第十一章掺杂

1、电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda半导体制造技术半导体制造技术西安交通大学微电子技术教研室西安交通大学微电子技术教研室第十一章第十一章 掺掺 杂杂 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda目目 标标通过本章的学习，将能够：通过本章的学习，将能够：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. 对离子注入有一个总体认识，包括它的优缺点；4. 讨论剂量和射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

2、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。 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda半导体制造常用杂质半导体制造常用杂质表 17.1 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda具有掺杂区的具有掺杂区的CMOSCMOS结构结构N-沟道晶体管P-沟道晶体管 LI oxidep 外延层p+ 硅衬底STISTISTIn+p+p-welln-wellp+pp+pp+n+nn+nn+ABCEFDGHKLIJMNOn+nn+p+pp+Figure 17.1 电信学院 微电

3、子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian SerdaCMOS 制作中的一般掺杂工艺制作中的一般掺杂工艺Table 17.2 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda硅片中的掺杂区硅片中的掺杂区氧化硅氧化硅p+ 硅衬底掺杂气体N扩散区Figure 17.3 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda扩扩 散散 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 电信学院 微电子教研室半导体制造技

4、术by Michael Quirk and Julian Serda扩散的概念扩散的概念 扩散是一种自然界及以发生的现象，扩散的发生需要两个必要的条件：浓度差；过程所必须得能量。 掺杂区和结的扩散形成杂质气流扩散炉管+ = P杂质原子型- = N杂质原子型电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda扩散后的晶园剖面图扩散后的晶园剖面图电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda硅中的杂质扩散硅中的杂质扩散在间隙位置被转移的硅原子SiSiSiSiSiSiSiSiSic) 机械的间隙

5、转移SiSiSiSiSiSiSiSiSia) 硅晶体结构b) 替代扩散SiSiSiSiSiSiSiSi空位杂质d) 间隙扩散SiSiSiSiSiSiSiSiSi在间隙位置的杂质Figure 17.4 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda固态扩散的目的固态扩散的目的 在晶园表面产生一定数量的掺杂原子（浓度） 在晶园表面下的特定位置处形成NP(或PN)结 在晶园表面层形成特定的掺杂原子(浓度)分布 结的图形显示结的图形显示 理想的 横向扩散电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian S

6、erda浓度随深度变化的曲线浓度随深度变化的曲线晶圆纵深方向杂质浓度浓度（原子数量）深度（层数）浓度（原子数量）深度（层数）结位置14121086421412108642(a)(b)(c)01234560123456O电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda扩扩 散散 工工 艺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

7、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。电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda扩散工艺的步骤扩散工艺的步骤预淀积预淀积 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1010101010101010表面浓度结深杂质浓度晶圆体内掺杂水平深度（层）12345Qttt电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda硅中杂质的固溶度硅中杂质的固溶度1010101010101010500700130

8、011009001500温度（?C 原子固溶度（m）c AsPBSnSbAlGaOAuCuZnSAg电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda1100C 下硅中的固溶度极限Table 17.3 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda推进氧化推进氧化水汽氧化物杂质淀积后的误差函数分布推进氧化后的高斯分布晶圆杂质浓度杂质浓度晶圆纵深方向O(b)(a)电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda扩散常用杂质源扩散常用杂质

9、源SEMATECH “Diffusion Processes,” Furnace Processes and Related Topics, (Austin, TX: SEMATECH, 1994), P. 7.Table 17.4 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda离离 子子 注注 入入 概况 掺杂剂浓度的控制 离子注入的优点 离子注入的缺点 离子注入参数 剂量 射程 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda硅片工艺流程中的离子注入硅片工艺流程中的离子注入注入扩散

10、测试/拣选刻蚀抛光光刻完成的硅片无图形硅片硅片起始薄膜硅片制造 (前端) 硬膜掩蔽（氧化硅或氮化硅）注入后退火光刻胶掩蔽电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda控制杂质浓度和深度控制杂质浓度和深度低掺杂浓度 (n, p) 和浅结深 (xj)Mask掩蔽层Silicon substratexj低能低剂量快速扫描束扫描掺杂离子离子注入机高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结深 (xj)Beam scan高能大剂量慢速扫描MaskMaskSilicon substratexjIon implanterFigure 17.5 电信学院 微电子

11、教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda离子注入机示意图离子注入机示意图离子源分析磁体加速管粒子束等离子体工艺腔吸出组件扫描盘Figure 17.6 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda离子注入机离子注入机Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal sidePhoto 17.1 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda离子注

12、入的优点离子注入的优点 1. 精确控制杂质含量；2. 很好的杂质均匀性；3. 对杂质穿透深度有很好的控制；4. 产生单一粒子束；5. 低温工艺；6. 注入的离子能穿过掩蔽膜；7. 无固溶度极限。Table 17.5 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda注入机分类注入机分类Table 17.6 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda杂质离子的射程和投影射程杂质离子的射程和投影射程人射粒子束硅衬底对单个离子停止点RpDRp杂质分布Figure 17.7 电信学院 微电子

13、教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda注入能量对应射程图注入能量对应射程图注入能量 (keV)Projected Range, Rp (mm)101001,0000.010.11.0BPAsSb注入到硅中Figure 17.8 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda注入杂质原子能量损失注入杂质原子能量损失SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-射线电子碰撞原子碰撞被移动的硅原子携能杂质离子硅晶格Figure 17.9 电信学

14、院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda轻离子和重离子引起的晶格损伤轻离子和重离子引起的晶格损伤轻离子冲击重离子冲击Figure 17.10 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian SerdaIon Implanters 离子源 引出电极(吸极)和离子分析器 加速管 扫描系统 Process Chamber工艺腔 退火 沟道效应 颗粒 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda离子源和吸极装配图离子源和吸极装配图Figure 1

