集成電路工藝原理

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(zhǎng)第三章實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗第四章光刻第五章

熱氧化第六章熱擴(kuò)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(lái)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)2上節(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、兩種特殊條件下的費(fèi)克第二定律的解及其特點(diǎn)？特征擴(kuò)散長(zhǎng)度？預(yù)淀積＋退火。預(yù)淀積：氣固相預(yù)淀積擴(kuò)散或離子注入。Rs：表面為正方形的半導(dǎo)體薄層（結(jié)深），在平行電流方向所呈現(xiàn)的電阻，單位為

/，反映擴(kuò)散入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量。固溶度：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。表面濃度恒定，余誤差函數(shù)分布(erfc)。隨時(shí)間變化：雜質(zhì)總量增加，擴(kuò)散深度增加雜質(zhì)總量恒定，高斯函數(shù)/正態(tài)分布(Gaussian)。隨時(shí)間變化：表面濃度下降，結(jié)深增加3例題：CMOS中的p阱的形成。要求表面濃度Cs=4x1017cm-3，結(jié)深xj=3mm。已知襯底濃度為CB=1×1015cm3。設(shè)計(jì)該工藝過(guò)程。離子注入＋退火4假定推進(jìn)退火獲得的結(jié)深，則根據(jù)該數(shù)值為推進(jìn)擴(kuò)散的“熱預(yù)算”。解：1）假設(shè)離子注入+推進(jìn)退火52）推進(jìn)退火的時(shí)間假定在1100

C進(jìn)行推進(jìn)退火，則擴(kuò)散系數(shù)D=1.5×10-13cm2/s

3）所需離子注入的雜質(zhì)劑量可以推算出該劑量可以很方便地用離子注入實(shí)現(xiàn)在非常薄的范圍內(nèi)的雜質(zhì)預(yù)淀積64）假如采用950

C熱擴(kuò)散預(yù)淀積而非離子注入

預(yù)淀積時(shí)間為此時(shí)，B的固溶度為2.5×1020/cm3，擴(kuò)散系數(shù)D=4.2×10-15cm2/s該預(yù)淀積為余誤差分布，則但是預(yù)淀積時(shí)間過(guò)短，工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)。應(yīng)改為離子注入！即使7費(fèi)克定律解析解的應(yīng)用本征擴(kuò)散時(shí)，理想邊界條件下的解。實(shí)際情況需要修正，如：高濃度電場(chǎng)效應(yīng)雜質(zhì)分凝點(diǎn)缺陷…8影響雜質(zhì)分布的其他因素Fick’sLaws：OnlyvalidfordiffusionunderspecialconditionsSimplification!91、電場(chǎng)效應(yīng)（Fieldeffect）——非本征擴(kuò)散電場(chǎng)的產(chǎn)生：由于載流子的遷移率高于雜質(zhì)離子，二者之間形成內(nèi)建電場(chǎng)。載流子領(lǐng)先于雜質(zhì)離子，直到內(nèi)建電場(chǎng)的漂移流與擴(kuò)散流達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。如果NA、ND＞ni（擴(kuò)散溫度下）時(shí)，非本征擴(kuò)散效應(yīng)10所以，雜質(zhì)流由兩部分組成：內(nèi)建電場(chǎng)

以n型摻雜為例，

11由并假定雜質(zhì)全部離化，有場(chǎng)助擴(kuò)散方程：其中h為擴(kuò)散系數(shù)的電場(chǎng)增強(qiáng)因子：當(dāng)摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征載流子濃度時(shí)，h接近2。12電場(chǎng)效應(yīng)對(duì)于低濃度本體雜質(zhì)分布影響更大132、擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系在雜質(zhì)濃度很高時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)不再是常數(shù)，而與摻雜濃度相關(guān)擴(kuò)散方程改寫(xiě)為：箱型14p型摻雜n型摻雜Ⅲ、Ⅴ族元素在硅中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是建立在雜質(zhì)與空位相互作用的基礎(chǔ)上的，摻入的施主或受主雜質(zhì)誘導(dǎo)出了大量荷電態(tài)空位，從而增強(qiáng)了擴(kuò)散系數(shù)。15非本征摻雜擴(kuò)散系數(shù)比本征摻雜擴(kuò)散系數(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)?。∮捎诜潜菊鲹诫s的擴(kuò)散系數(shù)在摻雜邊緣迅速衰減，因而出現(xiàn)邊緣陡峭的“箱型”分布。箱型1000

