第十一章摻雜

半導體制造技術

西安交通大學微電子技術教研室

第十一章

摻雜

目標通過本章的學習，將能夠：1. 解釋摻雜在芯片制造過程中的目的和應用；2. 討論雜質擴散的原理和過程；3. 對離子注入有一個總體認識，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；6. 解釋離子注入中的退火效應和溝道效應；7. 描述離子注入的各種應用。

半導體制造常用雜質表17.1

具有摻雜區(qū)的CMOS結構N-溝道晶體管P-溝道晶體管LIoxidep–

外延層p+

硅襯底STISTISTIn+p+p-welln-wellp+p–p+p–p+n+n–n+n–n+ABCEFDGHKLIJMNOn+nn++p+pp++Figure17.1

CMOS制作中的一般摻雜工藝Table17.2

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)Figure17.3

擴散擴散原理三個步驟預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源

擴散的概念擴散是一種自然界及以發(fā)生的現象，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)和結的擴散形成擴散后的晶園剖面圖硅中的雜質擴散在間隙位置被轉移的硅原子SiSiSiSiSiSiSiSiSic)機械的間隙轉移SiSiSiSiSiSiSiSiSia)硅晶體結構b)替代擴散SiSiSiSiSiSiSiSi空位雜質d)間隙擴散SiSiSiSiSiSiSiSiSi在間隙位置的雜質Figure17.4

固態(tài)擴散的目的在晶園表面產生一定數量的摻雜原子（濃度）在晶園表面下的特定位置處形成NP(或PN)結在晶園表面層形成特定的摻雜原子(濃度)分布結的圖形顯示理想的橫向擴散濃度隨深度變化的曲線擴散工藝完成擴散過程所需的步驟：1. 進行質量測試以保證工具滿足生產質量標準；2. 使用批控制系統，驗證硅片特性；.3. 下載包含所需的擴散參數的工藝菜單；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. 預淀積：把硅片裝入擴散爐，擴散雜質；7. 推進：升高爐溫，推進并激活雜質，然后撤除硅片；8. 測量、評價、記錄結深和電阻。擴散工藝的步驟預淀積

影響擴散層參數（結深、濃度等）的幾個因素

雜質的擴散系數雜質在晶園中的最大固溶度硅中雜質的固溶度1100°C下硅中的固溶度極限Table17.3

推進氧化擴散常用雜質源SEMATECH“DiffusionProcesses,”FurnaceProcessesandRelatedTopics,(Austin,TX:SEMATECH,1994),P.7.Table17.4

離子注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參數劑量射程

硅片工藝流程中的離子注入注入擴散測試/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控制雜質濃度和深度低摻雜濃度(n–,p–)和淺結深(xj)Mask掩蔽層Siliconsubstratexj低能低劑量快速掃描束掃描摻雜離子離子注入機高摻雜濃度(n+,p+)和深結深(xj)Beamscan高能大劑量慢速掃描MaskMaskSiliconsubstratexjIonimplanterFigure17.5

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Figure17.6

離子注入機PhotographcourtesyofVarianSemiconductor,VIISion80Source/TerminalsidePhoto17.1

離子注入的優(yōu)點

1. 精確控制雜質含量；2. 很好的雜質均勻性；3. 對雜質穿透深度有很好的控制；4. 產生單一粒子束；5. 低溫工藝；6. 注入的離子能穿過掩蔽膜；7. 無固溶度極限。Table17.5

注入機分類Table17.6

雜質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雜質分布Figure17.7

注入能量對應射程圖注入能量(keV)ProjectedRange,Rp(mm)101001,0000.010.11.0BPAsSb注入到硅中Figure17.8

注入雜質原子能量損失SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-射線電子碰撞原子碰撞被移動的硅原子攜能雜質離子硅晶格Figure17.9

