半導(dǎo)體制造技術(shù)－摻雜

1、電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda半導(dǎo)體制造技術(shù)半導(dǎo)體制造技術(shù)西安交通大學(xué)微電子技術(shù)教研室西安交通大學(xué)微電子技術(shù)教研室第十一章第十一章 摻摻 雜雜 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda目目 標(biāo)標(biāo)通過本章的學(xué)習(xí)，將能夠：通過本章的學(xué)習(xí)，將能夠：1. 解釋摻雜在芯片制造過程中的目的和應(yīng)用；2. 討論雜質(zhì)擴散的原理和過程；3. 對離子注入有一個總體認(rèn)識，包括它的優(yōu)缺點；4. 討論劑量和射程在離子注入中的重要性；5. 列舉并描述離子注入機的5各主要子系統(tǒng)；6. 解釋離子

2、注入中的退火效應(yīng)和溝道效應(yīng)；7. 描述離子注入的各種應(yīng)用。 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda半導(dǎo)體制造常用雜質(zhì)半導(dǎo)體制造常用雜質(zhì)表 17.1 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda具有摻雜區(qū)的具有摻雜區(qū)的CMOSCMOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)N-溝道晶體管P-溝道晶體管 LI oxidep 外延層p+ 硅襯底STISTISTIn+p+p-welln-wellp+pp+pp+n+nn+nn+ABCEFDGHKLIJMNOn+nn+p+pp+Figure 17.1 電信學(xué)院 微電

3、子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian SerdaCMOS 制作中的一般摻雜工藝制作中的一般摻雜工藝Table 17.2 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda硅片中的摻雜區(qū)硅片中的摻雜區(qū)氧化硅氧化硅p+ 硅襯底摻雜氣體N擴散區(qū)Figure 17.3 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda擴擴 散散 擴散原理 三個步驟 預(yù)淀積 推進 激活 摻雜劑移動 固溶度 橫向擴散 擴散工藝 硅片清洗 雜質(zhì)源 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技

4、術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda擴散的概念擴散的概念 擴散是一種自然界及以發(fā)生的現(xiàn)象，擴散的發(fā)生需要兩個必要的條件：濃度差；過程所必須得能量。 摻雜區(qū)和結(jié)的擴散形成雜質(zhì)氣流擴散爐管+ = P雜質(zhì)原子型- = N雜質(zhì)原子型電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda擴散后的晶園剖面圖擴散后的晶園剖面圖電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda硅中的雜質(zhì)擴散硅中的雜質(zhì)擴散在間隙位置被轉(zhuǎn)移的硅原子SiSiSiSiSiSiSiSiSic) 機械的間隙

5、轉(zhuǎn)移SiSiSiSiSiSiSiSiSia) 硅晶體結(jié)構(gòu)b) 替代擴散SiSiSiSiSiSiSiSi空位雜質(zhì)d) 間隙擴散SiSiSiSiSiSiSiSiSi在間隙位置的雜質(zhì)Figure 17.4 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda固態(tài)擴散的目的固態(tài)擴散的目的 在晶園表面產(chǎn)生一定數(shù)量的摻雜原子（濃度） 在晶園表面下的特定位置處形成NP(或PN)結(jié) 在晶園表面層形成特定的摻雜原子(濃度)分布 結(jié)的圖形顯示結(jié)的圖形顯示 理想的 橫向擴散電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian S

6、erda濃度隨深度變化的曲線濃度隨深度變化的曲線晶圓縱深方向雜質(zhì)濃度濃度（原子數(shù)量）深度（層數(shù)）濃度（原子數(shù)量）深度（層數(shù)）結(jié)位置14121086421412108642(a)(b)(c)01234560123456O電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda擴擴 散散 工工 藝藝完成擴散過程所需的步驟：1. 進行質(zhì)量測試以保證工具滿足生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；2. 使用批控制系統(tǒng)，驗證硅片特性；.3. 下載包含所需的擴散參數(shù)的工藝菜單；4. 開啟擴散爐，包括溫度分布；5. 清洗硅片并浸泡氫氟酸，去除自然氧化層；6. 預(yù)淀積：把硅片裝入擴散爐，擴

7、散雜質(zhì)；7. 推進：升高爐溫，推進并激活雜質(zhì)，然后撤除硅片；8. 測量、評價、記錄結(jié)深和電阻。電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda擴散工藝的步驟擴散工藝的步驟預(yù)淀積預(yù)淀積 影響擴散層參數(shù)（結(jié)深、濃度等）的幾個因素 雜質(zhì)的擴散系數(shù) 雜質(zhì)在晶園中的最大固溶度1010101010101010表面濃度結(jié)深雜質(zhì)濃度晶圓體內(nèi)摻雜水平深度（層）12345Qttt電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda硅中雜質(zhì)的固溶度硅中雜質(zhì)的固溶度1010101010101010500700130

