微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)

1、2022-2-13微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)術(shù)微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù)本章目標(biāo)：本章目標(biāo)：1、熟悉摻雜技術(shù)的兩種方式、熟悉摻雜技術(shù)的兩種方式2、熟悉擴(kuò)散摻雜的原理、熟悉擴(kuò)散摻雜的原理3、掌握離子注入相關(guān)概念及其原理、掌握離子注入相關(guān)概念及其原理4、熟悉離子注入的工藝流程、熟悉離子注入的工藝流程5、了解離子注入系統(tǒng)的設(shè)備及其優(yōu)點(diǎn)、了解離子注入系統(tǒng)的設(shè)備及其優(yōu)點(diǎn)微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù)一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)三、集成電路的形成三、集成電路的形成微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)

2、摻雜技術(shù)一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散 1、擴(kuò)散原理、擴(kuò)散原理 2、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散 3、擴(kuò)散設(shè)備與工藝、擴(kuò)散設(shè)備與工藝 4、工藝質(zhì)量檢測(cè)、工藝質(zhì)量檢測(cè)微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散1、擴(kuò)散原理、擴(kuò)散原理擴(kuò)散是微電子工藝中最基本的平面工藝，在約擴(kuò)散是微電子工藝中最基本的平面工藝，在約1000的高溫、的高溫、p型或型或n型雜質(zhì)氣氛中，雜質(zhì)向襯底型雜質(zhì)氣氛中，雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，達(dá)到一定濃度，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，達(dá)到一定濃度，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體定域、定量摻雜的一種工藝方法，也叫熱擴(kuò)散。定域、定量摻雜的一種工藝方法，也叫熱擴(kuò)散。微電子工藝基礎(chǔ)

3、摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散1、擴(kuò)散原理、擴(kuò)散原理 （1）擴(kuò)散方式）擴(kuò)散方式 固相擴(kuò)散擴(kuò)散是一種自然現(xiàn)象，由物質(zhì)自身的熱運(yùn)動(dòng)引起。擴(kuò)散是一種自然現(xiàn)象，由物質(zhì)自身的熱運(yùn)動(dòng)引起。微電子工藝中的擴(kuò)散是雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴(kuò)散，因此微電子工藝中的擴(kuò)散是雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴(kuò)散，因此是一種固相擴(kuò)散。是一種固相擴(kuò)散。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散1、擴(kuò)散原理、擴(kuò)散原理 （1）擴(kuò)散方式）擴(kuò)散方式 擴(kuò)散的方式晶體內(nèi)擴(kuò)散是通過(guò)一系列隨機(jī)跳躍來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些跳躍晶體內(nèi)擴(kuò)散是通過(guò)一系列隨機(jī)跳躍來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些跳躍在整個(gè)三維方向進(jìn)行，有多種方式，最主要有：在整個(gè)三維方向

4、進(jìn)行，有多種方式，最主要有：A 填隙式擴(kuò)散填隙式擴(kuò)散B 替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散C 填隙填隙-替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散1、擴(kuò)散原理、擴(kuò)散原理 （1）擴(kuò)散方式）擴(kuò)散方式 擴(kuò)散的方式 A 填隙式擴(kuò)散微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散1、擴(kuò)散原理、擴(kuò)散原理 （1）擴(kuò)散方式）擴(kuò)散方式 擴(kuò)散的方式 B 替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散1、擴(kuò)散原理、擴(kuò)散原理 （1）擴(kuò)散方式）擴(kuò)散方式 擴(kuò)散的方式 C 填隙填隙-替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散許多雜質(zhì)既可以是替位式也可以

5、是填隙式溶于晶體的晶許多雜質(zhì)既可以是替位式也可以是填隙式溶于晶體的晶格中，并以填隙格中，并以填隙-替位式擴(kuò)散。這類(lèi)擴(kuò)散雜質(zhì)的跳躍速替位式擴(kuò)散。這類(lèi)擴(kuò)散雜質(zhì)的跳躍速率隨晶格缺陷濃度，空位濃度和雜質(zhì)濃度的增加而迅速率隨晶格缺陷濃度，空位濃度和雜質(zhì)濃度的增加而迅速增加。增加。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散1、擴(kuò)散原理、擴(kuò)散原理 （2）擴(kuò)散方程）擴(kuò)散方程 第一擴(kuò)散定律晶體襯底中雜質(zhì)擴(kuò)散流密度與雜質(zhì)濃度梯度成正比，晶體襯底中雜質(zhì)擴(kuò)散流密度與雜質(zhì)濃度梯度成正比，這是第一擴(kuò)散定律，也稱(chēng)這是第一擴(kuò)散定律，也稱(chēng)Fick第一定律。第一定律。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻

