加工工艺2.ppt

1、半导体器件原理与工艺,概述 半导体衬底 热氧化 扩散 离子注入 光刻 刻蚀,薄膜淀积 CMOS,掺杂,掺杂,掺杂在半导体生产中的作用： 1.形成PN结 2.形成电阻 3.形成欧姆接触 4.形成双极形的基区、发射区、集电区，MOS管的源、漏区和对多晶硅掺杂 5.形成电桥作互连线,扩散,扩散的定义： 在高温下，杂质在浓度梯度的驱使下渗透进半导体材料，并形成一定的杂质分布，从而改变导电类型或杂质浓度。,杂质扩散,预扩散 剂量控制 推进 结深控制,杂质扩散源,掺杂机制,O, Au, Fe, Cu, Ni, Sn, Mg P, B, As, Al, Ga, Sb, Ge,填隙扩散机制,硅原子挤走杂质，杂

2、质再填隙,两种扩散机制并存,P, B 同时靠这两种机制扩散,挤出 机制,Frank-Turnbull机制,替位式杂质又称慢扩散杂质，间隙式杂质又称快扩散杂质，工艺中作为掺杂一般选择慢扩散杂质，工艺容易控制,慢扩散杂质的扩散系数,快扩散杂质的扩散系数,扩散杂质,一维扩散模型,扩散模型,采用连续性方程,J1 J2,dx,扩散模型,如果D与x无关,Fick第二定律,D的温度依赖性,D=Doexp(-EA/kT), 式中EA是激活能,预沉积分布,余误差函数,预沉积,预沉积剂量 浓度梯度,预沉积与推进后浓度与深度关系,结深计算,当杂质浓度等于衬底浓度时,对应的深度为 xj,也叫发射区推进效应,现象：发射

3、区下的基区推进深度较发射区外的基区推进深度大 产生原因：在扩散层中又掺入第二种高浓度的杂质，由于两种杂质原子与硅原子的晶格不匹配，造成晶格畸变从而使结面部份陷落 改进措施：采用原子半径与硅原子半径相接近的杂质,基区陷落效应,扩散分布的测试分析,浓度的测量 四探针测量方块电阻 范德堡法 结深的测量 磨球法染色 扩展电阻 CV SIMS RBS AES,L,W,t,扩散系统,固态源 液态源,半导体加工工艺原理,概述 半导体衬底 热氧化 扩散 离子注入 光刻 刻蚀,化学气相淀积 物理淀积 外延 工艺集成 CMOS 双极工艺 BiCMOS MEMS加工,定义,先使待掺杂的原子或分子电离，再加速到一定的

4、能量，使之注入到晶体中，然后经过退火使杂质激活,离子注入的优点,精确控制剂量和深度 从1010到1017个/cm2,误差 +/- 2%之间 低温:小于125 掩膜材料多样 photoresist, oxide, poly-Si, metal 表面要求低 横向均匀性好( 1% for 8” wafer),离子注入,离子注入机种类：,离子注入机的组成,离子注入机结构图,外形,卧式,立式,能量,低能量60Kev,中能量60kev-200kev,高能量200kev以上,离子注入系统,系统包含 离子源(BF3, AsH3, PH3) 加速管 终端台,质量分析器,由经典力学,选择所需要的杂质离子，筛选掉其

5、他的杂质离子,加速器,利用强电场使离子加速获得足够的能量能够穿跃整个系统并注入靶中,加速管,注入深度取决于加速管的电场能量,离子束,+100kv,注入剂量,靶室：接受注入离子并计算出注入剂量,：注入剂量 I: 束流强度 A：硅片面积 t: 注入时间,+,带硅片的扫描盘,在盘上的取样狭缝,离子束,抑制栅孔径,法拉弟杯,电流积分仪,法拉弟杯电流测量,剂量的控制,Faraday cup DI=It/A,库仑散射与离子能量损失机理,垂直射程,高斯深度分布,垂直投影射程,投影射程：,Monte Carlo Simulation of 50keV Boron implanted into Si,离子注入损

6、伤与退火,退火的作用：,1.消除晶格损伤,2.激活杂质,退火的方法：,1.高温热退火：用高温炉把硅片加热至800-1000 并保持30分钟 特点：方法简单，设备兼容，但高温长时间易导致杂质的再扩散。,Implantation Damage,入射离子与晶格碰撞产生原子移位,形成损伤。 热处理可以消除损伤和激活杂质 损伤阈值,Implantation Damage,晶体中的缺陷 一次缺陷primary defects 二次缺陷Secondary defects 点缺陷重新组合并扩展形成的，如位错环,Implantation Damage,等时退火 激活载流子 减小二次缺陷 SPE,Rapid Thermal Processing,减小了杂质再分布 工艺简单 硅化物的形成 热塑应力,离子注入的应用举例,SIMOX (Separation by IMplantation of OXygen) 400