11 掺杂

电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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。电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda半导体制造常用杂质受主杂质IIIA(P-Type)半导体IVA施主杂质VA(N-Type)元素原子序数元素原子序数元素原子序数Boron(B)5Carbon(C)6Nitrogen(N)7Aluminum(Al)13Silicon(Si)14Phosphorus(P)15Gallium(Ga)31Germanium32Arsenic(As)33Indium(In)49Tin(Sn)50Antimony(Sb)51表17.1电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerdaCMOS制作中的一般掺杂工艺工艺步骤杂质掺杂方式A.p+硅衬底BDiffusionB.p-外延层BDiffusionC.倒掺杂n阱PIonImplantD.倒掺杂p阱BIonImplantE.p-沟道器件穿通PIonImplantF.p-沟道阈值电压（VT）调整PIonImplantG.n-沟道器件穿通BIonImplantH.n-沟道阈值电压（VT）调整BIonImplantI.n沟道器件轻掺杂漏区(LDD)AsIonImplantJ.n-沟道器件源漏区(S/D)AsIonImplantK.p-沟道器件（LDD）BF2IonImplantL.p-沟道器件源漏区（S/D）BF2IonImplantM.硅SiIonImplantN.多晶硅PorBIonImplantorDiffusionO.SiO2掺杂PorBIonImplantorDiffusionTable17.2电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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–杂质源电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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杂质气流扩散炉管+=P杂质原子型-=N杂质原子型电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda扩散后的晶园剖面图电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda浓度随深度变化的曲线晶圆纵深方向杂质浓度浓度（原子数量）深度（层数）浓度（原子数量）深度（层数）结位置14121086421412108642(a)(b)(c)01234560123456O电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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。电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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1010101010101010表面浓度结深杂质浓度晶圆体内掺杂水平深度（层）12345Qttt电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda硅中杂质的固溶度1010101010101010500700130011009001500C原子固溶度（m）cAsPBSnSbAlGaOAuCuZnSAg电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda1100°C下硅中的固溶度极限杂质固溶度极限(atoms/cm3)Arsenic(As)1.7x1021Phosphorus(P)1.1x1021Boron(B)2.2x1020Antimony(Sb)5.0x1019Aluminum(Al)1.8x1019Table17.3电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda推进氧化水汽氧化物杂质淀积后的误差函数分布推进氧化后的高斯分布晶圆杂质浓度杂质浓度晶圆纵深方向O(b)(a)电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda扩散常用杂质源杂质杂质源化学名称Arsenic(As)AsH3砷烷(gas)Phosphorus(P)PH3磷烷(gas)Phosphorus(P)POCl3三氯氧磷(liquid)Boron(B)B2H6乙硼烷(gas)Boron(B)BF3三氟化硼(gas)Boron(B)BBr3三溴化硼(liquid)Antimony(Sb)SbCl5五氯化锑(solid)SEMATECH“DiffusionProcesses,”FurnaceProcessesandRelatedTopics,(Austin,TX:SEMATECH,1994),P.7.Table17.4电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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–射程电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda控制杂质浓度和深度a)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b)高掺杂浓度(n+,p+)和深结深(xj)Beamscan高能大剂量慢速扫描MaskMaskSiliconsubstratexjIonimplanterFigure17.5电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda离子注入机PhotographcourtesyofVarianSemiconductor,VIISion80Source/TerminalsidePhoto17.1电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda注入机分类注入机分类描述和应用中低电流高纯粒子束，电流大于10ma。束流能量一般180keV。多数情况下硅片固定，扫描粒子束。穿通注入专用。大电流产生的粒子束电流10mA大剂量注入最大能到25mA。粒子束能量通常120keV。大多数情况下粒子束固定，硅片扫描。超浅源漏区注入的超低能束流(4keVdownto200eV)。高能束流能量超过200keV最高达到几个MeV。向沟道或厚氧化层下面注入杂质。能形成倒掺杂阱和埋层。痒注入机大电流系统用于半导体上硅(SOI)的氧注入。Table17.6电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerdaIonImplanters•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•颗粒电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerdaBernas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电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda离子源和吸极交互作用装配图++++++++++++++------------NSNS120V起弧吸出组件离子源60kV吸引2.5