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克第二定律的解及其特點？特征擴散長度？預淀積＋退火。預淀積：氣固相預淀積擴散或離子注入。Rs：表面為正方形的半導體薄層（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)。隨時間變化：雜質(zhì)總量增加，擴散深度增加雜質(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)計該工藝過程。離子注入＋退火4假定推進退火獲得的結(jié)深，則根據(jù)該數(shù)值為推進擴散的“熱預算”。解：1）假設(shè)離子注入+推進退火52）推進退火的時間假定在1100

C進行推進退火，則擴散系數(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現(xiàn)在非常薄的范圍內(nèi)的雜質(zhì)預淀積64）假如采用950

C熱擴散預淀積而非離子注入

預淀積時間為此時，B的固溶度為2.5×1020/cm3，擴散系數(shù)D=4.2×10-15cm2/s該預淀積為余誤差分布，則但是預淀積時間過短，工藝無法實現(xiàn)。應(yīng)改為離子注入！即使7費克定律解析解的應(yīng)用本征擴散時，理想邊界條件下的解。實際情況需要修正，如：高濃度電場效應(yīng)雜質(zhì)分凝點缺陷…8影響雜質(zhì)分布的其他因素Fick’sLaws：OnlyvalidfordiffusionunderspecialconditionsSimplification!91、電場效應(yīng)（Fieldeffect）——非本征擴散電場的產(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。載流子領(lǐng)先于雜質(zhì)離子，直到內(nèi)建電場的漂移流與擴散流達到動態(tài)平衡。如果NA、ND＞ni（擴散溫度下）時，非本征擴散效應(yīng)10所以，雜質(zhì)流由兩部分組成：內(nèi)建電場

以n型摻雜為例，

11由并假定雜質(zhì)全部離化，有場助擴散方程：其中h為擴散系數(shù)的電場增強因子：當摻雜濃度遠大于本征載流子濃度時，h接近2。12電場效應(yīng)對于低濃度本體雜質(zhì)分布影響更大132、擴散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系在雜質(zhì)濃度很高時，擴散系數(shù)不再是常數(shù)，而與摻雜濃度相關(guān)擴散方程改寫為：箱型14p型摻雜n型摻雜Ⅲ、Ⅴ族元素在硅中的擴散運動是建立在雜質(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)誘導出了大量荷電態(tài)空位，從而增強了擴散系數(shù)。15非本征摻雜擴散系數(shù)比本征摻雜擴散系數(shù)高一個數(shù)量級?。∮捎诜潜菊鲹诫s的擴散系數(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，非本征擴散系數(shù)：16對于B，P來說，在氧化過程中，其擴散系數(shù)增加。對Sb來說，擴散系數(shù)減小。雙擴散機制:雜質(zhì)可以通過空位和間隙兩種方式擴散3、氧化增強/抑制擴散（oxidationenhanced/retardeddiffusion）OED/ORD171）OED：對于原子B或P來說，其在硅中的擴散可以通過間隙硅原子進行。氧化時由于體積膨脹，造成大量Si間隙原子注入，增加了B和P的擴散系數(shù)（1＋2）Si＋2OI＋2V?SiO2＋2I＋stressA+IAI182）ORD：對于Sb來說，其在硅中的擴散主要是通過空位進行。氧化注入間隙間隙和空位在硅中復合硅中空位濃度減小Sb的擴散被抑制I+V

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

AI，由于發(fā)射區(qū)內(nèi)大量A(P)I的存在使得反應(yīng)向左進行，通過摻雜原子A(P)向下擴散并找到晶格位置的同時，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℃時固溶度達2.4×1020原子/cm3D0=1cm2/sEa=3.46eV高濃度摻雜

如考慮場助效應(yīng)

h

電場增強因子212）磷Ⅴ族元素，施主原子，有吸收銅、金等快擴散雜質(zhì)的性質(zhì)（這些雜質(zhì)在缺陷處淀積會產(chǎn)生漏電）,固溶度達5×1021原子/㎝3。磷的本征擴散系數(shù)主要由中性空位V0作用決定。高濃度磷擴散時濃度分布有三個區(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，尾區(qū)的擴散系數(shù)比本征情況下的擴散系數(shù)大二個數(shù)量級。因此磷常作為深結(jié)擴散的雜質(zhì)223）砷Ⅴ族元素，施主雜質(zhì)，半徑與硅相同，擴散系數(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2×1021㎝-3適宜于淺結(jié)，精確控制23氣態(tài)相源擴散（gassource）液態(tài)源擴散（liquidsource）固態(tài)源擴散（solidsource）旋涂源擴散（spin-on-glass）注意：在引入擴散源后作推進擴散時，常常會在硅片上表面有一氧化層或其它覆蓋層保護硅片，使硅片中的雜質(zhì)不會揮發(fā)到大氣中去。擴散摻雜工藝241、氣態(tài)源擴散利用載氣（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)源擴散利用載氣（如N2）通過液態(tài)雜質(zhì)源，攜帶著雜質(zhì)蒸汽進入高溫擴散反應(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)原子向硅中擴散。舟261）液態(tài)源硼擴散

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)源磷擴散

源三氯氧磷(POCl3)>600

C5POCl3

P2O5+3PCl5

2P2O5+5S