6、雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散1、擴(kuò)散原理、擴(kuò)散原理 （2）擴(kuò)散方程）擴(kuò)散方程 第一擴(kuò)散定律微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散1、擴(kuò)散原理、擴(kuò)散原理 （2）擴(kuò)散方程）擴(kuò)散方程 第二擴(kuò)散定律討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴(kuò)散時(shí)間關(guān)系，又稱(chēng)討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴(kuò)散時(shí)間關(guān)系，又稱(chēng)Fick第二定律。第二定律。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散1、擴(kuò)散原理、擴(kuò)散原理 （2）擴(kuò)散方程）擴(kuò)散方程 影響擴(kuò)散速率的因素A 晶體內(nèi)雜質(zhì)濃度梯度；晶體內(nèi)雜質(zhì)濃度梯度；B 環(huán)境溫度；環(huán)境溫度；C 雜質(zhì)本身結(jié)構(gòu)、性質(zhì)；雜質(zhì)本身結(jié)構(gòu)、性質(zhì)；D 晶體襯底的結(jié)構(gòu)。晶體

7、襯底的結(jié)構(gòu)。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散2、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散（1） 摻雜的目的 （P218）A 在晶圓表面下的特定位置處形成在晶圓表面下的特定位置處形成PN結(jié)結(jié)（結(jié)合（結(jié)合P218的圖的圖11.3-圖圖11.5）；）；B 在晶圓表面下得到所需的摻雜濃度；在晶圓表面下得到所需的摻雜濃度；（結(jié)合（結(jié)合P219同型摻雜）同型摻雜）微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散2、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散（2） 硅中的雜質(zhì)類(lèi)型 替位式雜質(zhì)主要是主要是III和和V族元素，具有電活性，在硅中有族元素，具有電活性，在硅

8、中有較高的固溶度。多以替位方式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率較高的固溶度。多以替位方式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率慢，稱(chēng)為慢擴(kuò)散雜質(zhì)。慢，稱(chēng)為慢擴(kuò)散雜質(zhì)。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散2、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散（2） 硅中的雜質(zhì)類(lèi)型 填隙式雜質(zhì)主要是主要是I和和族元素，族元素，Na、K、Li、H、Ar等，等，它們通常無(wú)電活性，在硅中以填隙式方式進(jìn)它們通常無(wú)電活性，在硅中以填隙式方式進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散速率快。行擴(kuò)散，擴(kuò)散速率快。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散2、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散（2） 硅中的雜質(zhì)類(lèi)型 填隙-替位式雜質(zhì) 大多數(shù)

9、過(guò)渡元素：大多數(shù)過(guò)渡元素：AuAu、FeFe、CuCu、PtPt、NiNi、AgAg等。都以等。都以填隙填隙- -替位式方式擴(kuò)散，約比替位擴(kuò)散快五六個(gè)數(shù)量級(jí)，替位式方式擴(kuò)散，約比替位擴(kuò)散快五六個(gè)數(shù)量級(jí)，最終位于間隙和替位這兩種位置，位于間隙的雜質(zhì)無(wú)最終位于間隙和替位這兩種位置，位于間隙的雜質(zhì)無(wú)電活性，位于替位的雜質(zhì)具有電活性。電活性，位于替位的雜質(zhì)具有電活性。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散2、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散（2）擴(kuò)散方程的解 恒定源擴(kuò)散恒定源擴(kuò)散是硅一直處于雜質(zhì)氛圍恒定源擴(kuò)散是硅一直處于雜質(zhì)氛圍中，硅片表面達(dá)到了該擴(kuò)散溫度的中，硅片表面

