半导体制造工艺

扩散半导体制造工艺基础本章重点掺杂的目的；掺杂的方法；恒定源扩散；有限源扩散；掺杂：掺杂技术是在高温条件下，将杂质原子以一定的可控量掺入到半导体中，以改变半导体硅片的导电类型或表面杂质浓度。形成PN结、电阻磷(P)、砷(As)——N型硅硼(B)——P型硅什么是掺杂扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。高温扩散：杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散到硅片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高温与扩散时间来决定。形成深结扩散工艺的优越性：（1）可以通过对温度、时间等工艺条件的准确调节，来控制PN结面的深度和晶体管的基区宽度，并能获得均匀平坦的结面。（2）可以通过对扩散工艺条件的调节与选择，来控制扩散层表面的杂质浓度及其杂质分布，以满足不同器件的要求。（3）与氧化、光刻等技术相组合形成的硅平面工艺有利于改善晶体管和集成电路的性能。（4）重复性好，均匀性好，适合与大批量生产。离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注入能量决定。形成浅结掺杂区掺杂区的类型：相同或相反结深：硅片中p型杂质与n型杂质相遇的深度，用Xj表示，深度等于结深的地方，电子与空穴的浓度相等。6.1基本扩散工艺掺入方式有：气相源；固相源；液相源，其中液态源最常用。使用液相源的磷扩散的化学反应如下：322524326POClOPOClP2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。2522545POSiPSiO影响扩散参量的因素：POCl3的温度、扩散温度、时间、气体流量。电炉电炉O2N2液态杂质源石英管排气口硅晶片典型的开管扩散系统结构图6.1.1扩散方程式半导体中的扩散可以视为在晶格中通过空位或填隙原子形式进行的原子移动。(1)替代式扩散替位原子的运动必须以其近邻处有空位存在为前提。移动速度较慢的杂质，如半导体掺杂常用的砷、磷，通常利用替代运动填充晶格中的空位。(2)填隙式扩散扩散流密度F--单位时间内通过单位面积的杂质原子数；C--单位体积的杂质浓度；D--扩散系数或扩散率；扩散驱动力是浓度梯度，杂质原子从高浓度区流向低浓度区。CFDx具有高扩散率的杂质，如金、铜、容易利用间隙运动在硅的晶格空隙中移动。在一定的温度范围内，D可表示为D0--温度无穷大时的扩散系数；Ea--激活能;对填隙模型，Ea是掺杂原子从一个间隙移动到至另一个间隙所需的能量；对替代模型，Ea是杂质原子移动所需能量和形成空位所需的能量总和。替代的Ea较扩散大)exp(0kTEDDa6.1.2扩散分布掺杂原子的扩散分布与起始条件和边界条件有关。两种方式：恒定表面浓度扩散：杂质原子由气相源传送到半导体表面，然后扩散进入半导体硅晶片，在扩散期间，气相源维持恒定的表面浓度；有限源扩散：指一定量的杂质淀积在半导体表面，接着扩散进入硅晶片内。这层杂质作为扩散源，不再有新源补充。恒定表面浓度扩散不能全写公式t为时间t=0掺杂浓度为0t＝0时初始条件是(,0)0Cx边界条件是X=0浓度恒定，与时间无关(0,)sCtC(,)0Ct起始条件：Cs是x＝0处的表面浓度，与时间无关。边界条件：X＝∞，距离表面很远处无杂质原子。符合起始与边界条件的扩散方程式的解是：erfc--余误差函数--扩散长度]2[),(DtxerfcCtxCsDt图为余误差函数分布扩散的时间越长杂质扩散的越深有限源扩散t＝0时的初始条件C（x，0）＝0，边界条件是：说明表面浓度恒定，不再有新元补充0(,)CxtdxS(,)0CtS为单位面积掺杂总量。符合上述扩散方程的解为：此为高斯分布在x＝0处表面浓度为：()sSCtDt)4exp(),(2DtxDtstxC扩散原理在集成电路工艺中，通常热扩散采用三个步骤：预淀积、推进和激活（顺序不能乱）1、预淀积：在恒定表面浓度扩散条件下形成预淀积层，温度低、时间短，扩散的浅，可以认为杂质淀积在一薄层（掩蔽氧化层）内；以防止杂质原子从硅中扩散出去。预淀积阶段表面杂质浓度最高，并随着深度的加大而减小。目的是为了控制杂质总量；预淀积现在普遍被离子注入代替。2.推进：高温过程，使淀积的杂质穿过晶体，在硅片中形成期望的结深。此阶段并不向硅片中增加杂质，但是高温下形成的氧化层会影响推进过程中杂质的扩散，这种由硅表面氧化引起的杂质浓度改变成为再分布。3.激活：使温度稍微升高，此过程激活了杂质原子。目的是为了控制表面浓度和扩散深度。杂质移动杂质只有在成为硅晶格结构的一部分（即被激活）后，才可以作为施主和受主。如果杂质占据间隙位置，它就没有被激活，不会起到杂质的作用。加热能使杂质移动到正常的晶格上，被称为晶格激活。激活发生在高温下，是扩散的一部分。对于离子注入来说，晶格激活在退火阶段完成。横向扩散光刻胶无法承受高温，扩散的掩膜是二氧化硅或氮化硅。热扩散中的横向扩散通常是纵向结深的75%--85%。6.1.3扩散层测量扩散工艺的结构可由三种测量方式来评价：扩散层的结深、薄层电阻与杂质分布。下图是在半导体内磨以凹槽并用溶液腐蚀去除表面，溶液会使P区颜色暗，因而描绘出结深。用磨槽和染色法测量结深若R0是磨槽所用工具的半径，则可得结深：222200jxRbRa如果R0远大于a和b，则2202jabxR结深xj是杂质浓度等于衬底浓度CB时所在的位置。()jBCxC如果结深和CB已知，则只要扩散分布遵从“两种分布”所推导的公式，表面浓度Cs和杂质分布就能计算出来。方块电阻（薄膜电阻）在扩散薄层上取一任意边长的正方形，该正方形沿电流方向所呈现的电阻，叫方块电阻。方块电阻的检测利用图中所示电路，将电流表所示电流控制在3毫安以内，读出电压表所示电压，利用下式计算：IVCRS式中常数C是由被测样品的长度L、宽度a、厚度d，以及探针间距S来确定，常数C可由表查出。扩散工艺扩散常见的质量问题(1)合金点和破坏点：在扩散后有时可观察到扩散窗口的硅片表面上有一层白雾状的东西或有些小的突起。用显微镜观察时前者是一些黑色的小圆点，小圆点称为合金点;后者是一些黄亮点、透明的突起，透明突起称为破坏点。杂质在这些缺陷处的扩散速度特别快，造成结平面不平坦，PN结击穿。(2)表面玻璃层。硼和磷扩散之后，往往在硅片表面形成一层硼硅玻璃或磷硅玻璃，此玻璃层与光刻胶的粘附性极差，光刻腐蚀时容易脱胶或产生钻蚀，而且该玻璃层不易腐蚀。(3)白雾。这种现象在固一固扩散及液态源磷扩散经常发生。主要原因是淀积二氧化硅层（含杂质源）时就产生了或在磷扩散时磷杂质浓度过高以及石英管中偏磷酸产生大量的烟雾喷射在硅片表面，在快速冷却过程中产生。光刻时容易造成脱胶或钻蚀。(4)方块电阻偏大或偏小。方块电阻的变化反映了扩散到硅中的杂质总量的多少。作业说明恒定表面源扩散和有限源扩散的异同。