輕離子和重離子引起的晶格損傷輕離子沖擊重離子沖擊Figure17.10

IonImplanters離子源引出電極(吸極)和離子分析器加速管掃描系統ProcessChamber工藝腔退火溝道效應顆粒

離子源和吸極裝配圖Figure17.11

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Bernas離子源裝配圖前板狹縫起弧室燈絲電子反射器氣體入口5V電子反射器陽極+100V起弧室氣化噴嘴電爐氣體導入管DI冷卻水入口摻雜劑氣體入口Figure17.12

離子源和吸極交互作用裝配圖++

+

+

+

+

+++

+

+

+

+

+-

-

----------NS

NS120V起弧吸出組件離子源60kV吸引2.5kV抑制源磁鐵5V燈絲ToPA+粒子束參考端(PA電壓)抑制電極接地電極Figure17.13

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Figure17.14

離子注入機分析磁體PhotographcourtesyofVarianSemiconductor,VIISion80analyzersidePhoto17.2

加速管100MW100MW100MW100MW100MW0kV+100kV+80kV+20kV+40kV+60kV+100kV粒子束粒子束至工藝腔電極來自分析磁體Figure17.15

劑量與能量圖臨近吸收現在應用擴展應用多晶摻雜源/漏損傷工程Buriedlayers倒摻雜阱三阱Vt調整溝道和漏工程0.1110100100010,0001016101110121013101410151017能量(keV)劑量(atoms/cm2)Figure17.16

高能注入機的線形加速器源原子質量分析磁體線形加速器最終能量分析磁體掃描盤硅片Figure17.17

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Figure17.18

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X-軸偏轉中性束流路徑硅片粒子束接地的收集板Figure17.19

硅片的靜電粒子束掃描+IonbeamY-軸偏轉X-軸偏轉硅片旋轉傾斜高頻

X-軸偏轉低頻

Y-軸偏移Figure17.20

注入陰影效應光刻膠a)無傾斜的機械掃描粒子束b)正常傾斜的靜電掃描光刻膠粒子束Figure17.21

離子注入硅片的機械掃描掃描外半徑掃描內半徑注入面積(計算的)溢出杯旋轉粒子束Figure17.22

控制硅片充電的電子噴淋++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++Ionbeam負偏置孔徑電子槍二次電子靶二次電子正離負電子復合WaferFigure17.23

控制硅片充電的離子噴淋負偏置孔徑Ionbeam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++++++++ArArArFigure17.24

離子注入機的終端口PhotographprovidedcourtesyofInternationalSEMATECHPhoto17.3

注入工藝腔的硅片傳送器VIISion終端臺工藝腔終端子系統原子系統注入子系統操作界面片架真空鎖硅片傳送器掃描盤監(jiān)視器WallFigure17.25

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Figure17.26

硅單晶的退火修復硅晶格結構并激活雜質－硅鍵b)退火后的硅晶格a)注入過程中損傷的硅晶格粒子束Figure17.27

沿<110>軸的硅晶格視圖UsedwithpermissionfromEdgardTorresDesignsFigure17.28

離子人射角與溝道UsedwithpermissionfromEdgardTorresDesigns<111><100><110>Figure17.29

來自顆粒沾污的注入損傷MaskMaskSiliconSubstrate粒子束掃描離子注入機顆粒在被注入區(qū)產生空洞Figure17.30

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整輕摻雜漏區(qū)(LDD)源漏注入多晶硅柵溝槽電容器超淺結絕緣體上硅(SOI)

注入埋層Figure17.31

n-wellp-wellp-Epilayerp+Siliconsubstratep+Buriedlayer倒摻雜阱倒摻雜阱n-wellp-wellp+

埋層p+SiliconsubstrateN－雜質p-typedopantp++n++Figure17.32

防止穿通n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstraten-typedopantp-typedopantp+p++n+n++Figure17.33

閾值電壓調整的注入n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstraten-typedopantp-typedopantp+p++pn+n++nFigure17.34

源漏區(qū)形成++++++++----------++++++++++++++++

----------------n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstratep+S/Dimplantn+S/Dimplant側墻氧化硅DrainSourceDrainSourceb)p+

和n+

源漏注入 (分兩步進行)++++++++----------n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstratep-channeltransistorp–LDDimplant