10、達(dá)到了該擴(kuò)散溫度的固溶度固溶度Ns。解擴(kuò)散方程：。解擴(kuò)散方程：NbNsxj1 xj2 xj3xNt1t2t3邊界條件為：邊界條件為：N（0，t）=Ns初始條件為：初始條件為：N（x，0）=0 微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散2、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散（2）擴(kuò)散方程的解 恒定源擴(kuò)散NbNsxj1 xj2 xj3xNt1t2t3erfc稱(chēng)為余誤差函數(shù)，所以恒定源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度服從余誤差分布。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散2、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散（2）擴(kuò)散方程的解 限定源擴(kuò)散限定源擴(kuò)散是在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中

11、，雜質(zhì)源限限定源擴(kuò)散是在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中，雜質(zhì)源限定在擴(kuò)散前積累于硅片表面薄層內(nèi)的雜質(zhì)總定在擴(kuò)散前積累于硅片表面薄層內(nèi)的雜質(zhì)總量量Q。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散2、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散（2）擴(kuò)散方程的解 限定源擴(kuò)散XXji xj2 xj3NsNsNs”t1t2t3邊界條件：邊界條件：初始條件：初始條件：解擴(kuò)散方程：解擴(kuò)散方程：Nb微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散2、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散（2）擴(kuò)散方程的解 限定源擴(kuò)散限定源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度是一種高斯函數(shù)分布。擴(kuò)散過(guò)程中雜質(zhì)表面濃度變化很大，但雜質(zhì)總

12、量Q不變。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散2、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散（3）實(shí)際擴(kuò)散 場(chǎng)助擴(kuò)散效應(yīng)硅襯底的摻雜濃度對(duì)雜質(zhì)的擴(kuò)散速率有影響，硅襯底的摻雜濃度對(duì)雜質(zhì)的擴(kuò)散速率有影響， 襯底襯底摻雜濃度高時(shí)這一影響將使擴(kuò)散速率顯著提高，稱(chēng)摻雜濃度高時(shí)這一影響將使擴(kuò)散速率顯著提高，稱(chēng)之為場(chǎng)助擴(kuò)散效應(yīng)。之為場(chǎng)助擴(kuò)散效應(yīng)。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散2、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散、雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散（3）實(shí)際擴(kuò)散 橫向擴(kuò)散效應(yīng)（P218）不管是擴(kuò)散還是離子注入都會(huì)發(fā)生橫向擴(kuò)散現(xiàn)象，橫向擴(kuò)散的線(xiàn)度是縱向擴(kuò)散的0.75-0.85倍。微電

13、子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（1）擴(kuò)散源 液態(tài)源（參見(jiàn)教材P223）液態(tài)源通常是所需摻雜元素的氯化物或溴化物。例如： POCl3、BBr3選擇源必需滿(mǎn)足固溶度和擴(kuò)散系數(shù)的要求。另外還選擇源必需滿(mǎn)足固溶度和擴(kuò)散系數(shù)的要求。另外還要選擇好掩蔽膜。要選擇好掩蔽膜。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（1）擴(kuò)散源 液態(tài)源（參見(jiàn)教材P223）液相源擴(kuò)散系統(tǒng)微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（1）擴(kuò)散源

14、液態(tài)源（參見(jiàn)教材P223）層流形成系統(tǒng)：層流形成系統(tǒng)：微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（1）擴(kuò)散源 固態(tài)源（參見(jiàn)教材P223）最原始的淀積源。最原始的淀積源。固態(tài)源通常是氧化物固態(tài)源通常是氧化物B2O3、Sb2O5、P2O5等陶等陶瓷片或粉體，也有用瓷片或粉體，也有用BN。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（1）擴(kuò)散源 固態(tài)源使用固態(tài)源的三種方式：使用固態(tài)源的三種方式： （參見(jiàn)教材（參見(jiàn)教材P225）A 遠(yuǎn)程源（匙）遠(yuǎn)程源（匙）B 近鄰源（圓片）近鄰源（圓片

15、）C 涂抹源涂抹源微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（1）擴(kuò)散源 固態(tài)源（參見(jiàn)教材P223）固相源擴(kuò)散系統(tǒng)微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（1）擴(kuò)散源 氣態(tài)源（參見(jiàn)教材P224）氣態(tài)源通常是氫化物：氣態(tài)源通常是氫化物：B2H6、PH3、AsH3、 BCl3，最受歡迎的擴(kuò)散源方式。，最受歡迎的擴(kuò)散源方式。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（1）擴(kuò)散源 氣態(tài)源（參見(jiàn)教材P224）微電子工藝基礎(chǔ)摻

