第5章?lián)诫s技術(shù)

1、集成電路芯片制造實(shí)用技術(shù)第5章 摻雜工藝第5章 摻雜工藝 5.1 概述 5.2 擴(kuò)散 5.3 離子注入摻雜 5.4 摻雜質(zhì)量評(píng)價(jià) 5.5 實(shí)訓(xùn) 擴(kuò)散工藝規(guī)程 5.1 概述 摻雜是指將需要的雜質(zhì)摻入到特定的半導(dǎo)體區(qū)域中，以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成PN結(jié)、電阻、歐姆接觸的目的。 擴(kuò)散和離子注入 5.1 概述A族受主摻質(zhì)(P型)A族半導(dǎo)體A族施體摻質(zhì)(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鋁13硅14磷15鎵31鍺32砷33銦49錫50銻515.2 擴(kuò)散 擴(kuò)散技術(shù)目的在于控制半導(dǎo)體中特定區(qū)域內(nèi)雜質(zhì)的類型、濃度、深度和PN結(jié)。在集成電路發(fā)展初期是半導(dǎo)體器件生

2、產(chǎn)的主要技術(shù)之一。但隨著離子注入的出現(xiàn)，擴(kuò)散工藝在制備淺結(jié)、低濃度摻雜和控制精度等方面的巨大劣勢(shì)日益突出，在制造技術(shù)中的使用已大大降低。 間隙式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散 替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散 推填式擴(kuò)散推填式擴(kuò)散 5.2.1 間隙式擴(kuò)散5.2.2 替位式擴(kuò)散5.2.3 推填式擴(kuò)散5.2.4 擴(kuò)散的工藝 1擴(kuò)散設(shè)備2擴(kuò)散的工藝流程 （1）程序鑒定測(cè)試以確保設(shè)備符合產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 （2）利用批次控制系統(tǒng)驗(yàn)證晶圓特性。 （3）下載所需擴(kuò)散參數(shù)的制程處方。 （4）設(shè)定爐管，包括溫度分布。 （5）清潔晶圓并將晶圓浸入氫氟酸以移除原生氧化物。 （6）執(zhí)行預(yù)沉積：裝載晶圓于沉積爐管中并進(jìn)行摻質(zhì)擴(kuò)散。 （7）推進(jìn)：升高

3、爐溫，推進(jìn)并激活雜質(zhì)，然后卸載出晶圓。 （8）測(cè)量、評(píng)估及記錄結(jié)深與電阻。3擴(kuò)散常用的雜質(zhì)雜質(zhì)雜質(zhì)分子式化學(xué)名稱砷 (As)AsH3砷化氫 (氣體)磷 (P)PH3磷化氫 (氣體)磷 (P)POCl3氯氧化磷 (液體)硼 (B)B2H6硼乙烷 (氣體)硼 (B)BF3三氟化硼 (氣體)硼 (B)BBr3三溴化硼 (液體)銻 (Sb)SbCl5五氯化銻 (固體)5.3 離子注入摻雜 離子注入技術(shù)是近30年來在國際上蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用的一種材料表面改性高新技術(shù)。早在1952年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室就開始研究用離子束轟擊技術(shù)來改善半導(dǎo)體的特性。1954年前后，Shockley提出采用離子注入技術(shù)能夠制造半

4、導(dǎo)體器件，并且預(yù)言采用這種方法可以制造薄基區(qū)的高頻晶體管。1955年，英國的W.D.Cussins發(fā)現(xiàn)硼離子轟擊鍺晶片時(shí)，可在N型材料上形成P型層。到了1960年，對(duì)離子射程的計(jì)算和測(cè)量、輻射損傷效應(yīng)以及溝道效應(yīng)等方面的重要研究已基本完成。在這以后，離子注入技術(shù)已開始在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。1968年報(bào)道了采用離子注入技術(shù)制造的、具有突變型雜質(zhì)分布的變?nèi)荻O管及鋁柵自對(duì)準(zhǔn)MOS晶體管。1972年以后對(duì)離子注入現(xiàn)象有兩人更深入的了解，目前離子注入技術(shù)已經(jīng)成為甚大規(guī)模集成電路制造中最主要的摻雜工藝。5.3.1 離子注入的基本原理 離子注入和退火再分布 基本原理是用能量為100keV量級(jí)的離

