半导体制造工艺教案9掺杂.pdf

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1、课题序号2授课班级075电子1、2授课课时8授课形式讲授授课章节主题9：掺杂名称使用教具多媒体1、掌握常见掺杂方式：扩散、离子注入2、掌握离子注入工艺3、了解离子注入的应用教学目的4、了解掺杂质量控制教学重点离子注入工艺掺杂质量控制教学难点更新、补充、删节内容课外作业教学后记授课主要内容或板书设计9.1概述9.2扩散9.3离子注入9.4离子注入机9.5离子注入工艺9.6离子注入的应用9.7掺杂质量控制课堂教学安排教学主要教学内容及步骤过程导入在前面已经介绍了在半导体中哪怕引入一点点杂质也会大大改变半导体的导电性。本章就要介绍给半导体引入指定杂质的工

2、艺过程，也就是掺杂。掺杂的目的就是改变半导体的导电类型，形成N型层或P型层，以形成PN结和各种半导体器件，从而形成半导体集成电路；或改变材料的电导率。经过掺杂，杂质原子将要代替原材料中的部分原子，材料的导电类型决定于杂质的化合价，如硅中掺入五价的磷（施主杂质）将成为N型半导体，掺入三价的硼（受主杂质）将成为P型半导体。新授9.1.2掺杂的两种方法掺杂的方法有两种：热扩散和离子注入。热扩散法是最早使用也是最简单的掺杂工艺，热扩散是利用高温驱动杂质进入半导体的晶格中，并使杂质在半导体衬底中扩散。这种方法对温度和时间的依赖性很强。于20世纪50年代开始研

3、究，20世纪70年代进入工业应用阶段，随着VLSI超精细加工技术的发展，现已成为各种半导体掺杂和注入隔离的主流技术。离子注入是通过把杂质离子变成高能离子来轰击衬底，从而把杂质注入到半导体衬底中的掺杂方法。9.1.3掺杂工艺流程半导体制造中的污染无时无刻不在，所以掺杂之前要对衬底进行清洗等前处理。大部分的掺杂是在半导体衬底中指定的区域掺杂——选择性掺杂，也就是有些区域需要掺杂，其他区域不掺杂。怎样实现选择性掺杂呢？那就是在掺杂之前在半导体衬底表面生长一层掩蔽膜（这层掩蔽膜具有阻挡杂质向半导体衬底中扩散的能力），然后对掩蔽膜进行光刻和刻蚀，去掉衬底上面

4、待掺杂区域的掩蔽膜，不掺杂区域的掩蔽膜要保留下来，得到选择扩散窗口。然后放入高温扩散炉中进行掺杂，则在窗口区就可以向半导体衬底中扩散杂质，其他区域被掩蔽膜屏蔽，没有杂质进入，实现对半导体衬底中的选择性扩散。掺杂完成后要进行检测。图是在N型衬底中掺入受主杂质形成P型掺杂区的流程图。掺杂工艺流程9.2.1扩散原理扩散是物质的一个基本性质，原子、分子和离子都会从高浓度向低浓度处进行扩散运动。一种物质向另一种物质发生扩散运动需满足两个基本条件：第一有浓度差；第二提供足够的能量使物质进行扩散。在半导体制造中，利用高温热能使杂质扩散到半导体衬底中。1.扩散机制

5、杂质在硅晶体中的扩散机构2.扩散系数3.杂质浓度分布扩散示意图杂质浓度分布4.结深5.掩蔽膜6.固溶度9.2.2扩散工艺步骤9.2前面已经介绍了扩散工艺流程，在这个流程中，前3步为扩散掺杂的晶圆准备，同时在扩散掺杂前要进行设备准备，即包括设备检测、设备清洁、工艺菜单、升温并达到指定的温度分布等。1.上料模式两种上料模式9.22.扩散步骤1)预淀积扩散：预淀积是恒定表面源扩散，即扩散炉中的杂质气体浓度保持恒定不变，这样暴露在杂质气体中的半导体晶圆表面杂质浓度NS也保持恒定不变。2)再分布扩散：再分步又叫推进，是限定源浓度扩散。3.评估4.横向扩散扩散

6、的理想情况与横向扩散9.29.2.3扩散设备、工艺参数及其控制半导体设备发展很快，扩散设备已经智能化。图98是一款扩散设备外观（通常叫扩散炉）。扩散设备外观1.扩散设备扩散设备——单管控制结构图(1)技术指标1)适用硅片：Φ100mm、Φ150mm、Φ200mm、Φ300mm。2)炉管数量：1~4管(由客户定)。3)净化工作台：台面采用进口不锈钢面板。4)气路流量计：标配为浮子流量计，可选件为质量流量计：5)气密性指标：阀门压力调节到29psi(1psi=6.895kPa)，24h后压力减小到不大于1.4psi(1psi=6.895kPa)。6)气

7、路管件：采用内抛光不锈钢气路管线及优质阀门,SWAGELOK接口。7)工作温度范围：600~1300℃。8)温度传感器：S型热电偶。9)长期工作温度：1200~1286℃。10)恒温区长度及精度：800~1300℃，800mm/±0.5℃；400~800℃，800mm/±1℃。11)单点温度稳定性：800~1300℃，800mm/±0.5℃/48h；400~800℃，800mm/±1℃/48h。12)升温速度范围：400~1300℃，0.5~15℃/min，可控可设定编程；最大升温速率为15℃/min。13)降温速度范围：1300~800℃，0.5

8、~5℃/min，可控可设定编程；最大降温速率为5℃/min。(2)扩散设备的组成及功能扩散设备主要由控制系统、扩散炉、散热