16、雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（2）擴(kuò)散流程 預(yù) 淀 積 ：（參見(jiàn)P222）A 預(yù)清洗與刻蝕預(yù)清洗與刻蝕B 爐管淀積爐管淀積C 去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）D 評(píng)估（假片或陪片）評(píng)估（假片或陪片） 再分布（評(píng)估）：（參見(jiàn)P226）微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（2）擴(kuò)散流程 預(yù)淀積評(píng)估（假片或陪片）：通常測(cè)方塊電阻，方塊電評(píng)估（假片或陪片）：通常測(cè)方塊電阻，方塊電阻是指表面為正方形的薄膜，在電流方向的電阻阻是指表面為正方形的薄膜，在電流方向

17、的電阻值。值。 爐管淀積：一般予淀積溫度較低，時(shí)間也較短。氮爐管淀積：一般予淀積溫度較低，時(shí)間也較短。氮?dú)獗Ｗo(hù)。氣保護(hù)。去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）：爐管淀積后的去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）：爐管淀積后的窗口表面有薄薄的一層硼硅玻璃，用窗口表面有薄薄的一層硼硅玻璃，用HF漂去。漂去。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（2）擴(kuò)散流程 預(yù)淀積微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（2）擴(kuò)散流程 再分布（評(píng)估）再分布溫度較高，時(shí)間也較長(zhǎng)。通氧氣直接生長(zhǎng)氧再分布溫度較高，

18、時(shí)間也較長(zhǎng)。通氧氣直接生長(zhǎng)氧化層。化層。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（2）擴(kuò)散流程 再分布（評(píng)估）微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（2）擴(kuò)散流程擴(kuò)散工藝有一步工藝和兩步工藝：擴(kuò)散工藝有一步工藝和兩步工藝：一步工藝一步工藝 是恒定源擴(kuò)散，雜質(zhì)分布服從余誤差分布；是恒定源擴(kuò)散，雜質(zhì)分布服從余誤差分布；兩步工藝兩步工藝 分為予淀積和再分布兩步分為予淀積和再分布兩步予淀積是恒定源擴(kuò)散，目的是在擴(kuò)散窗口硅表層擴(kuò)入總量予淀積是恒定源擴(kuò)散，目的是在擴(kuò)散窗口硅表層擴(kuò)入

19、總量一定的摻雜元素。再分布是限定源擴(kuò)散，摻雜源總量已在一定的摻雜元素。再分布是限定源擴(kuò)散，摻雜源總量已在予淀積時(shí)擴(kuò)散在窗口上了，再分布的目的是使雜質(zhì)在硅中予淀積時(shí)擴(kuò)散在窗口上了，再分布的目的是使雜質(zhì)在硅中具有一定的分布或達(dá)到一定的結(jié)深。具有一定的分布或達(dá)到一定的結(jié)深。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（3）B擴(kuò)散原原 理：理： 2 B2O3 + 3Si 4B +3SiO2 選源：選源： 固態(tài)固態(tài)BN源使用最多，必須活化。源使用最多，必須活化。 800-1000活化：活化： 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2特點(diǎn)：特點(diǎn)：

20、 B與與Si晶格失配系數(shù)為晶格失配系數(shù)為0.254，失配大，有伴生應(yīng)，失配大，有伴生應(yīng)力缺陷，造成嚴(yán)重的晶格損傷，在力缺陷，造成嚴(yán)重的晶格損傷，在1500，硼在硅中的最，硼在硅中的最大固溶度達(dá)大固溶度達(dá)4*102 0/cm3，但是最大電活性濃度是，但是最大電活性濃度是5*1019/cm3。 微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（4）P擴(kuò)散原原 理：理：2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2選源：選源： 固態(tài)固態(tài)P2O5陶瓷片源使用最多，無(wú)須活化。陶瓷片源使用最多，無(wú)須活化。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：磷是磷是n形替位雜質(zhì)，失配因子形替位