8、011009001500溫度（?C 原子固溶度（m）c AsPBSnSbAlGaOAuCuZnSAg電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda1100C 下硅中的固溶度極限Table 17.3 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda推進氧化推進氧化水汽氧化物雜質(zhì)淀積后的誤差函數(shù)分布推進氧化后的高斯分布晶圓雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度晶圓縱深方向O(b)(a)電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda擴散常用雜質(zhì)源擴散常用雜質(zhì)

9、源SEMATECH “Diffusion Processes,” Furnace Processes and Related Topics, (Austin, TX: SEMATECH, 1994), P. 7.Table 17.4 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda離離 子子 注注 入入 概況 摻雜劑濃度的控制 離子注入的優(yōu)點 離子注入的缺點 離子注入?yún)?shù) 劑量 射程 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda硅片工藝流程中的離子注入硅片工藝流程中的離子注入注入擴散

10、測試/揀選刻蝕拋光光刻完成的硅片無圖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）注入后退火光刻膠掩蔽電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda控制雜質(zhì)濃度和深度控制雜質(zhì)濃度和深度a)低摻雜濃度 (n, p) 和淺結(jié)深 (xj)Mask掩蔽層Silicon substratexj低能低劑量快速掃描束掃描摻雜離子離子注入機b)高摻雜濃度 (n+, p+) 和深結(jié)深 (xj)Beam scan高能大劑量慢速掃描MaskMaskSilicon substratexjIon implanterFigure 17.5 電信學(xué)院

11、 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda離子注入機示意圖離子注入機示意圖離子源分析磁體加速管粒子束等離子體工藝腔吸出組件掃描盤Figure 17.6 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda離子注入機離子注入機Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal sidePhoto 17.1 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serd

12、a離子注入的優(yōu)點離子注入的優(yōu)點 1. 精確控制雜質(zhì)含量；2. 很好的雜質(zhì)均勻性；3. 對雜質(zhì)穿透深度有很好的控制；4. 產(chǎn)生單一粒子束；5. 低溫工藝；6. 注入的離子能穿過掩蔽膜；7. 無固溶度極限。Table 17.5 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda注入機分類注入機分類Table 17.6 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda雜質(zhì)離子的射程和投影射程雜質(zhì)離子的射程和投影射程人射粒子束硅襯底對單個離子停止點RpDRp雜質(zhì)分布Figure 17.7 電信學(xué)院

13、 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda注入能量對應(yīng)射程圖注入能量對應(yīng)射程圖注入能量 (keV)Projected Range, Rp (mm)101001,0000.010.11.0BPAsSb注入到硅中Figure 17.8 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda注入雜質(zhì)原子能量損失注入雜質(zhì)原子能量損失SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-射線電子碰撞原子碰撞被移動的硅原子攜能雜質(zhì)離子硅晶格Figure 17.9

14、 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda輕離子和重離子引起的晶格損傷輕離子和重離子引起的晶格損傷輕離子沖擊重離子沖擊Figure 17.10 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian SerdaIon Implanters 離子源 引出電極(吸極)和離子分析器 加速管 掃描系統(tǒng) Process Chamber工藝腔 退火 溝道效應(yīng) 顆粒 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda離子源和吸極裝配圖離子源和吸極裝配圖Figu

15、re 17.11 吸出組件源室渦輪泵離子源絕緣體起弧室吸極吸出組件粒子束電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian SerdaBernas 離子源裝配圖離子源裝配圖前板狹縫起弧室燈絲電子反射器氣體入口5 V電子反射器陽極 +100 V起弧室氣化噴嘴電爐氣體導(dǎo)入管DI 冷卻水入口摻雜劑氣體入口Figure 17.12 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda離子源和吸極交互作用裝配圖離子源和吸極交互作用裝配圖+-NS N S120 V起弧吸出組件離子源60 kV吸引2.5 kV抑制源磁鐵

16、5V燈絲To PA+粒子束參考端(PA電壓)抑制電極接地電極Figure 17.13 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda分析磁體分析磁體石磨離子源分析磁體粒子束吸出組件較輕離子重離子中性離子Figure 17.14 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda離子注入機分析磁體離子注入機分析磁體Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 analyzer sidePhoto 17.2 電信學(xué)院 微電子教

17、研室半導(dǎo)體制造技術(shù)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粒子束粒子束至工藝腔電極來自分析磁體Figure 17.15 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda劑量與能量圖劑量與能量圖臨近吸收現(xiàn)在應(yīng)用擴展應(yīng)用多晶摻雜源/漏損傷工程Buried layers倒摻雜阱三阱Vt 調(diào)整溝道和漏工程0.1110100100010,000101610111012

