第5章--掺杂技术教材课件

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A族受主掺质(P型)A族半导体A族施体掺质(N型)元素元素原子量原子量元素元素原子量原子量元素元素原子量原子量硼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。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。间隙式扩散间隙式扩散 替位式扩散替位式扩散 推填式扩散推填式扩散 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（Threshold Voltage），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（Ino Channeling），或改善金属硅化物的反应与热稳定性。（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理技术。（2）无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度。（3）离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题。（4）离子注入后无需再进行机械加工和热处理。2离子注入掺杂技术的特点优点：（1）被注入的杂质离子是经过质量分析器挑选出来的，被选中的离子纯度高、能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。（2）离子注入技术对于注入离子的能量和剂量可以分别独立的控制，因而可以精确地控制掺杂的浓度和擦汗杂深度。（3）离子注入可以在较低温度（400）下进行，所以能够避免热扩散所引入的晶体缺陷。这是利用扩散工艺无法实现的。（4）可以产生特殊的杂质分布轮廓。（5）有可能注入不溶于半导体的离子。2离子注入掺杂技术的特点缺点：（1）高能离子注入所产生的晶格损伤必须经过热退火处理或激光退火处理。（2）高浓度的离子掺杂受到限制。（3）在不存在严重的晶格损伤的条件下，离子注入的深度有限。（4）离子穿透是各向异性的（即在各个晶向上离子穿透是不同的）。（5）生产产量有限。（6）离子注入设备复杂且昂贵。5.3.7 离子注入的前景随着科技的发展，特别是半导体向微型方向发展，离子注入技术将会得到更加广泛的应用。但是作为工艺，离子注入技术还有很有方面需要改进，诸如，退火技术还不够理想；再者其存在对材料表面的损伤；高浓度掺杂受限；生产无法大批生产这些都是需要改进的，今后的离子注入技术的发展将依赖于这些方面的提高。5.4 掺杂质量评价5.4.1 扩散掺杂工艺质量评价（1）掺杂的浓度是否在规定的范围之内。一般扩散掺杂的精度在810。要是一个发射极扩散工艺的薄层电阻Rs范围是（151.5）/，那么，扩散后实测样片的薄层 电阻Rs阻值应在13.516.5/之间，超出这个范围就按超规范处理。（2）掺杂浓度的片内均匀性和片间均匀性。通常要求片内、片间均匀性不大于10.如果测得一个片子内部（上、中、下）3点的均匀性大于10，也按常规处理。（3）表面质量。好的扩散掺杂后的硅片，表面应该是光亮的，层次着色是一致的。如果表面出现发花、划道、裂纹、碎片等异常现象，说明扩散掺杂是有问题的，是不符合质量要求的。5.4.2 离子注入掺杂工艺质量评价（1）掺杂的浓度是否在规定的范围之内。（2）掺杂浓度的片内均匀性和片间均匀性。（3）表面质量。（4）是否有沟道效应。（5）是否有沾污。5.5 实训 扩散工艺规程5.5.3 准备工作（1）检查冷却水是否到位，压力应在0.2Mpa以上。（2）做好源柜系统的准备工作（检查氧气0.4Mpa、氮气0.3Mpa、压缩空气0.5Mpa是否达到标准），检查源瓶、管路是否有泄露。（3）确认总电源开启。（4）开启源恒温水浴槽（因为有的恒温槽可以在上电的时候自动开启，有的不能自动开启，所以打开总电源后要做检查，确保所有恒温槽的电源开启），设定温度应在20C，显示水温高于20C时，压缩指示灯亮，显示水温低于20C时，加热指示灯亮，当稳定于20C时，压缩指示灯亮并且加热指示灯按固定频率闪烁，有异常情况及时报告本工段负责人。（4）按下控制柜下的“抽风”按钮，确认抽风系统工作正常。（5）按下控制柜上的“上电开”按钮，控制柜上的工控机启动，待电脑启动正常后，打开大氮（流量为10L/min），按下“加热开”按钮，炉体开始加热，运行十三号工艺，检查气体流量是否正常，运行完工艺后的炉子既可以运行下一步的扩散工艺。（6）按需求修改扩散工艺程序。（7）确认扩散炉控制系统工作正常，程序符合现做工艺要求。（8）确认投入作业的硅片、石英舟等符合工艺要求。5.5.4 操作过程（1）在净化工作台上，用镊子将硅片装在石英舟上。（2）退SiC桨至后限位。（3）检查均流板、隔热板是否在规定的位置，位置变化的，报告工段长，及时调整到规定的位置。（4）用舟叉将石英舟搬上SiC桨上的规定位置上。（5）按触摸屏的“工艺运行”键,在弹出框中选择运行工艺号，输入操作员代号、产品批号、产品数量点击确认，开始进行扩散。（6）检查：扩散工艺运行是否正常；气体流量是否正常；时间设定是否正确。（7）扩散时间结束,报警提示。（8）让片子在炉口冷却5min。（9）用舟叉将石英舟移到净化台上，进一步冷却（待卸片）。（10）继续进第二炉。按要求检查出炉片子的R是否合格，如R不合格，立即报告工段长（或工艺负责人），查清原因，根据具体情况调整工艺（工段长限于调整温度）继续作业。（11）扩散 R检查合格，将片子卸下，装入专用的盛片盒内（注意扩散面朝下）。（12）填写作业记录，流程卡（品名、批号、数量、日期、姓名等）。