21、雜質(zhì)，失配因子0.068，失配小，失配小，雜質(zhì)濃度可達(dá)雜質(zhì)濃度可達(dá)1021/cm3，該濃度即為電活性濃度。，該濃度即為電活性濃度。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散3、擴(kuò)散工藝與設(shè)備、擴(kuò)散工藝與設(shè)備（5）例子（N+PN晶體管）微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散4、工藝質(zhì)量檢測(cè)、工藝質(zhì)量檢測(cè)（1）工藝指標(biāo) 雜質(zhì)表面濃度雜質(zhì)表面濃度 結(jié)深結(jié)深 薄層電阻薄層電阻 分布曲線(xiàn)分布曲線(xiàn)（2）工藝條件（T, t）的確定 解析擴(kuò)散方程獲得工藝條件，目前用計(jì)算機(jī)解析擴(kuò)散方程獲得工藝條件，目前用計(jì)算機(jī)模擬的工藝參數(shù)。模擬的工

22、藝參數(shù)。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 一、擴(kuò)散一、擴(kuò)散4、工藝質(zhì)量檢測(cè)、工藝質(zhì)量檢測(cè)（3）工藝參數(shù)測(cè)量工藝參數(shù)測(cè)量 染色法測(cè)結(jié)深染色法測(cè)結(jié)深 陽(yáng)極氧化測(cè)分布函數(shù)陽(yáng)極氧化測(cè)分布函數(shù) 四探針?lè)y(cè)方塊電阻四探針?lè)y(cè)方塊電阻 四探針?lè)y(cè)電阻率四探針?lè)y(cè)電阻率（4）電參數(shù)測(cè)量 I-V曲線(xiàn)曲線(xiàn)微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù)二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù) 1、概述、概述 2、離子注入工藝、離子注入工藝 3、離子注入技術(shù)的應(yīng)用、離子注入技術(shù)的應(yīng)用微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)1、概述、概述（1）熱擴(kuò)散的限制 橫向

23、擴(kuò)散橫向擴(kuò)散 實(shí)現(xiàn)淺結(jié)困難實(shí)現(xiàn)淺結(jié)困難 摻雜濃度控制精度摻雜濃度控制精度 表面污染表面污染 微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)1、概述、概述（2）離子注入技術(shù)的引入 高集成度電路的發(fā)展需要更小的特征圖形與更近高集成度電路的發(fā)展需要更小的特征圖形與更近的電路器件間距。熱擴(kuò)散對(duì)電路的生產(chǎn)已有所限的電路器件間距。熱擴(kuò)散對(duì)電路的生產(chǎn)已有所限制，于是離子注入法誕生。（見(jiàn)教材制，于是離子注入法誕生。（見(jiàn)教材P228）離子注入是將含所需雜質(zhì)的化合物分子（如離子注入是將含所需雜質(zhì)的化合物分子（如BCl3、BF3）電離為雜質(zhì)離子后，聚集成束用強(qiáng)電場(chǎng)加速，）電離為

24、雜質(zhì)離子后，聚集成束用強(qiáng)電場(chǎng)加速，使其成為高能離子束，直接轟擊半導(dǎo)體材料，當(dāng)使其成為高能離子束，直接轟擊半導(dǎo)體材料，當(dāng)離子進(jìn)入其中時(shí)，受半導(dǎo)體材料原子阻擋，而停離子進(jìn)入其中時(shí)，受半導(dǎo)體材料原子阻擋，而停留在其中，成為半導(dǎo)體內(nèi)的雜質(zhì)。留在其中，成為半導(dǎo)體內(nèi)的雜質(zhì)。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)1、概述、概述（2）離子注入源 對(duì)于離子注入而言，只采用氣態(tài)或固態(tài)源材料。對(duì)于離子注入而言，只采用氣態(tài)或固態(tài)源材料。由于便于使用和控制，所以離子注入偏向于使由于便于使用和控制，所以離子注入偏向于使用氣態(tài)源。大多數(shù)的氣態(tài)源通常是氟化物，比用氣態(tài)源。大多數(shù)的

25、氣態(tài)源通常是氟化物，比如如PF5、 AsF5、 BF3、 SbF3與與 PF3。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)1、概述、概述（3）離子注入原理 離子注入是離子被強(qiáng)電場(chǎng)加速后注入靶中，離離子注入是離子被強(qiáng)電場(chǎng)加速后注入靶中，離子受靶原子阻止，停留其中，經(jīng)退火后雜質(zhì)進(jìn)子受靶原子阻止，停留其中，經(jīng)退火后雜質(zhì)進(jìn)入替位、電離成為具有電活性的雜質(zhì)。這一過(guò)入替位、電離成為具有電活性的雜質(zhì)。這一過(guò)程是一非平衡的物理過(guò)程（擴(kuò)散為化學(xué)過(guò)程）程是一非平衡的物理過(guò)程（擴(kuò)散為化學(xué)過(guò)程） 。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注