5、子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。 5.3.1 離子注入的基本原理5.3.2 離子注入設(shè)備 （1）離子源，用于產(chǎn)生和引出某種元素的離子束，這是離子注入機(jī)的源頭。 （2）加速器，對(duì)離子源引出的離子束進(jìn)行加速，使其達(dá)到所需的能量。 （3）離子束的質(zhì)量分析（離子種類的選擇）。 （4）離子束的約束與控制。 （5）靶室。 （6）真空系統(tǒng)。5.3.2 離子注入設(shè)備2離子源 離子源是產(chǎn)生注入用正離子的部件，其原理是把含有要注入雜質(zhì)的單質(zhì)

6、元素或化合物引入離子源中。放電管內(nèi)的自由電子在電磁場(chǎng)作用下獲得足夠高的動(dòng)能，這些高能電子把中性摻雜原子的外層電子打出來后，摻雜原子變成正離子，再將這些摻雜離子經(jīng)過引出電極引出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束后，射向磁分析器。3加速器4磁分析器5靜電掃描/偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)6靶室6靶室7真空系統(tǒng)5.3.3 安全注意事項(xiàng) （1）毒性物質(zhì)檢測(cè)與防護(hù)：氣態(tài)離子源所使用的氣體皆是毒氣，且固態(tài)離子源使用的物質(zhì)也對(duì)身體有害。另外真空系統(tǒng)中及離子束線管壁上，皆會(huì)有毒性物質(zhì)附著。 （2）高電壓放電防護(hù)：高電壓區(qū)通常至少有二萬伏特以上的高電壓； （3）輻射線的防止與防護(hù)： 5.3.4 離子注入的雜質(zhì)分布5.3.5 離子注入后造成的

7、損傷與退火 5.3.6 離子注入的應(yīng)用與特點(diǎn)離子注入的應(yīng)用與特點(diǎn) 應(yīng)用 （1）改變主要導(dǎo)電載流子的種類，以形成P-N結(jié):如形成阱區(qū)（Well）及源/漏極（Source/Drain）。 （2）改變主要導(dǎo)電載流子數(shù)量，以調(diào)整器件工作條件；如調(diào)整晶體管閾值電壓（Threshold Voltage），防止結(jié)穿通（Punchthrough），或是調(diào)整多晶硅的導(dǎo)電率。 （3）改變襯底結(jié)構(gòu)：如形成非晶硅以增進(jìn)摻雜離子的活化率，或減少離子隧穿效應(yīng)（Ino Channeling），或改善金屬硅化物的反應(yīng)與熱穩(wěn)定性。 （4）合成化合物：如高劑量的氧注入，以形成埋層的二氧化硅。2離子注入摻雜技術(shù)的特點(diǎn) （1）它是一

8、種純凈的無公害的表面處理技術(shù)。 （2）無需熱激活，無需在高溫環(huán)境下進(jìn)行，因而不會(huì)改變工件的外形尺寸和表面光潔度。 （3）離子注入層由離子束與基體表面發(fā)生一系列物理和化學(xué)相互作用而形成的一個(gè)新表面層，它與基體之間不存在剝落問題。 （4）離子注入后無需再進(jìn)行機(jī)械加工和熱處理。 2離子注入摻雜技術(shù)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： （1）被注入的雜質(zhì)離子是經(jīng)過質(zhì)量分析器挑選出來的，被選中的離子純度高、能量單一，從而保證了摻雜純度不受雜質(zhì)源純度的影響。 （2）離子注入技術(shù)對(duì)于注入離子的能量和劑量可以分別獨(dú)立的控制，因而可以精確地控制摻雜的濃度和擦汗雜深度。 （3）離子注入可以在較低溫度（400）下進(jìn)行，所以能夠避免熱擴(kuò)散

9、所引入的晶體缺陷。這是利用擴(kuò)散工藝無法實(shí)現(xiàn)的。 （4）可以產(chǎn)生特殊的雜質(zhì)分布輪廓。 （5）有可能注入不溶于半導(dǎo)體的離子。2離子注入摻雜技術(shù)的特點(diǎn) 缺點(diǎn)： （1）高能離子注入所產(chǎn)生的晶格損傷必須經(jīng)過熱退火處理或激光退火處理。 （2）高濃度的離子摻雜受到限制。 （3）在不存在嚴(yán)重的晶格損傷的條件下，離子注入的深度有限。 （4）離子穿透是各向異性的（即在各個(gè)晶向上離子穿透是不同的）。 （5）生產(chǎn)產(chǎn)量有限。 （6）離子注入設(shè)備復(fù)雜且昂貴。5.3.7 離子注入的前景 隨著科技的發(fā)展，特別是半導(dǎo)體向微型方向發(fā)展，離子注入技術(shù)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。但是作為工藝，離子注入技術(shù)還有很有方面需要改進(jìn)，諸如，退火

