谋术二、离子穷注入技术1、概述（4）离子穿围透深度行程（R）射程（RP）53第9章遵掺风杂技术二、离减子注入烟技术1、概述（5）注入离送子分布猴与剂量百（P23澡5）①分布函数注入离喘子的能夸量是按敢几率分欺布的，洞所以依杂质分盖布也是数按几率玩分布的团。离子注入回后杂质浓拣度的分布翼接近高斯隶分布。（晚教材P23六5）第9章恭掺杂技拥术二、离子猴注入技术1、概述（5）注入离子泼分布与剂较量（P235）②柿注入渠离子剂她量理论上什可以由论离子电酱流大小董来量度幅：其中：I为电流；t为时间；A为注入面积。实际上德高能离临子入射谨到衬底虚时，一赏小部分沸与表面牧晶核原优子弹性嫌散射而迎从衬底橡表面反缓射回来泡并未进述入衬底陵，这叫皱作背散帝射现象图。第9章登掺弯杂技术二、离诊子注入捎技术1、概述（5）注入离子纸分布与剂泛量（P235）③蒙影响注递入的两幅种效应A侧向效应与扩散晚比侧向就杂质浓仍度很小庭，可以育不考虑震。B沟道渗社透效应衬底为币单晶材碰料，如钓果粒子茅束准确貌的沿着筒晶格方词向注入句，注入窝纵向分倚布峰值导与高斯活分布不枣同。一医部分粒粗子束穿烛过较大君距离。奸这就是丢沟道渗惨透效应距。（P236）第9章塔掺杂技滤术二、离芝子注入摄技术1、概述（6）注入损劝伤与退毯火（P23原5-2常36）①晶格胶损伤（崖详细可参怠考P23贿5最下部分迹）高能离味子在硅路（靶）积内与晶障格多次技碰撞，谋能量转笼移到晶执格，晶餐格原子死位移，招位移原星子再碰瞎撞其它斤原子，主使其它凳原子再该位移，健即出现填级联碰滋撞，从运而导致塞晶格损档伤。第9章尤掺杂技钓术二、离纽奉子注入访技术1、概述（6）注入损蹄伤与退航火（P235套-236）②语退火B注入杂质锹电激活注入的悄杂质多显以填隙补式方式昂存在于之硅中，唤无电活功性。退蕉火，在始某一高施温下保凯持一段薯时间，阳使杂质约通过扩尝散进入汪替位位跃置，有应电活性句。A修复晶塘格损伤退火的帐目的：第9章愧掺杂技绘术二、离脱子注入凡技术1、概述（6）注入损灯伤与退诉火（P23律5-2夕36）②退削火退火特堡点：A效果与温我度，时间衬有关，温养度越高、窗时间越长贫退火效果漠越好。B退火使回得杂质陆再分布初。第9章菜掺臣杂技术二、离相子注入传技术2、离子注谨入工艺（1）衬底与呈掩膜①衬底为（111）晶向硅劈燕时，为了处防止沟道阔渗透效应啄，一般采您取偏离晶毫向7°②掩膜因为离瞧子注入堤是在常钞温下进皂行，所弟以光刻醉胶、二影氧化硅形薄膜、栗金属薄侮膜等多苍种材料直都可以眠作为掩怪膜使用妄，要求者掩蔽效谷果达到99.9钟9%。第9章蜡掺再杂技术二、离货子注入轨技术2、离子注韵入工艺（2）注入方法A直接注匠入：离槽子在光罢刻窗口巷直接注疑入Si衬底。何射程大波、杂质演重时采需用。B间接注歼入法：秧通过介饥质薄膜绳或光刻舒胶注入育衬底晶肺体。间件接注入潮沾污少剧，可以诞获得精慌确的表合面浓度按。C多次注入皱：通过多元次注入使已杂质纵向爽分布精确落可控，与裤高斯分布荡接近；也盆可以将不剂同能量、泳剂量的杂煎质多次注夸入到衬底每硅中，使叉杂质分布忠为设计形帖状。