26、入技術(shù)1、概述、概述（4）離子穿透深度 核阻止核阻止 離子與硅原子核碰撞，離子能量離子與硅原子核碰撞，離子能量轉(zhuǎn)移到硅原子核上，結(jié)果將使離子改變運(yùn)動(dòng)方轉(zhuǎn)移到硅原子核上，結(jié)果將使離子改變運(yùn)動(dòng)方向，而硅原子核可能離開(kāi)原位，成為填隙硅原向，而硅原子核可能離開(kāi)原位，成為填隙硅原子核。子核。 電子阻止電子阻止 離子與硅中的束縛電子或自由離子與硅中的束縛電子或自由電子碰撞，能量轉(zhuǎn)移到電子，由于離子質(zhì)量遠(yuǎn)電子碰撞，能量轉(zhuǎn)移到電子，由于離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，離子方向不變，能量稍減，而束縛大于電子，離子方向不變，能量稍減，而束縛電子被激發(fā)或電離，自由電子發(fā)生移動(dòng)。電子被激發(fā)或電離，自由電子發(fā)生移動(dòng)。影響離子穿透深

27、度的因素有：影響離子穿透深度的因素有：微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)1、概述、概述（4）離子穿透深度 行程（行程（R）射程射程 （RP）微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)1、概述、概述（5） 注入離子分布與劑量 （P235） 分布函數(shù)分布函數(shù)注入離子的能量是按幾率分布的，注入離子的能量是按幾率分布的， 所以雜質(zhì)分布也所以雜質(zhì)分布也是按幾率分布的。是按幾率分布的。離子注入后雜質(zhì)濃度的分布接近高斯分布。（教材離子注入后雜質(zhì)濃度的分布接近高斯分布。（教材P235）微電子工藝基

28、礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)1、概述、概述（5） 注入離子分布與劑量 （P235） 注入離子劑量理論上可以由離子電流大小來(lái)量度：理論上可以由離子電流大小來(lái)量度：其中：其中：I為電流；為電流；t為時(shí)間；為時(shí)間；A為注入面積。為注入面積。實(shí)際上高能離子入射到襯底時(shí)，一小部分與表面晶核原子彈性散射而從襯底表面反射回來(lái)并未進(jìn)入襯底，這叫作背散射現(xiàn)象。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)1、概述、概述（5） 注入離子分布與劑量 （P235） 影響注入的兩種效應(yīng)A 側(cè)向效應(yīng)側(cè)向效應(yīng) 與擴(kuò)散比側(cè)向雜質(zhì)濃度很小，可以與

29、擴(kuò)散比側(cè)向雜質(zhì)濃度很小，可以不考慮。不考慮。 B 溝道滲透效應(yīng)溝道滲透效應(yīng) 襯底為單晶材料，如果粒子束準(zhǔn)襯底為單晶材料，如果粒子束準(zhǔn)確的沿著晶格方向注入，注入縱向分布峰值與高斯確的沿著晶格方向注入，注入縱向分布峰值與高斯分布不同。一部分粒子束穿過(guò)較大距離。這就是溝分布不同。一部分粒子束穿過(guò)較大距離。這就是溝道滲透效應(yīng)。（道滲透效應(yīng)。（P236）微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)1、概述、概述（6）注入損傷與退火 （P235-236） 晶格損傷 （詳細(xì)可參考P235最下部分）高能離子在硅（靶）內(nèi)與晶格多次碰撞，能量轉(zhuǎn)移高能離子在硅（靶）內(nèi)與晶格多