18、1013101410151017能量 (keV)劑量 (atoms/cm2)Figure 17.16 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda高能注入機的線形加速器高能注入機的線形加速器源原子質(zhì)量分析磁體線形加速器最終能量分析磁體掃描盤硅片F(xiàn)igure 17.17 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda空間電荷中和空間電荷中和+具有空間電荷中和地粒子束剖面+粒子束膨脹剖面摻雜離子二次電子Figure 17.18 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael

19、Quirk and Julian Serda中性束流陷阱中性束流陷阱源分析磁體加速管中性束流陷阱聚焦陽極Y-軸偏轉(zhuǎn)X-軸偏轉(zhuǎn)中性束流路徑硅片粒子束接地的收集板Figure 17.19 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda硅片的靜電粒子束掃描硅片的靜電粒子束掃描+ Ion beamY-軸偏轉(zhuǎn)X-軸偏轉(zhuǎn)硅片旋轉(zhuǎn) 傾斜高頻 X-軸偏轉(zhuǎn)低頻 Y-軸偏移Figure 17.20 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda注入陰影效應(yīng)光刻膠a) 無傾斜的機械掃描粒子束b) 正常傾斜

20、的靜電掃描光刻膠粒子束Figure 17.21 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda離子注入硅片的機械掃描離子注入硅片的機械掃描掃描外半徑掃描內(nèi)半徑注入面積(計算的)溢出杯旋轉(zhuǎn)粒子束Figure 17.22 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda控制硅片充電的電子噴淋控制硅片充電的電子噴淋+Ion beam負(fù)偏置孔徑電子槍二次電子靶二次電子正離負(fù)電子復(fù)合WaferFigure 17.23 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and

21、Julian Serda控制硅片充電的離子噴淋控制硅片充電的離子噴淋負(fù)偏置孔徑Ion beam中性化原子硅片掃描方向電流(劑量) 監(jiān)測計等離子電子噴淋腔氬氣入口電子發(fā)射腔壁+SNSN+ArArArFigure 17.24 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda離子注入機的終端口離子注入機的終端口Photograph provided courtesy of International SEMATECHPhoto 17.3 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda注入工藝

22、腔的硅片傳送器注入工藝腔的硅片傳送器VIISion終端臺工藝腔終端子系統(tǒng)原子系統(tǒng)注入子系統(tǒng)操作界面片架真空鎖硅片傳送器掃描盤監(jiān)視器WallFigure 17.25 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda法拉第杯電流測量法拉第杯電流測量帶硅片的掃描盤掃描方向法拉第杯抑制柵孔徑電流積分儀在盤山的取樣狹縫粒子束Figure 17.26 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda硅單晶的退火硅單晶的退火修復(fù)硅晶格結(jié)構(gòu)并激活雜質(zhì)硅鍵b) 退火后的硅晶格a) 注入過程中損傷的硅晶格粒

23、子束Figure 17.27 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda沿沿 軸的硅晶格視圖軸的硅晶格視圖Used with permission from Edgard Torres DesignsFigure 17.28 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda離子人射角與溝道離子人射角與溝道Used with permission from Edgard Torres DesignsFigure 17.29 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Q

24、uirk and Julian Serda來自顆粒沾污的注入損傷來自顆粒沾污的注入損傷MaskMaskSilicon Substrate粒子束掃描離子注入機顆粒在被注入?yún)^(qū)產(chǎn)生空洞Figure 17.30 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda離子注入在工藝集成中的發(fā)展趨勢離子注入在工藝集成中的發(fā)展趨勢不同注入工藝的實例 深埋層 倒摻雜阱 穿通阻擋層 閾值電壓調(diào)整 輕摻雜漏區(qū) (LDD) 源漏注入 多晶硅柵 溝槽電容器 超淺結(jié) 絕緣體上硅 (SOI) 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Ju

25、lian Serda注入埋層注入埋層Figure 17.31 n-wellp-wellp- Epi layerp+ Silicon substratep+ Buried layer倒摻雜阱電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda倒摻雜阱倒摻雜阱n-wellp-wellp+ 埋層p+ Silicon substrateN雜質(zhì)p-type dopantp+n+Figure 17.32 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda防止穿通防止穿通n-wellp-wellp+ Bur

26、ied layerp+ Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+p+n+n+Figure 17.33 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda閾值電壓調(diào)整的注入閾值電壓調(diào)整的注入n-wellp-wellp+ Buried layerp+ Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+p+pn+n+nFigure 17.34 電信學(xué)院 微電子教研室半導(dǎo)體制造技術(shù)by Michael Quirk and Julian Serda源漏區(qū)形成源漏區(qū)形成+ + + + + + +- - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - n-wellp-wellp+ Buried layerp+ Silicon substratep+ S/D implantn+ S/D implant側(cè)墻氧化硅DrainSourceDrainSourceb) p+ 和n+ 源漏注入(分兩步進