集成电路芯片制造实用技术 教学课件 作者 卢静 第5章 掺杂技术.ppt

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1、集成电路芯片制造实用技术第5章掺杂工艺第5章掺杂工艺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5.1概述掺杂是指将需要的杂质掺入到特定的半导体区域中，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5.1概述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扩散扩散技术目的在于控制半导体中特定区域内杂质的类型、浓度、深度和PN结。在集成电路发展初期是半导体器件生产的主要技术之一。

2、但随着离子注入的出现，扩散工艺在制备浅结、低浓度掺杂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。间隙式扩散替位式扩散推填式扩散5.2.1间隙式扩散5.2.2替位式扩散5.2.3推填式扩散5.2.4扩散的工艺1．扩散设备2．扩散的工艺流程（1）程序鉴定测试以确保设备符合产品质量标准。（2）利用批次控制系统验证晶圆特性。（3）下载所需扩散参数的制程处方。（4）设定炉管，包括温度分布。（5）清洁晶圆并将晶圆浸入氢氟酸以移除原生氧化物。（6）执行预沉积：装载晶圆于沉积炉管中并进行掺质扩散。（7）推进：升高炉温，推进并激活杂质，然后卸

3、载出晶圆。（8）测量、评估及记录结深与电阻。3．扩散常用的杂质杂质杂质分子式化学名称砷(As)AsH3砷化氢(气体)磷(P)PH3磷化氢(气体)磷(P)POCl3氯氧化磷(液体)硼(B)B2H6硼乙烷(气体)硼(B)BF3三氟化硼(气体)硼(B)BBr3三溴化硼(液体)锑(Sb)SbCl5五氯化锑(固体)5.3离子注入掺杂离子注入技术是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。早在1952年，美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善半导体的特性。1954年前后，Shockley提出采用离子注入技术能够制造半导体器件，并

4、且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。1955年，英国的W.D.Cussins发现硼离子轰击锗晶片时，可在N型材料上形成P型层。到了1960年，对离子射程的计算和测量、辐射损伤效应以及沟道效应等方面的重要研究已基本完成。在这以后，离子注入技术已开始在半导体器件生产中得到广泛应用。1968年报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分布的变容二极管及铝栅自对准MOS晶体管。1972年以后对离子注入现象有两人更深入的了解，目前离子注入技术已经成为甚大规模集成电路制造中最主要的掺杂工艺。5.3.1离子注入的基本原理离子注入和退火再分布基本原理

5、是用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。5.3.1离子注入的基本原理5.3.2离子注入设备（1）离子源，用于产生和引出某种元素的离子束，这是离子注入机的源头。（2）加速器，对离子源引出的离子束进行加速，使其达到所需的能量。（3）离子束的质量分析（离子种类的选择）。（4）离子束的约束与控制。（5）靶室。（6）真空系统。5.3.2离子注入设备2．离子源离子

6、源是产生注入用正离子的部件，其原理是把含有要注入杂质的单质元素或化合物引入离子源中。放电管内的自由电子在电磁场作用下获得足够高的动能，这些高能电子把中性掺杂原子的外层电子打出来后，掺杂原子变成正离子，再将这些掺杂离子经过引出电极引出，由初聚焦系统聚成离子束后，射向磁分析器。3．加速器4．磁分析器5．静电扫描/偏转系统6．靶室6．靶室7．真空系统5.3.3安全注意事项（1）毒性物质检测与防护：气态离子源所使用的气体皆是毒气，且固态离子源使用的物质也对身体有害。另外真空系统中及离子束线管壁上，皆会有毒性物质附着。（2）高电压放电防护：高电压区通常至少

7、有二万伏特以上的高电压；（3）辐射线的防止与防护：5.3.4离子注入的杂质分布5.3.5离子注入后造成的损伤与退火5.3.6离子注入的应用与特点应用（1）改变主要导电载流子的种类，以形成P-N结:如形成阱区（Well）及源/漏极（Source/Drain）。（2）改变主要导电载流子数量，以调整器件工作条件；如调整晶体管阈值电压（ThresholdVoltage），防止结穿通（Punchthrough），或是调整多晶硅的导电率。（3）改变衬底结构：如形成非晶硅以增进掺杂离子的活化率，或减少离子隧穿效应（InoChanneling），或改善金属硅化物

8、的反应与热稳定性。（4）合成化合物：如高剂量的氧注入，以形成埋层的二氧化硅。2．离子注入掺杂技术的特点（1）它是一种纯净的无公害的表面处