15、7.11 吸出组件源室涡轮泵离子源绝缘体起弧室吸极吸出组件粒子束电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian SerdaBernas 离子源装配图离子源装配图前板狭缝起弧室灯丝电子反射器气体入口5 V电子反射器阳极 +100 V起弧室气化喷嘴电炉气体导入管DI 冷却水入口掺杂剂气体入口Figure 17.12 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda离子源和吸极交互作用装配图离子源和吸极交互作用装配图+-NS N S120 V起弧吸出组件离子源60 kV吸引2.5 kV抑制源磁铁5V灯丝

16、To PA+粒子束参考端(PA电压)抑制电极接地电极Figure 17.13 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda分析磁体分析磁体石磨离子源分析磁体粒子束吸出组件较轻离子重离子中性离子Figure 17.14 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda离子注入机分析磁体离子注入机分析磁体Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 analyzer sidePhoto 17.2 电信学院 微电子教研室半导

17、体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda加加 速速 管管100 MW100 MW100 MW100 MW100 MW0 kV+100 kV+80 kV+20 kV+40 kV+60 kV+100 kV粒子束粒子束至工艺腔电极来自分析磁体Figure 17.15 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda剂量与能量图剂量与能量图临近吸收现在应用扩展应用多晶掺杂源/漏损伤工程Buried layers倒掺杂阱三阱Vt 调整沟道和漏工程0.1110100100010,0001016101110121013

18、101410151017能量 (keV)剂量 (atoms/cm2)Figure 17.16 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda高能注入机的线形加速器高能注入机的线形加速器源原子质量分析磁体线形加速器最终能量分析磁体扫描盘硅片Figure 17.17 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda空间电荷中和空间电荷中和+具有空间电荷中和地粒子束剖面+粒子束膨胀剖面掺杂离子二次电子Figure 17.18 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quir

19、k and Julian Serda中性束流陷阱中性束流陷阱源分析磁体加速管中性束流陷阱聚焦阳极Y-轴偏转X-轴偏转中性束流路径硅片粒子束接地的收集板Figure 17.19 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda硅片的静电粒子束扫描硅片的静电粒子束扫描+ Ion beamY-轴偏转X-轴偏转硅片旋转 倾斜高频 X-轴偏转低频 Y-轴偏移Figure 17.20 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda注入阴影效应光刻胶a) 无倾斜的机械扫描粒子束b) 正常倾斜的静电扫

20、描光刻胶粒子束Figure 17.21 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda离子注入硅片的机械扫描离子注入硅片的机械扫描扫描外半径扫描内半径注入面积(计算的)溢出杯旋转粒子束Figure 17.22 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda控制硅片充电的电子喷淋控制硅片充电的电子喷淋+Ion beam负偏置孔径电子枪二次电子靶二次电子正离负电子复合WaferFigure 17.23 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Juli

21、an Serda控制硅片充电的离子喷淋控制硅片充电的离子喷淋负偏置孔径Ion beam中性化原子硅片扫描方向电流(剂量) 监测计等离子电子喷淋腔氩气入口电子发射腔壁+SNSN+ArArArFigure 17.24 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda离子注入机的终端口离子注入机的终端口Photograph provided courtesy of International SEMATECHPhoto 17.3 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda注入工艺腔的硅片

22、传送器注入工艺腔的硅片传送器VIISion终端台工艺腔终端子系统原子系统注入子系统操作界面片架真空锁硅片传送器扫描盘监视器WallFigure 17.25 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda法拉第杯电流测量法拉第杯电流测量带硅片的扫描盘扫描方向法拉第杯抑制栅孔径电流积分仪在盘山的取样狭缝粒子束Figure 17.26 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda硅单晶的退火硅单晶的退火修复硅晶格结构并激活杂质硅键b) 退火后的硅晶格a) 注入过程中损伤的硅晶格粒子束Fi

23、gure 17.27 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda沿沿 轴的硅晶格视图轴的硅晶格视图Used with permission from Edgard Torres DesignsFigure 17.28 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda离子人射角与沟道离子人射角与沟道Used with permission from Edgard Torres DesignsFigure 17.29 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk

24、 and Julian Serda来自颗粒沾污的注入损伤来自颗粒沾污的注入损伤MaskMaskSilicon Substrate粒子束扫描离子注入机颗粒在被注入区产生空洞Figure 17.30 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda离子注入在工艺集成中的发展趋势离子注入在工艺集成中的发展趋势不同注入工艺的实例 深埋层 倒掺杂阱 穿通阻挡层 阈值电压调整 轻掺杂漏区 (LDD) 源漏注入 多晶硅栅 沟槽电容器 超浅结 绝缘体上硅 (SOI) 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian

25、 Serda注入埋层注入埋层Figure 17.31 n-wellp-wellp- Epi layerp+ Silicon substratep+ Buried layer倒掺杂阱电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda倒掺杂阱倒掺杂阱n-wellp-wellp+ 埋层p+ Silicon substrateN杂质p-type dopantp+n+Figure 17.32 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda防止穿通防止穿通n-wellp-wellp+ Buried

26、layerp+ Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+p+n+n+Figure 17.33 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda阈值电压调整的注入阈值电压调整的注入n-wellp-wellp+ Buried layerp+ Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+p+pn+n+nFigure 17.34 电信学院 微电子教研室半导体制造技术by Michael Quirk and Julian Serda源漏区形成源漏区形成+ + + + + + +- - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - n-wellp-wellp+ Buried layerp+ Silicon substratep+ S/D implantn+ S/D implant侧墙氧化硅DrainSourceDrainSourceb) p+ 和n+ 源漏注入(分两步进