10、技術(shù)還不夠理想；再者其存在對(duì)材料表面的損傷；高濃度摻雜受限；生產(chǎn)無法大批生產(chǎn)這些都是需要改進(jìn)的，今后的離子注入技術(shù)的發(fā)展將依賴于這些方面的提高。5.4 摻雜質(zhì)量評(píng)價(jià) 5.4.1 擴(kuò)散摻雜工藝質(zhì)量評(píng)價(jià) （1）摻雜的濃度是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)。一般擴(kuò)散摻雜的精度在810。要是一個(gè)發(fā)射極擴(kuò)散工藝的薄層電阻Rs范圍是（151.5）/，那么，擴(kuò)散后實(shí)測(cè)樣片的薄層 電阻Rs阻值應(yīng)在13.516.5/之間，超出這個(gè)范圍就按超規(guī)范處理。 （2）摻雜濃度的片內(nèi)均勻性和片間均勻性。通常要求片內(nèi)、片間均勻性不大于10.如果測(cè)得一個(gè)片子內(nèi)部（上、中、下）3點(diǎn)的均勻性大于10，也按常規(guī)處理。 （3）表面質(zhì)量。好的擴(kuò)散摻雜

11、后的硅片，表面應(yīng)該是光亮的，層次著色是一致的。如果表面出現(xiàn)發(fā)花、劃道、裂紋、碎片等異常現(xiàn)象，說明擴(kuò)散摻雜是有問題的，是不符合質(zhì)量要求的。5.4.2 離子注入摻雜工藝質(zhì)量評(píng)價(jià) （1）摻雜的濃度是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)。 （2）摻雜濃度的片內(nèi)均勻性和片間均勻性。 （3）表面質(zhì)量。 （4）是否有溝道效應(yīng)。 （5）是否有沾污。 5.5 實(shí)訓(xùn) 擴(kuò)散工藝規(guī)程5.5.3 準(zhǔn)備工作（1）檢查冷卻水是否到位，壓力應(yīng)在0.2Mpa以上。（2）做好源柜系統(tǒng)的準(zhǔn)備工作（檢查氧氣0.4Mpa、氮?dú)?.3Mpa、壓縮空氣0.5Mpa是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)），檢查源瓶、管路是否有泄露。（3）確認(rèn)總電源開啟。（4）開啟源恒溫水浴槽（因?yàn)橛?/p>

12、的恒溫槽可以在上電的時(shí)候自動(dòng)開啟，有的不能自動(dòng)開啟，所以打開總電源后要做檢查，確保所有恒溫槽的電源開啟），設(shè)定溫度應(yīng)在20C，顯示水溫高于20C時(shí)，壓縮指示燈亮，顯示水溫低于20C時(shí)，加熱指示燈亮，當(dāng)穩(wěn)定于20C時(shí)，壓縮指示燈亮并且加熱指示燈按固定頻率閃爍，有異常情況及時(shí)報(bào)告本工段負(fù)責(zé)人。（4）按下控制柜下的“抽風(fēng)”按鈕，確認(rèn)抽風(fēng)系統(tǒng)工作正常。（5）按下控制柜上的“上電開”按鈕，控制柜上的工控機(jī)啟動(dòng)，待電腦啟動(dòng)正常后，打開大氮（流量為10L/min），按下“加熱開”按鈕，爐體開始加熱，運(yùn)行十三號(hào)工藝，檢查氣體流量是否正常，運(yùn)行完工藝后的爐子既可以運(yùn)行下一步的擴(kuò)散工藝。 （6）按需求修改擴(kuò)散工藝程序。（7）確認(rèn)擴(kuò)散爐控制系統(tǒng)工作正常，程序符合現(xiàn)做工藝要求。（8）確認(rèn)投入作業(yè)的硅片、石英舟等符合工藝要求。5.5.4 操作過程（1）在凈化工作臺(tái)上，用鑷子將硅片裝在石英舟上。（2）退SiC槳至后限位。（3） 檢查均流板、隔熱板是否在規(guī)定的位置，位置變化的，報(bào)告工段長，及時(shí)調(diào)整到規(guī)定的位置。（4）用舟叉將石英舟搬上SiC槳上的規(guī)定位置上。（5）按觸摸屏的“工藝運(yùn)行”鍵,在彈出框中選擇運(yùn)行工藝號(hào)，輸入操作員代號(hào)、產(chǎn)品批號(hào)、產(chǎn)品數(shù)量點(diǎn)擊確認(rèn)，開始進(jìn)行擴(kuò)散。（6）檢查：擴(kuò)散工藝運(yùn)行是否正常；氣體流量是否正常；時(shí)間設(shè)定是否正確。（7）擴(kuò)散時(shí)間