C下，非本征擴(kuò)散系數(shù)：16對(duì)于B，P來(lái)說(shuō)，在氧化過(guò)程中，其擴(kuò)散系數(shù)增加。對(duì)Sb來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散系數(shù)減小。雙擴(kuò)散機(jī)制:雜質(zhì)可以通過(guò)空位和間隙兩種方式擴(kuò)散3、氧化增強(qiáng)/抑制擴(kuò)散（oxidationenhanced/retardeddiffusion）OED/ORD171）OED：對(duì)于原子B或P來(lái)說(shuō)，其在硅中的擴(kuò)散可以通過(guò)間隙硅原子進(jìn)行。氧化時(shí)由于體積膨脹，造成大量Si間隙原子注入，增加了B和P的擴(kuò)散系數(shù)（1＋2）Si＋2OI＋2V?SiO2＋2I＋stressA+IAI182）ORD：對(duì)于Sb來(lái)說(shuō)，其在硅中的擴(kuò)散主要是通過(guò)空位進(jìn)行。氧化注入間隙間隙和空位在硅中復(fù)合硅中空位濃度減小Sb的擴(kuò)散被抑制I+V

Sis表示晶格上的Si原子As受間隙和空位擴(kuò)散兩種機(jī)制控制，氧化時(shí)的擴(kuò)散受影響較小194、發(fā)射極推進(jìn)效應(yīng)（EmitterPusheffect）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在P（磷）發(fā)射區(qū)下的B擴(kuò)散比旁邊的B擴(kuò)散快，使得基區(qū)寬度改變。A＋I(xiàn)

AI，由于發(fā)射區(qū)內(nèi)大量A(P)I的存在使得反應(yīng)向左進(jìn)行，通過(guò)摻雜原子A(P)向下擴(kuò)散并找到晶格位置的同時(shí)，釋放大量的間隙原子I，產(chǎn)生所謂“間隙原子泵”效應(yīng)，加快了硼的擴(kuò)散。PhosphorusBoron20常用雜質(zhì)硼（B），磷（P），砷（As）在硅中的性質(zhì)1）硼B(yǎng):III族元素，受主雜質(zhì)，1150℃時(shí)固溶度達(dá)2.4×1020原子/cm3D0=1cm2/sEa=3.46eV高濃度摻雜

如考慮場(chǎng)助效應(yīng)

h

電場(chǎng)增強(qiáng)因子212）磷Ⅴ族元素，施主原子，有吸收銅、金等快擴(kuò)散雜質(zhì)的性質(zhì)（這些雜質(zhì)在缺陷處淀積會(huì)產(chǎn)生漏電）,固溶度達(dá)5×1021原子/㎝3。磷的本征擴(kuò)散系數(shù)主要由中性空位V0作用決定。高濃度磷擴(kuò)散時(shí)濃度分布有三個(gè)區(qū)域。主要是磷離子與V0，V-，V=三種空位的作用造成的。溫度為1000℃時(shí)，尾區(qū)的擴(kuò)散系數(shù)比本征情況下的擴(kuò)散系數(shù)大二個(gè)數(shù)量級(jí)。因此磷常作為深結(jié)擴(kuò)散的雜質(zhì)223）砷Ⅴ族元素，施主雜質(zhì)，半徑與硅相同，擴(kuò)散系數(shù)小，僅磷、硼的十分之一。在高摻雜情況下也不引起畸變。在硅晶體中，砷激活量低于摻雜量，電激活濃度達(dá)2×1021㎝-3適宜于淺結(jié)，精確控制23氣態(tài)相源擴(kuò)散（gassource）液態(tài)源擴(kuò)散（liquidsource）固態(tài)源擴(kuò)散（solidsource）旋涂源擴(kuò)散（spin-on-glass）注意：在引入擴(kuò)散源后作推進(jìn)擴(kuò)散時(shí)，常常會(huì)在硅片上表面有一氧化層或其它覆蓋層保護(hù)硅片，使硅片中的雜質(zhì)不會(huì)揮發(fā)到大氣中去。擴(kuò)散摻雜工藝241、氣態(tài)源擴(kuò)散利用載氣（如N2）稀釋雜質(zhì)氣體，雜質(zhì)氣體在高溫下與硅表面硅原子發(fā)生反應(yīng)，釋放出雜質(zhì)原子向硅中擴(kuò)散。氣態(tài)雜質(zhì)源(劇毒氣體):磷烷（PH4）、砷烷（AsH3）、氫化銻（SbH3）、乙硼烷（H2B6）等252、液態(tài)源擴(kuò)散利用載氣（如N2）通過(guò)液態(tài)雜質(zhì)源，攜帶著雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入高溫?cái)U(kuò)散反應(yīng)管，雜質(zhì)蒸汽在高溫下分解，并與硅表面硅原子發(fā)生反應(yīng)，釋放出雜質(zhì)原子向硅中擴(kuò)散。舟261）液態(tài)源硼擴(kuò)散

源硼酸三甲脂B[(CH3)O]3

在500oC以上分解反應(yīng)B[(CH3)O]3

B2O3+CO2+H2O＋...2B2O3+3Si

3SiO2+4B

例：預(yù)淀積:950oC通源10－20分鐘，N2

再分布:1100－1200oC干氧＋濕氧＋干氧272）液態(tài)源磷擴(kuò)散

源三氯氧磷(POCl3)>600

C5POCl3

P2O5+3PCl5

2P2O5+5S