復(fù)旦集成電路工藝課件-08

集成電路工藝原理

仇志軍zjqiu@邯鄲校區(qū)物理樓435室1大綱第一章前言第二章晶體生長第三章實驗室凈化及硅片清洗第四章光刻第五章

熱氧化第六章熱擴散第七章離子注入第八章薄膜淀積第九章刻蝕第十章后端工藝與集成第十一章未來趨勢與挑戰(zhàn)2摻雜（doping）：將一定數(shù)量和一定種類的雜質(zhì)摻入硅中，并獲得精確的雜質(zhì)分布形狀（dopingprofile）。MOSFET：阱、柵、源/漏、溝道等BJT：基極、發(fā)射極、集電極等摻雜應(yīng)用：BECppn+n-p+p+n+n+BJTpwellNMOS3雜質(zhì)分布形狀（dopingprofile）舉例4摻雜過程氣/固相擴散離子注入或退火預(yù)淀積＝優(yōu)點缺點預(yù)淀積控制劑量恒定劑量推進退火離子注入氣/固相擴散室溫掩蔽無損傷摻雜精確劑量控制1011～1016/cm2劑量精確的深度控制高濃度淺結(jié)形成靈活損傷錯位會導(dǎo)致結(jié)漏電需要長時間驅(qū)入退火方可能獲得低表面濃度溝道效應(yīng)會影響雜質(zhì)分布低劑量預(yù)淀積困難注入損傷增強擴散受到固溶度限制5基本概念結(jié)深xj

（JunctionDepth）薄層電阻Rs

（SheetResistance）雜質(zhì)固溶度（Solubility)61、結(jié)深的定義

xj

:當(dāng)x=xj處Cx（擴散雜質(zhì)濃度）=CB（本體濃度）器件等比例縮小k倍，等電場要求xj

同時縮小k倍同時要求xj

增大在現(xiàn)代COMS技術(shù)中，采用淺結(jié)和高摻雜來同時滿足兩方面的要求72、薄層電阻RS（sheetresistance）方塊電阻tlw薄層電阻定義為8方塊時，l＝w，R＝RS。所以，只要知道了某個摻雜區(qū)域的方塊電阻，就知道了整個摻雜區(qū)域的電阻值。RS：表面為正方形的半導(dǎo)體薄層，在電流方向呈現(xiàn)的電阻。單位為/（即）RS：正方形邊長無關(guān)其重要性：薄層電阻的大小直接反映了擴散入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量9物理意義：

薄層電阻的大小直接反映了擴散入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量

q電荷，載流子遷移率，n載流子濃度假定雜質(zhì)全部電離載流子濃度n=雜質(zhì)濃度N則：

Q：從表面到結(jié)邊界這一方塊薄層中單位面積上雜質(zhì)總量10對于不均勻的雜質(zhì)分布p型雜質(zhì)n(x)高斯擴散的Irvin曲線113、雜質(zhì)固溶度（dopantsolidsolubility）固溶度（solidsolubility）：在平衡條件下，雜質(zhì)能溶解在硅中而不發(fā)生反應(yīng)形成分凝相的最大濃度。電固溶度超過電固溶度的

雜質(zhì)可能形成電中性

的聚合物，對摻雜區(qū)

的自由載流子不貢獻(xiàn)12As在硅中的固溶度:21021cm-3As的電學(xué)可激活濃度:21020cm-313擴散的微觀機制(a)間隙式擴散（interstitial）(b)替位式擴散（substitutional）間隙擴散雜質(zhì)：Na,K,O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg替位擴散雜質(zhì)：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的運動一般是以近鄰處有空位為前題B，P，一般作為替位式擴散雜質(zhì)，實際情況更復(fù)雜，包含了硅自間隙原子的作用，稱填隙式或推填式擴散14填隙式（interstitialassistedkick-out)或推填式擴散（Interstitialcy-assited)15間隙原子推填子16間隙式擴散：Au,Ag,Cu,Fe,Ni等間隙原子必須越過的勢壘高度Ei

Ei

約為0.61.2eV

跳躍幾率和溫度有關(guān)

振動頻率0＝1013～1014/s

快擴散雜質(zhì)T：絕對溫度，k：玻爾茲曼常數(shù)17在溫度T，單位晶體體積中的空位數(shù)

每一格點出現(xiàn)空位的幾率為

Nv/N，替位式原子必須越過的勢壘高度為Es;Es+Evac約34eV

跳躍幾率為

慢擴散雜質(zhì)替位式擴散：B,P,As,Sb等18Ea：本征擴散激活能，D0和溫度弱相關(guān)，而主要取決于晶格幾何尺寸和振動頻率v0表觀擴散系數(shù)：Ea

小，間隙擴散Ea大，替位擴散本征擴散系數(shù)D：cm2/sec當(dāng)NA、ND<ni（在一定溫度下）時，稱為本征摻雜。19

D0(cm2/s)

