微电子工艺基础掺杂技术课件.ppt

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1、第9章掺杂技术1第9章掺杂技术本章目标：1、熟悉掺杂技术的两种方式2、熟悉扩散掺杂的原理3、掌握离子注入相关概念及其原理4、熟悉离子注入的工艺流程5、了解离子注入系统的设备及其优点第9章掺杂技术一、扩散二、离子注入技术三、集成电路的形成第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理2、杂质在硅中的扩散3、扩散设备与工艺4、工艺质量检测第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在约1000℃的高温、p型或n型杂质气氛中，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，也叫热扩散。杂质掺杂所谓杂质掺杂是

2、将可控数量的杂质掺入半导体内。杂质掺杂的实际应用主要是改变半导体的电特性。扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。高温扩散：一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由高温的扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，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。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。扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，因为二者互补不足，相得益彰。67基本扩散工艺杂质扩散通常是在经仔细控

3、制的石英高温炉管中放入半导体硅晶片并通入含有所需掺杂剂的气体混合物。硅的温度在800-1200℃；砷化镓的温度在600-1000℃。扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气体混合物中的杂质分压有关。对硅而言，B、P和As分别是常用的p型和n型掺杂剂，它们在硅中都有极高的固溶度，可高于5×1020cm-3。引入方式有：固态源（BN、As2O3、P2O5）；液态源（BBr3、AsCl3、POCl3）；气体源（B2H6、AsH3、PH3），其中液态源最常用。使用液态源的磷扩散的化学反应如下：P2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。8对砷化镓的扩

4、散工艺而言，因砷的蒸汽压高，所以需要特别的方式来防止砷的分解或蒸发所造成的损失。包括含过压的封闭炉管中扩散及在含有掺杂氧化物覆盖层（氮化硅）的开发炉管中扩散。p型扩散选用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或ZnAs2（封闭炉管法）或ZnO-SiO2（开放炉管法）。n型掺杂剂有硒和碲。电炉电炉O2N2液态杂质源石英管排气口硅晶片9第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式①固相扩散扩散是一种自然现象，由物质自身的热运动引起。微电子工艺中的扩散是杂质在晶体内的扩散，因此是一种固相扩散。第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式晶体内

5、扩散是通过一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，有多种方式，最主要有：A填隙式扩散B替位式扩散C填隙-替位式扩散第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式A填隙式扩散第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式B替位式扩散第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式C填隙-替位式扩散许多杂质既可以是替位式也可以是填隙式溶于晶体的晶格中，并以填隙-替位式扩散。这类扩散杂质的跳跃速率随晶格缺陷浓度，空位浓度和杂质浓度的增加而迅速增加。第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程①第一扩散定

6、律晶体衬底中杂质扩散流密度与杂质浓度梯度成正比，这是第一扩散定律，也称Fick第一定律。第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程①第一扩散定律第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程②第二扩散定律讨论晶体中杂质浓度与扩散时间关系，又称Fick第二定律。第9章掺杂技术一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程③影响扩散速率的因素A晶体内杂质浓度梯度；B环境温度；C杂质本身结构、性质；D晶体衬底的结构。第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（1）掺杂的目的（P218）A在晶圆表面下的特定位置处形成PN结（结合P218的图11.3-图11.5）；

7、B在晶圆表面下得到所需的掺杂浓度；（结合P219同型掺杂）第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型①替位式杂质主要是III和V族元素，具有电活性，在硅中有较高的固溶度。多以替位方式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型②填隙式杂质主要是I和Ⅷ族元素，Na、K、Li、H、Ar等，它们通常无电活性，在硅中以填隙式方式进行扩散，扩散速率快。第9章掺杂技术一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型③填隙-替位式杂质大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以填隙

8、-替位式方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电