30、次碰撞，能量轉(zhuǎn)移到晶格，晶格原子位移，位移原子再碰撞其它原子，到晶格，晶格原子位移，位移原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，即出現(xiàn)級(jí)聯(lián)碰撞，從而導(dǎo)致晶使其它原子再位移，即出現(xiàn)級(jí)聯(lián)碰撞，從而導(dǎo)致晶格損傷。格損傷。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)1、概述、概述（6）注入損傷與退火 （P235-236） 退火B(yǎng) 注入雜質(zhì)電激活注入雜質(zhì)電激活 注入的雜質(zhì)多以填隙式方式存在于硅中，無(wú)電注入的雜質(zhì)多以填隙式方式存在于硅中，無(wú)電活性。退火，在某一高溫下保持一段時(shí)間，使雜質(zhì)活性。退火，在某一高溫下保持一段時(shí)間，使雜質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入替位位置，有電活性。通過(guò)擴(kuò)散

31、進(jìn)入替位位置，有電活性。A 修復(fù)晶格損傷修復(fù)晶格損傷退火的目的：退火的目的：微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)1、概述、概述（6）注入損傷與退火 （P235-236） 退火退火特點(diǎn)退火特點(diǎn) ： A 效果與溫度，時(shí)間有關(guān)，溫度越高、時(shí)間越效果與溫度，時(shí)間有關(guān)，溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)退火效果越好。長(zhǎng)退火效果越好。 B 退火使得雜質(zhì)再分布。退火使得雜質(zhì)再分布。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)2、離子注入工藝、離子注入工藝（1）襯底與掩膜 襯底襯底 為（為（111）晶向硅時(shí)，為了防止溝道滲）晶向硅時(shí)，為了

32、防止溝道滲透效應(yīng)，一般采取偏離晶向透效應(yīng)，一般采取偏離晶向7 掩膜掩膜 因?yàn)殡x子注入是在常溫下進(jìn)行，所以因?yàn)殡x子注入是在常溫下進(jìn)行，所以光刻膠、二氧化硅薄膜、金屬薄膜等多種材料都可光刻膠、二氧化硅薄膜、金屬薄膜等多種材料都可以作為掩膜使用，要求掩蔽效果達(dá)到以作為掩膜使用，要求掩蔽效果達(dá)到99.99%99.99%。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)2、離子注入工藝、離子注入工藝（2）注入方法 A 直接注入：離子在光刻窗口直接注入直接注入：離子在光刻窗口直接注入Si襯底。射程襯底。射程大、雜質(zhì)重時(shí)采用。大、雜質(zhì)重時(shí)采用。 B 間接注入法：通過(guò)介質(zhì)薄

33、膜或光刻膠注入襯底晶體。間接注入法：通過(guò)介質(zhì)薄膜或光刻膠注入襯底晶體。間接注入沾污少，可以獲得精確的表面濃度。間接注入沾污少，可以獲得精確的表面濃度。 C 多次注入：通過(guò)多次注入使雜質(zhì)縱向分布精確可控，多次注入：通過(guò)多次注入使雜質(zhì)縱向分布精確可控，與高斯分布接近；也可以將不同能量、劑量的雜質(zhì)多次與高斯分布接近；也可以將不同能量、劑量的雜質(zhì)多次注入到襯底硅中，使雜質(zhì)分布為設(shè)計(jì)形狀。注入到襯底硅中，使雜質(zhì)分布為設(shè)計(jì)形狀。 微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)2、離子注入工藝、離子注入工藝（3）注入工藝 A 離子化離子化 B 質(zhì)譜分析（選擇合適粒子）質(zhì)

34、譜分析（選擇合適粒子） C 電場(chǎng)加速電場(chǎng)加速 D 聚焦聚焦微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)2、離子注入工藝、離子注入工藝（4）退火 高溫退火高溫退火 快速退火快速退火 激光退火激光退火 電子束退火電子束退火后兩種方法是較新的低溫退火工藝。退火溫度要低于擴(kuò)散雜質(zhì)時(shí)溫度以防止橫向擴(kuò)散。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)3、離子注入技術(shù)的應(yīng)用、離子注入技術(shù)的應(yīng)用（1）優(yōu)點(diǎn)）優(yōu)點(diǎn) 離子注入克服熱擴(kuò)散的幾個(gè)問(wèn)題：離子注入克服熱擴(kuò)散的幾個(gè)問(wèn)題： A 橫向擴(kuò)散，沒(méi)有側(cè)向擴(kuò)散橫向擴(kuò)散，沒(méi)有側(cè)向擴(kuò)散 B 淺結(jié)淺