Ea(eV)B 1.0 3.46In1.2

3.50P 4.70 3.68As 9.17 3.99Sb 4.58 3.88半導(dǎo)體工藝中常用摻雜原子在單晶硅中的本征擴散系數(shù)因子和激活能As的優(yōu)勢：小D，大固溶度20擴散是微觀粒子作無規(guī)則熱運動的統(tǒng)計結(jié)果，這種運動總是由粒子濃度較高的地方向濃度低的地方進行，而使得粒子的分布逐漸趨于均勻。擴散的原始驅(qū)動力是體系能量最小化。擴散的宏觀機制（diffusionfromamacroscopicviewpoint）擴散動力學(xué)21費克第一定律C為雜質(zhì)濃度（number/cm3)，D為擴散系數(shù)（cm2/s）。式中負(fù)號表示擴散是由高濃度處向低濃度處進行的（濃度有著負(fù)斜率，擴散朝著x的正向進行）濃度深度t1t222費克第二定律—濃度、時間、空間的關(guān)系Δt時間內(nèi)該小體積內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)目變化為這個過程中由于擴散進出該小體積的雜質(zhì)原子數(shù)為單位體積內(nèi)雜質(zhì)原子數(shù)的變化量等于流入和流出該體積元的流量差A(yù)23費克第二定律由假定D為常數(shù)擴散方程24特定邊界條件下，擴散方程的解1、穩(wěn)態(tài)時，濃度不隨時間變化有如氧化劑在SiO2中的擴散252、恒定表面源擴散：表面雜質(zhì)濃度恒定為Cs初始條件：C(x,0)=0,x0邊界條件：C(0,t)=Cs

C(,t)=0實際工藝中，這種工藝稱作“預(yù)淀積擴散”。即氣相中有無限量的雜質(zhì)存在，可以保證在擴散表面的雜質(zhì)濃度恒定。解方程，得恒定擴散方程的表達(dá)式

C(x,t)為某處t時的雜質(zhì)濃度Cs為表面雜質(zhì)濃度，取決于某種雜質(zhì)在硅中的最大固溶度erfc稱作“余誤差函數(shù)”26erfc(x)=ComplementaryErrorFunction=1-erf(x)余誤差函數(shù)性質(zhì)：對于x<<1對于x>>127：稱為特征擴散長度1）摻雜總量為A和Cs/CB有關(guān)D與溫度T是指數(shù)關(guān)系,因此T對結(jié)深的影響要較t大許多2）擴散結(jié)深為xj，則283）雜質(zhì)濃度梯度梯度受到Cs、t和D（即T）的影響。改變其中的某個量，可以改變梯度，如增加Cs（As）。在p-n結(jié)處CB和Cs一定時，xj越深，結(jié)處的梯度越小。29余誤差函數(shù)分布預(yù)淀積擴散擴散時間越長，雜質(zhì)擴散距離越深，進入襯底的雜質(zhì)總量越多。恒定表面源的擴散，其表面雜質(zhì)濃度Cs基本由雜質(zhì)在擴散溫度（900－1200C）下的固溶度決定，而固溶度隨溫度變化不大。t1t2t3t1<t2<t3CB303、有限源擴散：雜質(zhì)總量恒定為QT在整個擴散過程中，預(yù)淀積的擴散雜質(zhì)總量作為擴散的雜質(zhì)源，不再有新源補充。如先期的預(yù)淀積擴散或者離子注入一定量的雜質(zhì)，隨后進行推進退火時發(fā)生的高溫下擴散。初始條件：邊界條件：得到高斯分布CsDelta函數(shù)312）擴散結(jié)深1）表面濃度Cs隨時間而減少3）濃度梯度在p－n結(jié)處濃度梯度隨著擴散深度（結(jié)深）增加而下降A(chǔ)隨時間變化32相同表面濃度歸一化后，兩種分布的比較—瞬時間，二者相似33高斯函數(shù)分布推進(drive-in)退火擴散擴散時間越長，擴散越深，表面濃度越低。擴散時間相同時，擴散溫度越高，表面濃度下降越多。用于制作低表面濃度的結(jié)和較深的p-n結(jié)。t1t2t3t1<t2<t3CB34多步退火（推進）過程（Multipledrive-inprocess）當(dāng)擴散系數(shù)相同時，

當(dāng)擴散系數(shù)不同時，

(Dt)eff

用來衡量擴散過程的熱過程（thermalbudget）由于擴散系數(shù)成指數(shù)隨溫度增加，因此熱過程主要由最高溫度下的擴散來決定，別的一些步驟在決定擴散總量時可以忽略。預(yù)淀積控制劑量恒定劑量推進退火35二步擴散第一步為恒定表面濃度的擴散（Pre-deposition）（稱為預(yù)沉積或預(yù)擴散）控制摻入的雜質(zhì)總量第二步為有限源的擴散（Drive-in），往往同時氧化（稱為主擴散或再分布）控制擴散深度和表面濃度36因為當(dāng)時，最后的雜質(zhì)濃度分布為二步擴散的兩種極端情況37余誤差函數(shù)分布（erfc）表面濃度恒定雜質(zhì)總量增加擴散深度增加高斯函數(shù)分布（Gaussian）表面濃度下降(1/t)雜質(zhì)總量恒定結(jié)深增加關(guān)鍵參數(shù)

Cs（表面濃度）

xj

（結(jié)深）

Rs（薄層電阻）38本節(jié)課主要內(nèi)容1、摻雜工藝一般分為哪兩步？結(jié)深？薄層電阻？固溶度？2、兩種特