半导体制作工艺----掺杂.ppt

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1、芯片制造工艺掺杂扩散和离子注入主要内容5.1概述5.2扩散5.3离子注入掺杂5.4掺杂质量评价5.5实训扩散工艺规程为了在硅片内部指定区域得到选择性掺杂，核心步骤为：（1）在硅片表面生长一层二氧化硅层。该二氧化硅层除了保护硅片表面和绝缘外，其关键是作为掺杂杂质的阻挡层。二氧化硅层将阻挡掺杂原子进入硅表面。（2）在硅片表面的二氧化硅层上确定“窗口”（window）。该窗口的大小和形状对应于需要的掺杂区域。（3）用腐蚀剂去掉窗口内的二氧化硅，但不除去硅，使窗口的硅表面暴露在外。（4）把整个硅片置于掺杂源下，通过扩散或离子注入使掺杂原子进入二氧化硅未覆盖的区域中，从而改变硅的杂质性质。5.1概述掺

2、杂是指将需要的杂质原子掺入到特定的半导体区域中，用于对衬底基片进行局部掺杂。以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触的目的。扩散和离子注入ⅢA族受主掺质(P型)ⅣA族半导体ⅤA族施体掺质(N型)元素原子量元素原子量元素原子量硼5碳6氮7铝13硅14磷15镓31锗32砷33铟49锡50锑515.2扩散扩散是微电子工艺中最基本的工艺之一，是在约1000℃的高温、p型或n型杂质气氛中，使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，也称为热扩散。在集成电路发展初期是半导体器件生产的主要技术之一。但随着离子注入的出现，扩散工艺在制备浅结、低浓度掺杂

3、和控制精度等方面的巨大劣势日益突出，在制造技术中的使用已大大降低。扩散机理掺杂剂在半导体中的扩散可以看成是：杂质原子在晶格中以空位或间隙原子形式进行的原子运动。杂质原子的扩散方式有以下几种：①交换式：两相邻原子由于有足够高的能量，互相交换位置。②空位式：由于有晶格空位，相邻原子能移动过来。③填隙式：在空隙中的原子挤开晶格原子后占据其位，被挤出的原子再去挤出其他原子。④在空隙中的原子在晶体的原子间隙中快速移动一段距离后，最终或占据空位，或挤出晶格上原子占据其位。以上几种形式主要分成两大类：①替位式扩散。②间隙式扩散。P在硅中的扩散曲线B在硅中的扩散曲线多晶硅中的杂质扩散在多晶硅薄膜中进行杂质扩

4、散的扩散方式与单晶硅中的方式是不同的，因为多晶硅中有晶粒间界存在，所以杂质原子主要沿着晶粒间界进行扩散。主要有三种扩散模式：①晶粒尺寸较小或晶粒内的扩散较快，以至从两边晶粒间界向晶粒内的扩散相互重叠，形成如图A类分布。②晶粒粒较大或晶粒内的扩散较慢，所以离晶粒间界较远处杂质原子很少，形成如图B类分布。③与晶粒间界扩散相比，晶粒内的扩散可以忽略不计，因此形成如图C类分布。所以多晶扩散要比单晶扩散快得多，其扩散速度一般要大两个数量级。5.2.1间隙扩散原子半径比硅小的杂质原子在硅片中不占据格点位置，只是从一个位置移动到另一个位置间隙式扩散间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质。以间隙形式存在于硅中的杂

5、质，主要是那些半径较小、不容易和硅原子键合的原子。间隙式扩散：间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置的运动称为间隙式扩散。间隙式杂质在硅晶体中的扩散运动主要是间隙式扩散。对间隙杂质来说，间隙位置是势能极小位置，相邻的两个间隙之间是势能极大位置。间隙杂质要从一个间隙位置运动到相邻的间隙位置上，必须要越过一个势垒，势垒高度Wi一般为0.6~1.2eV。间隙杂质一般情况下只能在势能极小位置附近做热振动，振动频率约为1013~1014/s,室温下平均振动能只有0.026eV，也就是在1200度的高温下也只有0.13eV。间隙杂质只能依靠热涨落才能获得大于Wi的能量，越过势垒跳到近邻的间隙位置。温度

6、越高，间隙杂质的跳跃率越高，间隙式扩散越容易。间隙杂质的热振动频率为0，根据玻尔兹曼统计分布，热涨落获得能量大于Wi的几率正比于exp(-Wi/kT)，则得到间隙杂质的跳跃率（每秒的跳跃次数）为室温下，约每分钟一次。5.2.2替位（空位）扩散高温下，晶格处原子在平衡格点作热振动，它有一定几率获得足够的能量，离开格点，形成空位，即空格点。临近的杂质原子移动到空位上，而逃逸出来的原子进入间隙或跑到晶片表面对替位杂质来说，在晶格位置上势能相对最低，而间隙处是势能最高位置。与间隙杂质相同，替位杂质要从一个格点位置运动到近邻格点上，必须要越过一个势垒。势垒高度为Ws。替位杂质的运动比间隙杂质更为困难

7、，首先要在近邻出现空位，同时还要依靠热涨落获得大于势垒高度Ws的能量才能实现替位运动。平衡时单位体积的空位数为：N是单位体积内所含的晶格数，Wv代表形成一个空位所需要的能量。则每个格点上出现空位的几率为：根据玻尔兹曼统计规律，替位杂质依靠热涨落跳过势垒Ws的几率为：替位杂质的跳跃率为出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，即：对硅中的替位杂质来说，Wv+Ws约为3~4eV(a)间隙式扩散（interstitial