第9章爷掺杂技株术二、离浑子注入都技术2、离子注梦入工艺（3）注入工队艺A离子化B质谱分旺析（选免择合适舌粒子）C电场加速D聚焦第9章解掺杂技筒术二、离院子注入撇技术2、离子寨注入工蚊艺（4）退火①高温篇退火②快速椅退火③激光碌退火④电子膏束退火后两种方膀法是较新垮的低温退色火工艺。退火温蚀度要低昂于扩散叮杂质时兵温度以反防止横切向扩散劣。第9章强掺伏杂技术二、离搬子注入错技术3、离子注足入技术的阻应用（1）优点①离子美注入克服驼热扩散的夏几个问题得：A横向扩散阴，没有侧槐向扩散B浅结C粗略的抬掺杂控微制D表面污踢染的阻设碍②离反子注入塘引入的喇额外的结优势：劲（P228）A在接近常涛温下进行B使宽范围秒浓度的掺非杂成为可杯能第9章高掺杂技厚术二、离双子注入婶技术3、离子双注入技饥术的应寒用（2）设备第9章壳掺杂技萄术二、离子愧注入技术3、离子财注入技筝术的应育用（2）设备第9章拼掺杂技汗术二、离控子注入渐技术3、离子姑注入技斗术的应焦用（3）缺点①设脚备昂贵②赖设备在旺高压和都更多有可毒气体弦的使用扰上出现刃新的危唉险③超妹浅结不易也控制第9章莲掺杂股技术三、集体成电路吩的形成1、概述2、器件至与集成旷电路工飘艺的区石别3、电隔离4、电连攻接5、局部拴氧化6、平面羡化7、吸杂第9章尺掺杂技价术三、集成阿电路的形骂成1、概述IC是指在锄一个芯旦片上制唐备多个访微电子药元件（面晶体管谣、电阻享、电容缴等），侦各元件额之间是旁电隔离某的。IC采用金久属薄膜链实现各小元件之裳间的电忍连接，闹由此构悠成电路肥。集成电飞路的制于造工艺塘与分立瓣器件的咬制造工纠艺一样笨都是在驳硅平面史工艺基报础上发总展起来趋的，有稍很多相终同之处务，同时饲又有所愧不同。第9章妈掺杂技须术三、集这成电路船的形成2、器件与集护成电路工咐艺的区别相同点载：单项沙工艺相甜同的方览法外延牲，氧化押，光刻察，扩散贼，离子满注入，坊淀积等弦。不同点：巴主要有电贩隔离，电味连接，局主部氧化，饼平整化以阳及吸杂等译。第9章带掺杂技解术三、集成古电路的形锤成3、电隔离双极型集秆成电路多砖采用PN结隔离，口是在硅片弦衬底上通祸过扩散与幕外延等工欢艺制作出愁隔离岛，吹元件就做倍在隔离岛丸上。（1）PN结隔离优点：让工艺成珍熟，方在法简单沟，成品叔率高缺点：PN结有反邮向漏电膝现象，站反向漏担电受温蛛度、辐尼射等外浊部环境盆影响大辱，故PN结隔离积的IC有受温搂度、辐堤射等的号外部环际境影响男大的缺牌点。第9章棵掺狂杂技术三、集成哄电路的形柱成3、电隔离主要有SiO2，Si3N4隔离。疼薄膜IC，混合IC多采用介象质隔离工躲艺。SOS集成电路苦（Sil从ico叠n崖on敲S赛app墓hir咸e）是最早哲的介质隔距离薄膜电户路，新材傻料SOI（Sil竭ico情no醉nI顷nsu孝lat杰or）有很大键发展，SOI集成电斑路也是垒采用介银质隔离米工艺的到电路。（2）介撑质隔离第9章宁掺杂技颈术三、集直成电路谱的形成4、电连接集成电路垦各元件之盲间构成电窗路必须进抚行电连接烦，这多是计采用淀积俭金属薄膜拼，经光刻受工艺形成谊电连接图放形，电路合复杂的集床成电路一厨般是多层堂金属布线辜，构成电赚连接。第9章衡掺胖杂技术三、集成犯电路