西安交通大学 微电子制造技术 第十七章 掺杂ppt课件.ppt

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1、微电子制造技术第17章掺杂概述本征硅的导电性能很差，是不能直接用于芯片制造的，只有在硅中加入一定的杂质，使电导率发生明显变化时，硅才可以用于半导体制造。在硅中加入杂质的过程称为掺杂。掺杂是制造半导体器件的基础，掺杂的方式有热扩散和离子注入。常用的杂质是Ⅲ族和Ⅴ族元素中的硼（B）和磷（P）。芯片特征尺寸的不断减小和集成度的不断增加，迫使各种器件尺寸不断缩小。特别是MOS器件沟道长度的减小要求源漏结的掺杂区更浅，现在最小的结深是30nm。本章重点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.了解离子注入相对于热扩散的优缺点；4.讨论剂量和射

2、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。表17.1半导体制造常用杂质掺杂在芯片制造中的应用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具有掺杂区的CMOS结构表17.2CMOS制作中的一般掺杂工艺掺杂区硅片的掺杂是在单晶硅生长过程中完成的，可以形成p型或者n型硅。在芯片制造过程中有选择地引入杂质

3、是为了实现各种器件结构。杂质是通过硅片上的掩膜窗口有选择性地进入硅的晶体结构中，形成掺杂区(见图17.3)。描述掺杂区的特性参数有掺杂量(包括杂质的分布形式)和结深。掺杂区杂质的类型可以与硅片的类型相反，也可以与硅片的类型相同。掺杂区的类型由p型转变为n型或者相反的情况，就形成了pn结。硅片在整个制造过程中要经历多次高温工艺，而每次的高温工艺都会造成杂质在硅中的扩散，从而改变掺杂区的原始参数并影响器件性能。氧化硅氧化硅p+硅衬底掺杂气体N扩散区Figure17.3硅片中的掺杂区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扩散的概念

4、扩散是一种自然的物理过程，扩散的发生需要两个必要的条件：浓度差及过程所必须的能量。掺杂区和扩散结的形成含有杂质的气流扩散炉管+表示P型杂质原子-表示N型杂质原子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)替位扩散SiSiSiSiSiSiSiSi空位杂质d)间隙扩散SiSiSiSiSiSiSiSiSi在间隙位置的杂质Figure17.4硅中的杂质扩散固态扩散的目的在晶园表面薄层产生一定数量的掺杂原子在晶园表面下的特定位置处形成np(或pn)结在晶园表面薄层形成特定的掺杂原子分布结的

5、图形显示理想的横向扩散Figure17.5Table17.31100°C下硅中的固溶度极限Table17.3固溶度：某种杂质在特定温度下能溶入到固体中的最大杂质数量。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。表17.4扩散常用杂质源SEMATECH“DiffusionP

6、rocesses,”FurnaceProcessesandRelatedTopics,(Austin,TX:SEMATECH,1994),P.7.典型的杂质(或载流子)在硅片内的深度分布扩散层中杂质原子的浓度分布实际上由于扩散层的结深相对于平面尺寸来讲要小的多，所形成的pn结基本上可看作平行于表面的。这样，菲克第二定律就可写成：其物理意义为：存在浓度梯度的情况下，随着时间的变化某处浓度的变化（增加或减少）是扩散粒子在该点的积累或流失的结果。求解上述扩散方程，就可以得到浓度随时间和位置的函数关系。不过随着边界条件和初始条件的不同，其解的形式就有所不同。预淀积（恒定表面

7、源扩散）恒定表面源扩散是指扩散过程中硅片始终处于含源的气氛中，即硅片表面浓度始终保持不变，只是随时间的变化扩散层中的杂质数在增多，预淀积后的杂质分布可由以下初始和边界条件解得影响扩散层参数（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预淀积后的杂质分布再分布（有限源扩散）有限源扩散是指在扩散过程中，杂质源限定于扩散前淀积在硅片表面薄层内的杂质总数不变，依靠这些有限的杂质向硅中扩散，随着时间得增加，结深增加，表面浓度下降。通常情况下，再分布和氧化同时进行。在此过程中杂质的推进使结深、表面浓度、扩散层薄层电阻达到设计要求的同时，在扩散层表面同时形