35、結(jié) C 粗略的摻雜控制粗略的摻雜控制 D 表面污染的阻礙表面污染的阻礙 離子注入引入的額外的優(yōu)勢(shì)：離子注入引入的額外的優(yōu)勢(shì)： （P228） A 在接近常溫下進(jìn)行在接近常溫下進(jìn)行 B 使寬范圍濃度的摻雜成為可能使寬范圍濃度的摻雜成為可能微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)3、離子注入技術(shù)的應(yīng)用、離子注入技術(shù)的應(yīng)用（2）設(shè)備微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)3、離子注入技術(shù)的應(yīng)用、離子注入技術(shù)的應(yīng)用（2）設(shè)備微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 二、離子注入技術(shù)二、離子注入技術(shù)3、離子注

36、入技術(shù)的應(yīng)用、離子注入技術(shù)的應(yīng)用（3）缺點(diǎn) 設(shè)備昂貴設(shè)備昂貴 設(shè)備在高壓和更多有毒氣體設(shè)備在高壓和更多有毒氣體的使用上出現(xiàn)新的危險(xiǎn)的使用上出現(xiàn)新的危險(xiǎn) 超淺結(jié)不易控制超淺結(jié)不易控制微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第第9章章 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù)三、集成電路的形成三、集成電路的形成 1、概述、概述 2、器件與集成電路工藝的區(qū)別、器件與集成電路工藝的區(qū)別 3、電隔離、電隔離 4、電連接、電連接 5、局部氧化、局部氧化 6、平面化、平面化 7、吸雜、吸雜微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù) 第9章 摻雜技術(shù) 三、集成電路的形成1、概述IC是指在一個(gè)芯片上制備多個(gè)微電子元件（晶是指在一個(gè)芯片上制備多個(gè)微電子元件（晶體管、電阻、電

37、容等），各元件之間是電隔離體管、電阻、電容等），各元件之間是電隔離的。的。IC采用金屬薄膜實(shí)現(xiàn)各元件之間的電連接，由采用金屬薄膜實(shí)現(xiàn)各元件之間的電連接，由此構(gòu)成電路。此構(gòu)成電路。集成電路的制造工藝與分立器件的制造工藝一集成電路的制造工藝與分立器件的制造工藝一樣都是在硅平面工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，有很樣都是在硅平面工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，有很多相同之處，同時(shí)又有所不同。多相同之處，同時(shí)又有所不同。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第9章 摻雜技術(shù) 三、集成電路的形成2、器件與集成電路工藝的區(qū)別相同點(diǎn)：?jiǎn)雾?xiàng)工藝相同的方法外延，氧化，光相同點(diǎn)：?jiǎn)雾?xiàng)工藝相同的方法外延，氧化，光刻，擴(kuò)散，離子注入，淀積等?？蹋瑪U(kuò)散，離

38、子注入，淀積等。不同點(diǎn)：主要有電隔離，電連接，局部氧化，不同點(diǎn)：主要有電隔離，電連接，局部氧化，平整化以及吸雜等。平整化以及吸雜等。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第9章 摻雜技術(shù) 三、集成電路的形成3、電隔離雙極型集成電路多采用雙極型集成電路多采用PN結(jié)隔離，是在硅片襯底結(jié)隔離，是在硅片襯底上通過(guò)擴(kuò)散與外延等工藝制作出隔離島，元件就做上通過(guò)擴(kuò)散與外延等工藝制作出隔離島，元件就做在隔離島上。在隔離島上。（1） PN結(jié)隔離優(yōu)點(diǎn)：工藝成熟，方法簡(jiǎn)單，成品率高缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：PN結(jié)有反向漏電現(xiàn)象，反向漏電受溫度、結(jié)有反向漏電現(xiàn)象，反向漏電受溫度、輻射等外部環(huán)境影響大，故輻射等外部環(huán)境影響大，故PN結(jié)隔離的結(jié)隔離的IC有受溫有受溫度、輻射等的外部環(huán)境影響大的缺點(diǎn)。度、輻射等的外部環(huán)境影響大的缺點(diǎn)。微電子工藝基礎(chǔ)摻雜技術(shù)第9章 摻雜技術(shù) 三、集成電路的形成3、電隔離主要有主要有SiO2，Si3N4隔離。薄膜隔離。薄膜IC，混合，混合IC多