第5章 摻雜技術(shù)

集成電路芯片制造實用技術(shù)第5章?lián)诫s工藝第5章?lián)诫s工藝5.1概述5.2擴散5.3離子注入摻雜5.4摻雜質(zhì)量評價5.5實訓(xùn)擴散工藝規(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。擴散和離子注入5.1概述ⅢA族受主摻質(zhì)(P型)ⅣA族半導(dǎo)體ⅤA族施體摻質(zhì)(N型)元素原子量元素原子量元素原子量硼5碳6氮7鋁13硅14磷15鎵31鍺32砷33銦49錫50銻515.2擴散擴散技術(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)體器件生產(chǎn)的主要技術(shù)之一。但隨著離子注入的出現(xiàn)，擴散工藝在制備淺結(jié)、低濃度摻雜和控制精度等方面的巨大劣勢日益突出，在制造技術(shù)中的使用已大大降低。間隙式擴散

替位式擴散

推填式擴散

5.2.1間隙式擴散5.2.2替位式擴散5.2.3推填式擴散5.2.4擴散的工藝1．?dāng)U散設(shè)備2．?dāng)U散的工藝流程（1）程序鑒定測試以確保設(shè)備符合產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。（2）利用批次控制系統(tǒng)驗證晶圓特性。（3）下載所需擴散參數(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)擴散。（7）推進(jìn)：升高爐溫，推進(jìn)并激活雜質(zhì)，然后卸載出晶圓。（8）測量、評估及記錄結(jié)深與電阻。3．?dāng)U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，美國貝爾實驗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，可在N型材料上形成P型層。到了1960年，對離子射程的計算和測量、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管及鋁柵自對準(zhǔn)MOS晶體管。1972年以后對離子注入現(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量級的離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，這是離子注入機的源頭。（2）加速器，對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)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作用下獲得足夠高的動能，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（1）毒性物質(zhì)檢測與防護(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)也對身體有害。另外真空系統(tǒng)中及離子束線管壁上，皆會有毒性物質(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離子注入后造成的損傷與退火5.3.6離子注入的應(yīng)用與特點

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（ThresholdVoltage），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)（InoChanneling），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（1）它是一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)行機械加工和熱處理。2．離子注入摻雜技術(shù)的特點優(yōu)點：（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)對于注入離子的能量和劑量可以分別獨立的控制，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，所以能夠避免熱擴散所引入的晶體缺陷。這是利用擴散工藝無法實現(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)的特點缺點：（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，退火技術(shù)還不夠理想；再者其存在對材料表面的損傷；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)量評價5.4.1擴散摻雜工藝質(zhì)量評價（1）摻雜的濃度是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)。一般擴散摻雜的精度在8％～10％。要是一個發(fā)射極擴散工藝的薄層電阻Rs范圍是（15±1.5）Ω/□，那么，擴散后實測樣片的薄層電阻Rs阻值應(yīng)在13.5～16.5Ω/□之間，超出這個范圍就按超規(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％.如果測得一個片子內(nèi)部（上、中、下）3點的均勻性大于10％，也按常規(guī)處理。（3）表面質(zhì)量。好的擴散摻雜后的硅片，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?，F(xiàn)象，說明擴散摻雜是有問題的，是不符合質(zhì)量要求的。5.4.2離子注入摻雜工藝質(zhì)量評價（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實訓(xùn)擴散工藝規(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、氮氣0.3Mpa、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（因為有的恒溫槽可以在上電的時候自動開啟，有的不能自動開啟，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，壓縮指示燈亮，顯示水溫低于20C時，加熱指示燈亮，當(dāng)穩(wěn)定于20C時，壓縮指示燈亮并且加熱指示燈按固定頻率閃爍，有異常情況及時報告本工段負(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，控制柜上的工控機啟動，待電腦啟動正常后，打開大氮（流量為10L/min），按下“加熱開”按鈕，爐體開始加熱，運行十三號工藝，檢查氣體流量是否正常，運行完工藝后的爐子既可以運行下一步的擴散工藝。（6）按需求修改擴散工藝程序。（7）確認(rèn)擴散爐控制系統(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，報告工段長，及時調(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“工藝運行”鍵,在彈出框中選擇運行工藝號，輸入操作員代號、產(chǎn)品批號、產(chǎn)品數(shù)量點擊確認(rèn)，開始進(jìn)行擴散。（6）檢查：擴散工藝運行是否正常；氣體流量是否正常；時間設(shè)定是否正確。（7）擴散時